CN102614592A

CN102614592A - 用于医学领域tms的瞬变电磁场激励***

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Publication number: CN102614592A
Application number: CN2012101079948A
Authority: CN
Inventors: 刘冀成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: CN102614592B

Abstract

本发明涉及一种医学仪器。本发明所针对现有技术激励***驱动电流大、脉冲宽度大，激励***硬件电路实现困难，而且存在很大的安全隐患的缺点，公开了一种用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***。本发明的技术方案包括电源装置、激励线圈、充电电路、放电电路和控制装置，所述电源装置与所述充电电路连接，为所述充电电路提供充电电流，所述放电电路与所述激励线圈连接，为所述激励线圈提供放电路径，所述控制装置用于控制充电电路和放电电路的开通与关断，其特征在于，通过提高电流变化率来降低电流幅值，在激励线圈周围产生符合要求的瞬变电磁场。本发明的技术方案用于TMS激励***，可以降低***结构复杂程度，提高***安全性。

Description

用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***

技术领域

本发明涉及一种医学仪器，特别涉及一种利用瞬变电磁场进行神经刺激的电磁场经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)技术。

背景技术

瞬变电磁场是一种变化的电磁场，其在工业领域的应用非常广泛，如用于金属探测和矿物资源探测等。他们都是利用激励线圈中电流的瞬间变化产生脉冲电磁波(称为一次电磁场，或一次场)，在一次电磁场的激励下，被测物体内部由于电磁感应将产生随时间变化的感应电流，该感应电流又在周围空间激发二次电磁场(或二次场)，此二次电磁场与被探测的金属导体的内部结构状态和参数相关。利用二次电磁场感应线圈接收该二次电磁场，分析并研究其与时间的变化关系，就可以对目标的当前状态进行定量和定性评估。

瞬变电磁场在医学领域的典型应用为一种称为经颅磁刺激(Transcranial MagneticStimulation，缩写：TMS)的技术。TMS是一种无电极刺激形式，它是利用激励线圈产生时变磁场在目标组织中感应出电流，达到刺激可兴奋组织目的。当电流流经TMS激励线圈时，将在其周围产生时变磁场，这个强大且快速变化的磁场可以穿透人体皮肤及头骨等组织发生作用。

时变磁场能够刺激神经是由D’Arsonval在1896年观察到磁致闪光现象时首先发现的，在此后的很长时间内，磁刺激研究仅限于磁致闪光。Brickford等在1965年磁刺激完整的兔、青蛙和人时观察到骨骼肌抽动，但由于没有明确的应用目的，进一步的工作没有开展。1985年，Barker等使用一个小巧磁线圈在低于0.3Hz的脉冲电流驱动下，几乎无痛、非侵入地刺激正常人脑皮质，观察到手肌抽动，用表面电极在小指外展肌记录到运动皮质诱发电位(MEPs)，并在伦敦出席第11届脑电与临床神经生理大会上向世界各地代表做了展示，令人鼓舞的结果引起了极大的轰动，这种方法后称为经颅磁刺激(Transcranial MagneticStimulation，TMS)。1987年Amassian等、1990年Cohen等分别用实验证明了不同方向放置的刺激线圈对大脑皮层的作用引起不同手指活动。

上述应用电磁场激励***通常采用大电流脉冲进行驱动，以获得需要的瞬变电磁场。为了获得足够的电磁场强度，激励***驱动电流大、脉冲宽度大，激励***硬件电路实现困难，而且存在很大的安全隐患，特别是医学领域的应用安全性更是一个不可忽视的重要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***，克服现有技术的缺点，提高***的安全性。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***，包括电源装置、激励线圈、充电电路、放电电路和控制装置，所述电源装置与所述充电电路连接，为所述充电电路提供充电电流，所述放电电路与所述激励线圈连接，为所述激励线圈提供放电路径，所述控制装置用于控制充电电路和放电电路的开通与关断，其特征在于，通过提高电流变化率来降低电流幅值，在激励线圈周围产生符合要求的瞬变电磁场。

本发明的技术方案，通过电路参数的调整，使激励线圈的激励电流变化率(di/dt)得到提高，从而可以降低电流幅值，并在激励线圈周围产生符合要求的瞬变电磁场。由于激励线圈的激发电流变化非常快(即变化率高)，激励线圈中流过的电流幅值可以降低许多，而该激励电流产生的瞬变电磁场对神经组织的刺激，与大电流宽脉冲激励电流产生的刺激效果基本相同。激励电流幅值的降低，可以降低***结构复杂程度，提高***安全性。根据试验结果，电流幅值的降低对神经刺激作用的减少，可以通过提高电流变化率得到补偿，并且产生基本相同的刺激效果。

进一步的，通过调整充电电路参数和/或放电电路参数提高电流变化率。

具体的，所述充电电路参数为充电电压和充电时间，所述放电电路参数为放电电路电阻、激励线圈电感和放电时间。

进一步的，通过增加电感、电容或电阻调整所述充电时间和放电时间。

优选的，所述充电电路包括与激励线圈串联的充电开关，所述放电电路包括并联在激励线圈两端的放电二极管与放电电阻的串联电路。

具体的，所述充电开关采用半导体开关器件，所述半导体开关器件控制极与所述控制装置连接。

进一步的，所述激励线圈两端并联有尖峰吸收电路，用于抑制激励线圈放电时产生的尖峰脉冲对电路的影响。

具体的，所述尖峰吸收电路由串联的吸收电阻、吸收电容和阻断二极管构成，所述吸收电容两端并联有旁路电阻。

优选的，所述充电电路包括充电电容和充电开关，其中充电电容并联有续流二极管，所述放电电路包括放电开关和放电电阻，所述电源装置通过充电开关与所述充电电容连接，所述充电电容通过放电开关和放电电阻与所述激励线圈连接。

具体的，所述充电开关和放电开关采用半导体开关器件，所述半导体开关器件控制极与所述控制装置连接。

本发明的有益效果是，利用电流的快速变化这一特性，采用较小的激励电流产生满足要求的电磁场，在神经组织中得到相同的感应电流刺激，不仅克服了大电流宽脉冲电路实现困难的缺点，而且提高了***的安全性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例1的结构示意图；

图3是实施例1的激励电流波形示意图；

图4是实施例2的结构示意图；

图5是实施例2的激励电流波形示意图；

图6a是宽脉冲大电流波形图；

图6b是宽脉冲大电流在人类头部三层球膜模型内激发的感应电流密度仿真图；

图7a是窄脉冲小电流波形图；

图7b是窄脉冲小电流在人类头部三层球膜模型内激发的感应电流密度仿真图。

具体实施方式

下面结合附图即实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明摒弃了传统技术通常采用的大电流宽脉冲激励方案，转而以小电流窄脉冲作为激励线圈的激励电流。窄脉冲激励电流意味着激励电流的变化率的增大，根据电磁感应的基本原理，变化电流产生变化的磁场，变化磁场在神经组织中激发的电流刺激与激励线圈电流变化率正相关。本发明正是利用了该原理，用变化率大、幅值小的脉冲电流代替变化率小、幅值大的脉冲电流，达到相同的刺激效果。

本发明用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***结构如图1所示，包括电源装置1、控制装置2、激励线圈3、充电电路4和放电电路5。电源装置1可以采用开关电源等成熟技术，将市电交流转换为***工作所需的直流电，如控制装置的直流供电、激励线圈3的激励电流等。电源装置1通过充电电路4与激励线圈3连接，为激励线圈3提供充电电流。放电电路5与激励线圈3连接，为激励线圈3提供放电路径。控制装置2的核心部分可以采用单片机、DSP(数字信号处理器)、FPGA(可编程门阵列)等构成，用于对充电电路和放电电路的通断进行控制，配合电路参数的调整，以电流变化率的提高到达降低电流幅值的目的，在激励线圈周围产生符合要求的瞬变电磁场，对神经组织产生合适的刺激。

由于激励线圈3的激发电流为变化率大的窄脉冲电流，电流幅值可以降低许多，而该窄脉冲电流通过激励线圈3激发的对神经组织产生刺激作用的电流，与大电流宽脉冲激励电流效果基本相同。由于激励电流幅值的降低，可以降低***结构复杂程度。本发明中，电源装置1的作用是为激励线圈提供激励电流。控制装置2的作用是控制充电电路和放电电路的开通与关断，在激励线圈3中产生激励电流脉冲。激励线圈3中电流的快速变化，产生的电磁场也是快速变化的，该电磁场在神经组织中感应的电流大小与激励电流的变化率正相关。

本发明为了降低激励电流的幅值、简化***结构和提高安全性，采用窄脉冲激励电流驱动激励线圈。所强调的是激励线圈电流的上升沿或者下降沿的快速变化，通过对电路参数(R、L、C)的调整，如增加其他电感、电容或电阻等元件，改变充电电路和放电电路的时间常数，调整充电时间和放电时间，提高电流的变化率，以实现在很低的峰值激励电流驱动下，得到满足TMS应用要求的瞬变电磁场，在目标区域内达到足够磁通量变化率。下面通过2个实施例描述本发明的瞬变电磁场激励***。需要说明的是，下面的实施例仅用于说明本发明，本发明的保护范围并不局限于此，下面的实施例不应理解为对本发明的限定。

实施例1

本例瞬变电磁场激励***结构如图2所示，本例电源装置为直流电源VDC，其输出电压可以通过控制装置(图1中未示出)进行调节，使充电电压发生变化进而控制激励线圈L激励电流幅值。图2中，半导体开关器件K构成本例充电开关，半导体开关器件K的控制极P与控制装置连接，可以对激励线圈L的充放电时间(频率)进行控制，调节激励线圈L的激励电流幅值。图2中电阻R4、二极管D3和电容C2构成半导体开关器件K的吸收电路。放电电阻R1与放电二极管D1串联后并联在激励线圈L的两端，构成激励线圈L的放电电路。通过调节放电电阻R1的阻值和/或激励线圈L的电感等放电电路参数，可以控制激励线圈L的激励电流变化率。本例激励线圈L两端还并联有阻断二极管D2、吸收电容C1、吸收电阻R2和旁路电阻R3构成的尖峰吸收电路，不仅能够有效抑制激励线圈L放电时产生的高压脉冲尖峰，达到保护***的目的，而且还能够避免激励线圈L放电时形成的二阶振荡。图2中，阻断二极管D2、吸收电容C1和吸收电阻R2串联后与激励线圈L并联，旁路电阻R3并联在吸收电容C1两端，构成其放电回路。

本例电路工作原理是：当半导体开关器件K导通时，激励线圈L开始储能，由于放电二极管D1的反向阻断作用，放电电路不起作用；当半导体开关器件K断开时，激励线圈L的储能通过放电电阻R1和放电二极管D1释放，此时激励线圈L电流快速减小到0，从而向外辐射电磁波。本例半导体开关器件K为高速高压半导体开关器件，通过控制装置的控制实现激励线圈L的快速放电，本例电路有多种方式调节激励线圈L的电流幅值，比如可通过调节VDC输出电压大小，或者调节充电开关K的控制信号，或者二者混合调节，均可调节L的电流幅值。

本例电路激励电流波形如图3所示，t1为激励线圈L充电时间，t2为激励线圈L放电时间，本例主要是利用激励线圈L的快速放电来产生电磁波，利用高速半导体器件实现电感快速放电，以达到在小电流状态下，获得满足实际应用要求的电流变化率，在满足工作周期的条件下，核心参数是电感电流下降时间t2，可以通过放电电阻R1进行调整。

本电路主要功能特点：调节放电电阻R1的大小，可以调整L放电时电流的变化率，即调整t2的大小；调节充电电压，即直流电源VDC输出电压的大小，可以改变激励电流的幅值；控制半导体开关器件K通断时间，也可以调节激励电流的幅值。本例电路能够通过提高电流变化率来降低电流幅值，在激励线圈L周围产生符合要求的瞬变电磁场。

实施例2

本例瞬变电磁场激励***，利用电容的放电对激励线圈进行激励，其电路结构如图4所示。本例充电电路包括限流电阻R0、充电电容C和充电开关K1，放电电路包括放电开关K2、激励线圈L和放电电阻R。电源装置VDC通过充电开关K1与充电电容C连接，通过控制电源装置VDC的输出电压和/或充电开关K1的导通时间，可以对充电电容C的电压进行控制。图4中，充电电容C通过放电开关K2与激励线圈L连接，放电开关K2和放电电阻R与激励线圈L串联。本例充电开关K1和放电开关K2均采用半导体开关器件，两只半导体开关器件控制极P1和P2与控制装置(图4中未示出)相连，可以控制本例瞬变电磁场激励***的充电与放电。为了抑制尖峰脉冲对电路的影响，本例两只半导体开关器件K1、K2均并联有结构相同的吸收电路。图4中吸收电阻R1、吸收电容C1、反向阻断二极管D1构成半导体开关器件K1的吸收电路，吸收电阻R2、吸收电容C2、反向阻断二极管D2构成半导体开关器件K2的吸收电路，电阻R为激励线圈L的放电电阻，电阻R0为充电限流电阻，二极管D为续流二极管。

本例电路工作原理是：当半导体开关器件K1导通、K2断开时，充电电容C处于储能状态；当半导体开关器件K1断开、K2导通时，充电电容C的储能通过激励线圈L和放电电阻R释放，此时激励线圈L的电流快速变化，从而向外辐射电磁波。本例电路可以通过调节半导体开关器件K1的控制信号，达到调节充电电容C上电压幅值的大小，从而实现放电时激励线圈L上电流幅值的调节。充电电容C反向并联续流二极管D(采用快恢复二极管)，可以避免放电时产生二阶振荡。本例电路有多种方式调节激励线圈L的电流幅值，比如可通过调节直流电源VDC输出电压大小，或者调节充电开关K1的控制信号，或者二者混合调节，均可控制激励线圈L的激励电流幅值。

图5所示为本例激励电流波形，t1为充电电容C放电时激励线圈L电流快速上升时间，t2为充电电容C放电时激励线圈L电流下降时间。本例电路主要是利用储能电容C放电时激励线圈L电流急速上升来产生电磁波，以获得满足实际应用要求的激励电流变化率。在满足工作周期工作的条件下，本例电路核心参数是激励线圈L电流上升时间t1。

本电路主要功能特点：调节放电电阻R和激励线圈L电感的大小，可以调整充电电容C放电时电流的变化率，即调整t1的大小，以实现激励电流的快速变化；调节直流电源VDC输出电压的大小，或调节充电控制开关K1的控制信号，可以改变充电电容C放电时电流的幅值；调节放电电容R的大小，可以调整激励线圈L的激励电流幅值。本例电路也能够通过上述调整，实现提高电流变化率来降低电流幅值，在激励线圈L周围产生符合要求的瞬变电磁场的目的。

上述2个实施例，都可以通过在充电电路和放电电路中增加其他电感、电容或电阻，改变电路的时间常数，调整充电时间和放电时间。

下面给出两种不同脉冲宽度和电流幅度的仿真结果。

图6a示出了幅值320A，脉冲宽度420μs的激励电流波形，图6b为用磁场仿真软件Ansys模拟的该电流通过激励线圈时，在人类头部三层球膜模型内激发的感应电流密度仿真图。图7a示出了幅值3.2A，脉冲宽度56μs的激励电流波形，图7b为用磁场仿真软件Ansys模拟的同该电流通过激励线圈时，在人类头部三层球膜模型内激发的感应电流密度仿真图。可以看出，幅值320A，脉冲宽度420μs的激励电流通过激励线圈时，在人类头部三层球膜模型内激发的感应电流密度，与幅值3.2A，脉冲宽度56μs的激励电流通过激励线圈时，在人类头部三层球膜模型内激发的感应电流密度相差不大。激励电流幅值减少了100倍，脉冲宽度减少了7.5倍，在人类头部三层球膜模型内激发的感应电流密度相差不大。即，可以通过提高电流变化率来降低电流幅值，在激励线圈周围产生相同的、符合要求的瞬变电磁场。小电流的窄脉冲可代替大电流的宽脉冲产生相同刺激作用。

Claims

1.用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***，包括电源装置、激励线圈、充电电路、放电电路和控制装置，所述电源装置与所述充电电路连接，为所述充电电路提供充电电流，所述放电电路与所述激励线圈连接，为所述激励线圈提供放电路径，所述控制装置用于控制充电电路和放电电路的开通与关断，其特征在于，通过提高电流变化率来降低电流幅值，在激励线圈周围产生符合要求的瞬变电磁场。

2.根据权利要求1所述的用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***，其特征在于，通过调整充电电路参数和/或放电电路参数提高电流变化率。

3.根据权利要求2所述的用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***，其特征在于，所述充电电路参数为充电电压和充电时间，所述放电电路参数为放电电路电阻、激励线圈电感和放电时间。

4.根据权利要求3所述的用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***，其特征在于，通过增加电感、电容或电阻调整所述充电时间和放电时间。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***，其特征在于，所述充电电路包括与激励线圈串联的充电开关，所述放电电路包括并联在激励线圈两端的放电二极管与放电电阻的串联电路。

6.根据权利要求5所述的用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***，其特征在于，所述充电开关采用半导体开关器件，所述半导体开关器件控制极与所述控制装置连接。

7.根据权利要求5所述的用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***，其特征在于，所述激励线圈两端并联有尖峰吸收电路，用于抑制激励线圈放电时产生的尖峰脉冲对电路的影响。

8.根据权利要求7所述的用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***，其特征在于，所述尖峰吸收电路由串联的吸收电阻、吸收电容和阻断二极管构成，所述吸收电容两端并联有旁路电阻。

9.根据权利要求1～4任意一项所述的用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***，其特征在于，所述充电电路包括充电电容和充电开关，其中充电电容并联有续流二极管，所述放电电路包括放电开关和放电电阻，所述电源装置通过充电开关与所述充电电容连接，所述充电电容通过放电开关和放电电阻与所述激励线圈连接。

10.根据权利要求9所述的用于医学领域TMS的瞬变电磁场激励***，其特征在于，所述充电开关和放电开关采用半导体开关器件，所述半导体开关器件控制极与所述控制装置连接。