一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法

摘要

本发明所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，以小电流作为线圈的激励电流，并通过快速切断电流提高电流变化率以降低激励电流幅值从而在线圈周围产生符合要求的瞬变电磁场，且通过采用多个线圈级联并依次放电的方式延长激励时间，实现激励时间的拓展，所述多个线圈级联并依次放电的方式为多个线圈均充电完成，然后依次放电，或为多个线圈均在充电过程中通过线圈的充放电切换，完成依次循环放电。本发明使得以小电流作为线圈激励电流的电磁场激励系统，实现单次激励时间的有效拓展，而且实现方法简单易行、便于控制或调整。

权利要求

1.一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，以小电流作为线圈的激励电流，并通过快速切断电流提高电流变化率以降低所需要的激励电流幅值，从而在线圈周围产生符合要求的瞬变电磁场，其特征在于：电磁场激励系统通过采用多个线圈级联并依次放电的方式延长激励时间，实现激励时间的拓展。

2.根据权利要求1所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其特征在于：所述多个线圈级联并依次放电的方式是指：充电的多个线圈依次开始放电并等效延长放电结束时间，即多个线圈中第N个线圈其放电开始时刻为tas、放电结束时刻为tae，第N+

1个线圈其放电开始时刻为tbs、放电结束时刻为tbe，N为正整数；所述tbs滞后于tas且tbe滞后于tae。

3.根据权利要求2所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其特征在于：所述第N个线圈放电持续时间与第N+1个线圈放电持续时间的交叠时间为tab，tab＝tbs-tae；所述tab﹥0，即tbs提前于tae。

4.根据权利要求2所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其特征在于：所述第N个线圈放电持续时间与第N+1个线圈放电持续时间的交叠时间为tab，tab＝tbs-tae；所述tab＝0，即tbs与tae吻合。

5.根据权利要求2所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其特征在于：所述第N个线圈放电持续时间与第N+1个线圈放电持续时间的交叠时间为tab，tab＝tbs-tae；所述第N个线圈放电产生感应电压在目标介质中自由衰减到零的时间长度为tr，t﹥r

0；所述tab﹤0且|tab|≦tr。

6.根据权利要求1所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其特征在于：所述多个线圈级联并依次放电的过程中线圈开始放电前的起始电流和结束放电后的结束电流均为恒定电流。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其特征在于：所述电磁场激励系统包括相互连接的线圈(5)、线圈驱动电路(4)，线圈驱动电路(4)包括分别与线圈(5)连接的充电电路、放电电路。

8.根据权利要求7所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其特征在于：通过调整线圈(5)的电感值及放电电路中的电阻值即可调整放电时间，通过调整放电电路中放电持续时间的参数调整电流变化率。

9.根据权利要求7所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其特征在于：所述线圈驱动电路(4)还包括与线圈(5)连接的尖峰吸收电路。

10.根据权利要求7所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其特征在于：所述电磁场激励系统还包括分别与线圈驱动电路(4)连接的控制信号电路(6)、系统保护电路(7)、供电系统(8)，所述线圈驱动电路(4)、线圈(5)、控制信号电路(6)、系统保护电路(7)、供电系统(8)均设有一个以上，且与线圈(5)一一对应连接的控制信号电路(6)还与控制芯片(9)连接，控制芯片(9)通过控制信号电路(6)向对应的线圈(5)分别发出控制信号，控制信号的时序由计算机软件中的延时程序控制。

说明书

一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电磁激励方法，具体的说，涉及一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，具体在医学仪器中的应用为基于小电流的经颅磁刺激。

背景技术

[0002] 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 Magnetic Stimulation，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。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 Magnetic Stimulation，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。

[0003] 上述应用电磁场激励系统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，激励系统驱动电流大、脉冲宽度大，激励系统硬件电路功耗大、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。

[0004] 针对功耗大和安全性的问题，公开号为102614592A的专利提出了用小电流代替传统大电流的工作方式，此方法虽然克服了功耗和安全的问题，但是小电流放电时间短，其产生的瞬变电磁场往往存在着刺激时间不足，从而可能不足以引发预期神经兴奋的问题，所以在医用疗效方面又产生了极大的局限性。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种安全可靠、刺激时间长的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，本发明中的瞬变电磁场能够刺激神经等目标介质且有效延长激励时间。

[0006] 本发明通过下述技术方案实现：一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，以小电流作为线圈的激励电流，并通过快速切断电流提高电流变化率以降低激励电流幅值从而在线圈周围产生符合要求的瞬变电磁场，电磁场激励系统通过采用多个线圈级联并依次放电的方式延长激励时间，实现激励时间的拓展。

[0007] 本发明所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其所述多个线圈级联并依次放电的方式是指：充电的多个线圈依次开始放电并等效延长放电结束时间，即多个线圈中第N个线圈其放电开始时刻为tas、放电结束时刻为tae，第N+1个线圈其放电开始时刻为tbs、放电结束时刻为tbe，N为正整数；所述tbs滞后于tas且tbe滞后于tae。

[0008] 本发明所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其所述第N个线圈放电持续时间与第N+1个线圈放电持续时间的交叠时间为tab，tab＝tbs-tae；所述tab﹥0，即tbs提前于tae。

[0009] 本发明所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其所述第N个线圈放电持续时间与第N+1个线圈放电持续时间的交叠时间为tab，tab＝tbs-tae；所述tab＝0，即tbs与tae吻合。

[0010] 本发明所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其所述第N个线圈放电持续时间与第N+1个线圈放电持续时间的交叠时间为tab，tab＝tbs-tae；所述第N个线圈放电产生感应电压在目标介质中自由衰减到零的时间长度为tr，tr﹥0；所述tab﹤0且|tab|≦tr。

[0011] 本发明所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其所述第N个线圈开始放电时正在充电或已完成充电。

[0012] 本发明所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法，其所述多个线圈级联并依次放电的过程中线圈开始放电前的起始电流和结束放电后的结束电流均为恒定电流。

[0013] 适用于本发明所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法的电磁场激励系统，其所述电磁场激励系统包括相互连接的线圈、线圈驱动电路，线圈驱动电路包括分别与线圈连接的充电电路、放电电路。充电电路与线圈串联，放电电路与线圈并联。

[0014] 具体的，所述充电电路包括与线圈依次串联的充电二极管、充电电阻、充电开关，所述放电电路包括并联在线圈两端的放电电阻与放电二极管的串联电路。

[0015] 优选的，所述充电开关采用半导体开关器件，所述半导体开关器件的控制极与控制信号电路连接，所述尖峰吸收电路并联于充电开关两端，用于抑制尖峰脉冲对电路的影响。

[0016] 本发明所述电磁场激励方法通过调整线圈的电感值及放电电路中的电阻值即可调整放电时间，通过调整放电电路中放电持续时间的参数调整电流变化率。

[0017] 进一步的，所述线圈驱动电路还包括与线圈连接的尖峰吸收电路。

[0018] 进一步的，所述电磁场激励系统还包括分别与线圈驱动电路连接的控制信号电路、系统保护电路、供电系统，所述线圈驱动电路、线圈、控制信号电路、系统保护电路、供电系统均设有一个以上，且与线圈一一对应连接的控制信号电路还与控制芯片连接，控制芯片通过控制信号电路向对应的线圈分别发出控制信号，控制信号的时序由计算机软件中的延时程序控制。多个控制信号电路可共用一个控制芯片。

[0019] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

[0020] (1)本发明采用小电流代替了传统的大电流，在安全性能方面得到保证；

[0021] (2)本发明采用线圈级联的方式，解决了时间拓展问题，使得对目标介质的刺激时间充足；

[0022] (3)由于本发明中各个线圈的放电持续时间可以不同，各个线圈的起始电流虽然都为恒定电流但电流值可以不同，各个线圈的结束电流虽然都为恒定电流但电流值可以不同，所以本发明实现激励时间拓展的具体操作非常灵活、限定因素少、便于实现；

[0023] (4)本发明涉及的电磁场激励系统其装置结构简单、轻巧便携。

附图说明

[0024] 图1为模拟刺激神经示意图。

[0025] 图2为A状态时相邻两个线圈中电流衰减的时序示意图。

[0026] 图3为B状态时相邻两个线圈中电流衰减的时序示意图。

[0027] 图4为C状态时相邻两个线圈中电流衰减的时序示意图。

[0028] 图5为本发明的系统整体结构示意图。

[0029] 图6为本发明核心电路示意图。

[0030] 图7为本发明的系统程序流程图。

[0031] 其中：1—神经，2—第N个线圈，3—第N+1个线圈，4—线圈驱动电路，5—线圈，6—控制信号电路，7—系统保护电路，8—供电系统，9—控制信号。

具体实施方式

[0032] 下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

[0033] 为了提高电流经颅磁刺激的安全性，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，转而以小电流作为激励线圈的激励电流。根据电磁感应的基本原理，变化电流产生变化的磁场，变化磁场在目标介质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。

[0034] 在实际应用中，小电流通过线圈往往存在刺激时间不足的问题，本发明解决方案是通过采用多个线圈级联并依次放电的方式延长激励时间，实现激励时间的拓展。

[0035] 实施例1

[0036] 以两个线圈级联为例：如图1所示，利用级联的第N个线圈2、第N+1个线圈3中电流衰减产生的瞬变磁场刺激神经1。

[0037] 本发明的系统整体结构示意图如图5所示，该系统可细分为由一个控制芯片9同时控制的两套相同的系统，其中一套系统包括线圈驱动电路4以及分别与线圈驱动电路4连接的线圈5、控制信号电路6、系统保护电路7、供电系统8。其中线圈驱动电路4包括与线圈5串联的充电电路、与线圈5并联的放电电路以及尖峰吸收电路，充电电路、放电电路分别为线圈5提供充电、放电路径，使线圈5中有变化的电流，进而产生变化的磁场。控制芯片9为DSP5509，系统的工作过程中，控制芯片9将同时产生两路控制信号，并分别控制两套系统，所述控制信号为脉冲信号，在实际应用中控制芯片9也可以采用其他型号的DSP芯片或者单片机、FPGA(可编程门阵列)。控制信号电路6利用控制芯片9控制线圈驱动电路4的通、断。系统保护电路8主要是过热和过流的保护，当电路系统中温度过高或是电流过大时电路系统会自动关闭，停止工作。供电系统为12V稳压电源，但实际应用中也可以采用开关等成熟技术，将市电交流转换为系统工作所需的直流电。

[0038] 本实施例的核心电路如图6所示，其中电源PWR为供电系统8，电源PWR为系统提供12V稳压电源(图6中为示出其具体电路)。线圈L1对应图5系统整体结构示意图中线圈5。电阻R6、二极管D5、可变电阻VR2、电阻R11、二极管D10、NMOS管Q4、地GND、二极管D11、电容C4、二极管D12、电阻R12构成线圈驱动电路4，其中充电电路包括依次与线圈L1串联的二极管D5、可变电阻VR2、NMOS管Q4、地GND，其中NMOS管Q4作为线圈驱动电路4的充电开关，放电电路包括并联于线圈L1两端的由电阻R6、电阻R11、二极管D10组成的串联电路，尖峰吸收电路由二极管D11、电容C4、二极管D12、电阻R12组成，其作用在于抑制尖峰脉冲对电路的影响。
控制信号电路6包括信号输入端、与信号输入端连接的光耦U4以及与光耦U4连接的由三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、电阻R17、电阻R18组成的推挽输出电路，其中信号输入端接入DSP5509芯片输出的脉冲信号PAS-PULS，脉冲信号PAS-PULS经光耦U4输入到推挽输出电路，最终通过电阻R15输入到线圈驱动电路4中NMOS管Q4的栅极，从而控制NMOS管Q4的漏极与源极的导通或截止，其中光耦U4通过电—光—电的转换起到信号输入、输出的作用，另外光耦U4输入输出间互相隔离，而电信号传输又具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力，推挽输出电路主要用于增强驱动能力。本例核心电路除以上所述部分外均为系统保护电路8，系统保护电路8是过流和过热的保护，通过继电器来实现整个系统的保护，由于保护电路属于成熟技术，且本发明的改进点与保护电路无关，故此处不再赘述保护电路电路的结构。

[0039] 本例电路的工作原理是，当DSP5509芯片输出的脉冲信号PAS-PULS为低电平时，光耦U4导通，脉冲信号PAS-PULS经光耦U4输入到推挽输出电路放大并产生极性反转变为高电平，之后输入NMOS管Q4的栅极，由于NMOS管为高导通MOS管，当其栅极输入信号为高电平时其漏极与源极导通，如此充电电路完全导通，线圈L1开始充电，当DSP5509芯片输出的脉冲信号PAS-PULS为高电平时，光耦U4截止，线圈L1通过放电电路开始放电，线圈L1中电流衰减变化时即可产生瞬变电磁场。另外，由于RL电路的时间常数T＝L/R，通过调整线圈L1的电感值及充电电路的电阻值即可调整所述充电时间，通过调整线圈L1的电感值及放电电路的电阻值即可调整所述放电时间。

[0040] 下面给出本发明所述的一种以多激励源级联实现时间拓展的电磁激励方法具体实施过程中第N个线圈2、第N+1个线圈3中的电流衰减示意图。

[0041] 如图2、图3、图4所示，图中符号说明如下：

[0042] Ias：第N个线圈的起始电流；

[0043] Iae：第N个线圈的结束电流；

[0044] Ibs：第N+1个线圈的起始电流；

[0045] Ibe：第N+1个线圈的结束电流；

[0046] t0：起始时间；

[0047] tas：第N个线圈放电开始时间；

[0048] tae：第N个线圈放电结束时间；

[0049] tad：第N个线圈放电持续时间；

[0050] tbs：第N+1个线圈放电开始时间；

[0051] tbe：第N+1个线圈放电结束时间；

[0052] tbd：第N+1个线圈放电持续时间；

[0053] t2：终止时间；

[0054] tab：第N个线圈与第N+1个线圈各自放电的交叠时间，即tab＝tbs-tae；

[0055] tr：目标恢复时间。

[0056] 所述第N个线圈与第N+1个线圈为相邻的两个放电线圈且同一轮放电过程中第N个线圈先放电、第N+1个线圈后放电。若第N个线圈与第N+1个线圈在多个线圈中间的位置，则在第N个线圈开始放电之前(即tas之前)可能有多个线圈已完成放电；同理，在第N+1个线圈开始放电之后(即tbs之后)，可能有多个线圈继续开始放电。

[0057] 所述目标恢复时间tr是指：某个线圈放电并在目标介质中产生感应电压，该感应电压在目标介质中自由衰减到零的时间长度。所述tr随目标介质及所处状态不同而不同。

[0058] 首先，通常情况下，线圈放电结束后的电流为0，但不作绝对要求，只要是保持恒定即可。其次，多个线圈的起始电流并不要求一致，只要各自保持恒定即可。而且，第N个线圈放电持续时间tad和第N+1个线圈放电持续时间tbd也不要求一致，可视设计需要调整。

[0059] 如图2所示，t0﹤tas﹤tbs﹤tae﹤tbe﹤t2，此时tab﹥0，即当第N个线圈2中的电流开始衰减时第N+1个线圈3开始衰减，第N个线圈2衰减结束后第N+1个线圈3仍继续衰减，如此即可实现激励时间的拓展。

[0060] 如图3所示，t0﹤tas﹤tbs＝tae﹤tbe﹤t2，此时tab＝0，即第N个线圈2中的电流先开始衰减，当第N个线圈2衰减结束的同时第N+1个线圈3开始衰减，第N+1个线圈3继续衰减一段时间后结束，如此即可实现激励时间的拓展。

[0061] 如图4所示，t0﹤tas﹤tae﹤tbs﹤tbe﹤t2且，此时tab﹤0，即第N个线圈2中的电流衰减结束后第N+1个线圈3中的电流开始衰减，如此即可实现激励时间的拓展。

[0062] 在如图4所示C状态时相邻两个线圈中电流衰减的时序示意图的基础之上，若满足“t0﹤tas﹤tae﹤tbs﹤tbe﹤t2，tab﹤0且|tab|≦tr”，即第N+1个线圈3中的电流开始衰减的时间距离第N个线圈2衰减结束的时间小于或等于第N个线圈2放电产生的感应电压在目标介质中自由衰减到零的时间，则能更好的实现持续激励的效果。

[0063] 当第N个线圈2、第N+1个线圈3中电流均衰减完成之后，系统又开始对其进行充电，并再次重复以上衰减过程。

[0064] 以上实施例中两路脉冲信号PAS-PULS的时序由DSP5509芯片中事先设定好的程序控制，通过调整脉冲信号PAS-PULS的时序即可控制线圈5充电与放电的时刻以及线圈5之间的充放电间隙。

[0065] 以此类推，根据需要可设置三个、四个甚至更多个线圈的级联，原理同上，实现更长时间的拓展。

[0066] 实施例2

[0067] 本实施例在实施例1的基础上做进一步优化：本发明所述多个线圈级联并依次放电的方式可以是多个线圈均在充电完成后进行逐个放电，也可以是多个线圈均在充电过程中通过线圈的充放电切换进行循环放电。

[0068] 以两个均在充电完成后依次放电的相邻线圈为例：具体的系统程序流程图如图7所示，首先初始化时钟，即将DSP5509芯片上与控制信号电路连接的两I/O口设置为高电平并延时t1待系统稳定之后将两I/O口设置为低电平，即同时对两个线圈进行充电，充电完成之后再将第一个I/O口设置为高电平，第一个I/O口所连接的电路中的线圈5开始电流衰减并产生的瞬变磁场，第一个I/O口所连接的电路中的线圈5中的电流衰减完成之后再将第二个I/O口设置为高电平，第二个I/O口所连接的电路中的线圈5开始电流衰减并产生的瞬变磁场，当两个线圈5中的电流均衰减完成之后程序再次回到初始化状态即进入下一轮工作，如此不断循环即可实现激励时间的拓展。

[0069] 以两个均在充电过程中通过线圈的充放电切换进行循环放电的相邻线圈为例：通过软件控制控制芯片中发出的两路脉冲信号，设置其中一路信号设置为高电平时，另一路信号设置为低电平，使得一个线圈放电时另一个线圈充电，即通过两个线圈互补的方式实现线圈的逐个依次无间隙的循环放电。

[0070] 本实施例其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

[0071] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。