多参数可调经颅磁刺激系统的设计与分析

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1、天津大学工程硕士学位论文多参数可调经颅磁刺激系统的设计与分析DesignandAnalysisofAdjustableMulti-parameterTranscranialMagneticStimulationSystem学科专业：控制工程研究生：李帅指导教师：邓斌教授企业导师：刘宇高级工程师天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月摘要无创式脑调制技术已经成为神经精神疾病诊断和治疗的有效手段，其中经颅磁刺激技术以其非侵入式的特点得到了广泛的应用。虽然各种经颅磁刺激形式被提出，但是相应的刺激装置的设计则落后于理论研究，且目前的

2、刺激装置相对简单，无法满足临床需要。因此，本文从刺激参数可灵活调节的角度对经颅磁刺激系统进行研究。首先，本文提出的多参数可调经颅磁刺激系统中，可调节参数包括线圈中电流形式、刺激强度以及刺激线圈。详细叙述了系统的整体结构，基于电磁场理论，实现对单向、双向、簇状刺激电流波形的设计，并给出相应电路仿真来验证方案可行性。同时，对于多线圈阵列的控制也给出了简要的设计方案。其次，通过硬件电路实现磁刺激系统的设计，包括电源电路、控制电路、逆变电路和线圈控制电路，并给出了电路中具体的参数选取，基于设计的刺激电路，给出相应的实验结果并与电路仿真进行对

3、比分析。最后，基于有限元分析方法构建了线圈和头颅模型，给出了模型参数，定义了刺激效果的评价指标：刺激深度和聚焦度。对两种商用线圈的感应电场分布以及刺激效果做了简要的对比分析，进而着重分析了刺激线圈直径和角度的变化对刺激效果的影响，定量和定性地分析了变化过程中的规律。本文从刺激电流波形设计、电路仿真、硬件系统实现以及电磁场分布角度给出磁刺激装置的设计与理论分析，为新型经颅磁刺激装置的设计和应用提供了新的思路。关键词：经颅磁刺激，电磁场分布，评价指标，有限元分析IABSTRACTNon-invasivebrainmodulationha

4、sbecomeaneffectivemeansofdiagnosisandtreatmentofneuropsychiatricdisorders.Transcranialmagneticstimulationtechnologyhasbeenwidelyusedforitsnon-invasivefeatures.Althoughvariousformsofstimulationhavebeenproposed,thedesignofthecorrespondingstimulationdevicelagsbehindthethe

5、oreticalresearch,andthecurrentdeviceisrelativelysimpleandcannotmeettheclinicalneeds.Therefore,thispaperdevelopedanewstimulationdevicefromtheperspectiveofdesigningflexibleadjustmentofstimulationparameters.Firstofall,inthestimulationsystemproposedinthispaper,theadjustabl

6、eparametersincludedthecurrentforminthecoil,thestimulationintensityandthestimulationcoil.Theoverallstructureofthesystemwasdescribedindetail.Basedonthetheoryofelectromagneticfield,therealizationofmonophasic,biphasicorburststimulatingcurrents,theadjustmentofstimulusintens

7、ityandthecontrolofcoilselectionwereallgiventhecorrespondingcircuitsimulationstoverifythefeasibilityofthescheme.Atthesametime,thecontrolofmulti-coilarrayalsogivesabriefdesign.Secondly,thedesignofthemagneticstimulationsystemwasrealizedbythehardwarecircuit,includingthepow

8、ersupplycircuit,thecontrolcircuit,theinvertercircuitandthecoilcontrolcircuit.Thespecificparametersofthecircuitwereall