重复经颅磁刺激电容充电技术研究

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经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)技术是一种非侵入式、无创无痛的神经检测和治疗技术。其中,重复经颅磁刺激(repetitive TMS,rTMS)具有调节病变区皮质兴奋性等作用,在神经性疾病诊断治疗研究方面具有巨大潜在价值,已经成为当今的研究热点。随着rTMS应用研究的不断深入,人们对于rTMS的刺激电压精度和刺激频率要求越来越高。电容充电技术是其核心技术,直接影响刺激电压精度和刺激频率,研制高效可靠的电容充电电源具有重要的实用价值。  本文研制的重复经颅磁刺激器的充电电源采用高频串联谐振技术,具有充电电流恒定、充电精度高、抗短路能力强和可靠性高等优点。通过比较串联谐振电源的三种工作模式,选择工作在电流不连续工作模式,零电流开通和关断,实现了软开关,具有开关损耗小和电磁干扰小的优点。通过对工作在DCM模式下的串联谐振电源稳态工作过程进行数学分析,揭示了线性充电和脉动恒流充电的原理。通过对高频变压器的分布参数模型的分析,讨论了变压器漏感和分布电容对谐振过程的影响。利用PSIM软件搭建仿真电路,进一步证明了理论分析的正确性,同时仿真分析了当特征阻抗一定时改变谐振频率的变化规律和当谐振频率一定时改变开关频率的变化规律,为实际电路谐振频率和开关频率选择提供了有效指导。考虑到传统的模拟控制方式不能编程、可控性差的不足,本文设计了以STM32芯片为核心的数字控制系统,提高了系统的可控性,实时地采样充电电流和充电电压,实现了过流保护和满充反馈信号的快速响应。  将搭建的实验样机与重复经颅磁刺激器连接测试,工作在500V时,刺激频率最高可以达到31Hz;工作在1000V时,刺激频率最高可以达到20Hz,验证了串联谐振恒流充电技术用于rTMS供电系统和数字控制方式的可行性。借助于串联谐振恒流充电技术开关损耗小、抗短路能力强以及恒流源的特性,将提高rTMS供电系统的效率和可靠性,促进磁刺激技术的进一步发展。
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