降低功耗的磁刺激仪及其控制方法

—— CN200910068408.1

摘要

一种降低功耗的磁刺激仪及其控制方法,磁刺激仪有向电容组充电的正反向充电开关组;通过正反向放电开关组接收电容组的放电电流的放电线圈,放电线圈还将电能量通过正反向放电开关组传送给电容组;与预置充电电压进行比较的正反向电压比较电路;并根据比较结果通过开关驱动电路分别控制正反向充电开关组和正反向放电开关组的控制电路。方法:初始化设置;进行正向充电;充电达到预置值,进行正向放电;达到放电时间进行反向充电;充电达到预置值进行反向放电开关;达到放电时间,返回第2步骤。本发明可以实现对无极性电容的双向充放电,每次放电后的剩余能量可以有效利用,提高了能量利用率,降低电源的功率消耗,从而在一定功率消耗下提高磁刺激频率。

权利要求书

1.一种降低功耗的磁刺激仪,包括有直流电源(8),其特征在于,还包括有:接收直流电源(8)的电流并向电容组(6)充电的正反向充电开关组(2);通过正反向放电开关组(3)接收电容组(6)的放电电流的放电线圈(7),所述的放电线圈(7)还将电能量通过正反向放电开关组(3)传送给电容组(6);接收电容组(6)的电压信号并与预置充电电压进行比较的正反向电压比较电路(4);接收正反向电压比较电路(4)的比较信号,并根据比较结果通过开关驱动电路(5)分别控制正反向充电开关组(2)和正反向放电开关组(3)的控制电路(1)。 2.根据权利要求1所述的降低功耗的磁刺激仪,其特征在于,所述的正反向充电开关组(2)、正反向放电开关组(3)包括多个大功率高速开关IGBT或可控硅,其中,第一大功率高速开关(A)和第二大功率高速开关(B)构成电容组(6)的正向充电开关;第三大功率高速开关(C)和第四大功率高速开关(D)构成电容组(6)的反向充电开关;第五大功率高速开关(A1)和第六大功率高速开关(D1)构成电容组(6)的正向放电开关;第七大功率高速开关(B1)和第八大功率高速开关(C1)构成电容组(6)的反向放电开关;所述的第一至第八大功率高速开关(A、B、C、D、A1、D1、B1、C1)的输入、输出端以及触发端分别连接开关驱动电路(5)的信号输出端;电容组(6)的第一采样电容电压(V)和第二采样电容电压(V)均连接至正反向电压比较电路(4)。 3.根据权利要求1所述的降低功耗的磁刺激仪,其特征在于,所述的正反向电压比较电路(4)包括有稳压块(S2)和与稳压块(S2)相连的比较器(S4),所述的比较器(S4)的输入端脚5接收电容组(6)的第一采样电容电压(V)和第二采样电容电压(V),比较器(S4)的输出端脚2输出电压(V)至控制电路(1)的输入端;通过调节连接在稳压模块LM317上的数字可变电阻R更改参考电平,从而预置不同电容充电电压。 4.根据权利要求2或3所述的降低功耗的磁刺激仪,其特征在于,所述的正反向电压比较电路(4)的参考地通过开关与直流电源的参考地相连。 5.根据权利要求1所述的降低功耗的磁刺激仪,其特征在于,所述的开关驱动电路(5)包括EXB841驱动芯片(S1),所述的EXB841驱动芯片(S1)的信号输入端(V)接收控制电路(1)输出的开关动作信号,EXB841驱动芯片(S1)的三个信号输出端(C、E、G)分别连接正反向充电开关组(2)和正反向放电开关组(3)中的各大功率高速开关的C极、E极以及G极。 6.一种用于降低功耗的磁刺激仪的控制方法,其特征在于,包括如下步骤:1)初始化设置;2)导通正向充电开关,进行正向充电,判断充电电压是否达到预置值,是进入下一步,否则继续进行正向充电;3)关断正向充电开关,导通正向放电开关,进行正向放电,判断是否达到设定的放电时间,是进入下一步,否则继续进行正向放电;4)关断正向放电开关,导通反向充电开关,进行反向充电,判断充电电压是否达到预置值,是进入下一步,否则继续进行反向充电;5)关断反向充电开关,导通反向放电开关,进行反向放电,判断是否达到设定的放电时间,是进入下一步,否则继续进行反向放电;6)关断反向放电开关,返回第2步骤。 7.根据权利要求6所述的用于降低功耗的磁刺激仪的控制方法,其特征在于,所述的初始化设置包括预置充电参考电压、预置正反向放电定时器的初值,指定单片机的四个端口分别负责控制正向充电开关、反向充电开关、正向放电开关、反向放电开关的控制输出信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种医用磁刺激仪器。特别是涉及一种降低了电源功率消耗,可实现重复性磁刺激的降低功耗的磁刺激仪及其控制方法。

背景技术

磁刺激(TMS)是1985年由Barker等首先提出的一种磁刺激技术,是一种在体外施加脉冲磁场刺激体内特定部位的技术。由于磁刺激具有无创性;不向体内注入电荷克服了电刺激引起的皮肤痛感;尤其是由于人体不同组织之间的磁导率差比电导率差小得多从而磁刺激与电刺激相比更容易穿透电导率较小的如骨组织进入体内。因此近年来,在神经学和神经电生理学领域中,脉冲磁场对体内神经刺激的机制研究和临床应用越来越受到人们的关注。

磁刺激工作原理是,在体外特定部位放置一绝缘线圈,在线圈中瞬间通过强电流,根据法拉第电磁感应定理: ▿ × E = ∂ B / ∂ t , ]]>线圈周围空间会产生电磁场,磁场穿透组织在相应的位置产生感生电流,当感生电流超过神经组织的兴奋阈值时,使局部轴突发生去极化而使神经组织兴奋。

现有的磁刺激仪电路是通过对电容充电和经电感放电的电磁能量转换过程实现磁刺激。电路一般由储能电容(电源)、固态开关和线圈组成,使用极性电容进行充电,对线圈放电后剩余电能通过泄放电路放掉,再进行下一次的充放电过程。以常用的经颅脑神经磁刺激为例,单次有效磁刺激所需能量超过500J,如果需要30Hz的磁刺激,电源功率消耗将达到15KW,磁刺激的能量消耗限制了磁刺激的高频应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是,提供一种具有由微处理器控制的可实现对电容的双向充放电的磁刺激电路的降低功耗的磁刺激仪及其控制方法。

本发明所采用的技术方案是:一种降低功耗的磁刺激仪及其控制方法,其中,降低功耗的磁刺激仪,包括有直流电源;接收直流电源的电流并向电容组充电的正反向充电开关组;通过正反向放电开关组接收电容组的放电电流的放电线圈,所述的放电线圈还将电能量通过正反向放电开关组传送给电容组;接收电容组的电压信号并与预置充电电压进行比较的正反向电压比较电路;接收正反向电压比较电路的比较信号,并根据比较结果通过开关驱动电路分别控制正反向充电开关组和正反向放电开关组的控制电路。

所述的正反向充电开关组、正反向放电开关组包括多个大功率高速开关如IGBT或可控硅,其中,第一大功率高速开关和第二大功率高速开关构成电容组的正向充电开关;第三大功率高速开关和第四大功率高速开关构成电容组的反向充电开关;第五大功率高速开关和第六大功率高速开关构成电容组的正向放电开关;第七大功率高速开关和第八大功率高速开关构成电容组的反向放电开关;所述的第一至第八大功率高速开关的输入、输出端以及触发端分别连接开关驱动电路的信号输出端;电容组的第一采样电容电压和第二采样电容电压均连接至正反向电压比较电路。

所述的正反向电压比较电路包括有稳压块和与稳压块相连的比较器,所述的比较器的输入端脚5接收电容组的第一采样电容电压和第二采样电容电压,比较器的输出端脚2输出电压至控制电路的输入端;通过调节连接在稳压模块LM317上的数字可变电阻,更改参考电平,从而预置不同电容充电电压。

所述的正反向电压比较电路的参考地通过开关与直流电源的参考地相连。

所述的开关驱动电路包括EXB841驱动芯片,所述的EXB841驱动芯片的信号输入端接收控制电路输出的开关动作信号,EXB841驱动芯片的三个信号输出端分别连接正反向充电开关组和正反向放电开关组中的各大功率高速开关的C极、E极以及G极。

本发明的一种用于降低功耗的磁刺激仪的控制方法,包括如下步骤:

1)初始化设置;

2)导通正向充电开关,进行正向充电,判断充电电压是否达到预置值,是进入下一步,否则继续进行正向充电;

3)关断正向充电开关,导通正向放电开关,进行正向放电,判断是否达到设定的放电时间,是进入下一步,否则继续进行正向放电;

4)关断正向放电开关,导通反向充电开关,进行反向充电,判断充电电压是否达到预置值,是进入下一步,否则继续进行反向充电;

5)关断反向充电开关,导通反向放电开关,进行反向放电,判断是否达到设定的放电时间,是进入下一步,否则继续进行反向放电;

6)关断反向放电开关,返回第2步骤。

所述的初始化设置包括预置充电参考电压、预置正反向放电定时器的初值,指定单片机的四个端口分别负责控制正向充电开关、反向充电开关、正向放电开关、反向放电开关的控制输出信号。

本发明的降低功耗的磁刺激仪及其控制方法,采用可正反向充电的无极性电容,实现对电容的双向充放电,每次放电后剩余电能得到利用。本发明中,RCL电路工作在欠阻尼状态,电容对电感放电后,电容内累计了一定的结余能量,这部分结余能量可在下次刺激时使用。

通过微处理器控制调节四路开关组,可以实现对无极性电容的双向充放电,每次放电后的剩余能量可以有效利用,提高了能量利用率,降低电源的功率消耗,从而在一定功率消耗下提高磁刺激频率。

附图说明

图1是本发明降低功耗的磁刺激仪构成的结构框图;

图2是正反向充放电电路原理图;

图3是控制时序图;

图4是正反向充电电压比较电路原理图;

图5是开关驱动电路原理图;

图6是本发明控制方法的流程图。

其中:

1:控制电路            2:正反向充电开关组

3:正反向放电开关组    4:正反向电压比较电路

5:开关驱动电路        6:电容组

7:放电线圈            8:直流电源

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的降低功耗的磁刺激仪及其控制方法做出详细说明。

通常,感应线圈的形状、线圈相对刺激部位的位置和方向、以及组织电导率等共同决定线圈产生的感应电场,对于确定了线圈形状的放电电路,磁刺激磁场产生的感生电流正比于放电电流对时间的微分,为获得高的感生电流应尽量提高电流变化率。只有当感生电流超过神经动作电位的阈值(包括时间阈值和幅度阈值)时,才能达到刺激神经的生理效果。根据RCL经典电路的分析,二阶电路工作在欠阻尼状态能够得到脉宽和幅值满足要求的感应电流脉冲,欠阻尼条件下衰减震荡角频率为: ω d = 1 LC - ( R 2 L ) 2 , ]]>ωd越大,振荡频率越快,显示电磁能量在电容与电感间传递的速率;衰减系数为 α = R 2 L , ]]>α越大,电容上电压衰减越快,表明电容上能量消耗在串联电路上的电阻上,最终趋于零的速率。

本发明的降低功耗的磁刺激仪及其控制方法,为获得合适的电流变化率脉宽和幅值,采用欠阻尼工作状态,当电感放电波形到达半周期时,电容放电波形仅为1/4周期,即电压为反向最大值。其原理为:电容通过电感放电,当电容电压接近于“零”的时候,由于流经电感中的电流达到最大值并开始减少,在电感中会产生相应的感应电流,其电流方向与电容放电方向相同。在此时电容里储存了一定的反向电压能量。

如图1所示,本发明的降低功耗的磁刺激仪,包括有直流电源8;接收直流电源8的电流并向电容组6充电的正反向充电开关组2;通过正反向放电开关组3接收电容组6的放电电流的放电线圈7,所述的放电线圈7还将放电信号通过正反向放电开关组3传送给电容组6;接收电容组6的电压信号并与预置充电电压进行比较的正反向电压比较电路4;接收正反向电压比较电路4的比较信号,并根据比较结果通过开关驱动电路5分别控制正反向充电开关组2和正反向放电开关组3的控制电路1。

本发明的控制单元1采用主芯片89C52及外围电路实现,控制单元1输出的开关动作信号连接至开关驱动电路5中的V2。

如图2所示,所述的正反向充电开关组2、正反向放电开关组3包括多个大功率高速开关,其中,第一大功率高速开关A和第二大功率高速开关B构成电容组6的正向充电开关;第三大功率高速开关C和第四大功率高速开关D构成电容组6的反向充电开关;第五大功率高速开关A1和第六大功率高速开关D1构成电容组6的正向放电开关;第七大功率高速开关B1和第八大功率高速开关C1构成电容组6的反向放电开关;所述的第一至第八大功率高速开关A、B、C、D、A1、D1、B1、C1的集电极C、射极E以及珊极G分别连接开关驱动电路5的信号输出端;电容组6的第一采样电容电压V01和第二采样电容电压V02均连接至正反向电压比较电路4。所述的大功率高速开关可以采用IGBT或可控硅,本实施例采用的是IGBT。

如图4所示,所述的正反向电压比较电路4包括有稳压块S2和与稳压块S2相连的比较器S4,所述的比较器S4的输入端脚5接收电容组6的第一采样电容电压V01和第二采样电容电压V02,比较器S4的输出端脚2输出电压V0至控制电路1的输入端,即主芯片80C52的INT1脚;通过与调节稳压模块LM317相连的数字可变电阻RS1,更改参考电平,从而预置不同电容充电电压。比较器S4的型号为LM339。

所述的正反向电压比较电路4的参考地通过开关与直流电源的参考地相连。

如图5所示,本发明中的开关驱动电路5包括EXB841驱动芯片S1,所述的EXB841驱动芯片S1的信号输入端V2接收控制电路1输出的开关动作信号,EXB841驱动芯片S1的三个信号输出端C、E、G分别连接正反向充电开关组2和正反向放电开关组3中的各IGBT的三端C、E、G。图5中的S3为反相器。

本发明的降低功耗的磁刺激仪,直流电源连接至正反向充电开关组2中的正向充电开关第一IGBT和第二IGBT、反向充电开关第三IGBT和第四IGBT。充电开始时,正向充电开关第一IGBT和第二IGBT导通,采样电容电压Vo1连接至正反向电压比较电路4中的V1,与预置充电电压进行比较,当电容上电压超过预置电压时,比较电路4输出信号Vo至控制单元1。当电容反向充电时,反向充电开关C、D导通,采样电容电压Vo2连接至电压比较电路4中的V1,当电容上电压超过预置电压时,比较电路4输出信号Vo至控制单元1。通过调节稳压模块LM317上的数字可变电阻RS1,可以更改参考电平,从而预置不同电容充电电压。

本发明的降低功耗的磁刺激仪的工作过程是:①导通正向充电开关,电源通过限流电阻向电容正向充电;②断开正向充电开关,导通正向放电开关,电容向电感正向放电;将放电过程的第一个周期分成两部分,前半个周期中电容向电感放电,电容电压降低,电感电流增大,当电容电压为零时,电感电流为最大值;根据电感特性,电感开始向电容反向充电,电容电压反向增大;③当电感电流为零时,电容内电压为反向最大值,此时,断开正向放电开关,导通反向充电开关,电源通过限流电阻向电容反向充电;④断开反向充电开关,导通反向放电开关,电容向电感反向放电。

如图6所示,本发明的用于降低功耗的磁刺激仪的控制方法,包括如下步骤:

1)初始化设置;所述的初始化设置包括预置充电参考电压、预置正反向放电定时器的初值,指定单片机的四个端口分别负责控制正向充电开关、反向充电开关、正向放电开关、反向放电开关的控制输出信号等。其次,设定四个中断,包括两个外部中断和正反向两个定时器中断。外部中断接收电压比较电路的输出信号,内部中断则负责对放电时间进行计数,以触发下一次充电过程。

2)导通正向充电开关,进行正向充电,判断充电电压是否达到预置值,是进入下一步,否则继续进行正向充电;

3)关断正向充电开关,导通正向放电开关,进行正向放电,判断是否达到设定的放电时间,是进入下一步,否则继续进行正向放电;

4)关断正向放电开关,导通反向充电开关,进行反向充电,判断充电电压是否达到预置值,是进入下一步,否则继续进行反向充电;

5)关断反向充电开关,导通反向放电开关,进行反向放电,判断是否达到设定的放电时间,是进入下一步,否则继续进行反向放电;

6)关断反向放电开关,返回第2步骤。

本发明的降低功耗的磁刺激仪及其控制方法,控制电路通过其对正反向充电开关组2和正反向放电开关组3的控制,实现了如图3所示的控制时序,从而实现电容的正反双向充放电。

以充电电压1500V,电容100μF,线圈电感为18μH,电阻0.15Ω这组参数为例,采用本发明的降低功耗的磁刺激仪及其控制方法,可以使直流电源功耗降低30%左右,从而在单次刺激能量相同情况下可以使刺激频率提高40%。

  • 标题:降低功耗的磁刺激仪及其控制方法
  • 申请人:中国医学科学院生物医学工程研究所
  • 发明人:刘志朋,殷涛,安好,李松
  • 申请号:CN200910068408.1
  • 申请日:20090409
  • 公开号:CN101530650B
  • 公开日:20120704
  • 优先权号:CN200910068408A
  • 代理人:江镇华
  • 代理机构:天津市北洋有限责任专利代理事务所
  • 申请人地址:300192 天津市南开区白堤路236号
  • 是否有效:有效
  • 标签:功耗,及其,控制,方法