用作神经刺激的激励线圈优化设计
2006-12-11 09:56:57
来源：《国际电子变压器》2006年12月刊
1引言
医疗实践已经证明，电刺激对多种疾病的治疗是有效的。电刺激治疗病痛的机理是利用电极反复地刺激疾病所在部位。采用这种治疗方法让医护人员感到不足的是电刺激治疗时，病者会感觉疼痛，并且不大方便。为此，研究了对人身无侵害的磁刺激治疗法来治疗多种疾病。连续地进行磁刺激（CMS）可以得到与电刺激等效的结果，而且，磁刺激治疗仪是一种病人无痛感且对人体无侵害的治疗设备。常规的连续磁刺激治疗仪是由电磁线圈和激励该线圈的振荡器组成的；在大多数医院中使用2kW的交流电源。磁刺激治疗疾病是通过将连续的脉冲电压加到磁刺激线圈系统中实施的。这就是由随着时间变化的磁场在人体组织中感应的涡流刺激体内某些神经根部位的病灶。
以前，用作磁刺激的常用治疗设备只用一个线圈，如图1所示。这种结构的缺点是存在着磁通泄漏较严重的情况，致使刺激器发生的磁力线不能充分地利用来穿透到细胞组织中去，从而影响了治疗效果。为此，在本文中，我们提出了一种在主线圈上附加两个子线圈的结构装置，以便得到刺激所要求的磁力线分布，图2出示了这种结构的示意图。这里所推荐的设备使用限定的电源，即2kW交流功率在指定的范围内进行集中刺激。
设计这种结构形式的线圈装置时，采用了基于A-φ方法与三维（3D）有限元法（FEM）相结合的遗传算法（GA）。同时，为了计算每个线圈的电流，使用了最优化方法列出电路方程；另外，在这些最优化设计中，还综合使用了以下几种方法：最优化方法（GA），电路方程式，电磁方程式（FEM）。
最后，设计师估算了子线圈的优化位置以及主线圈和子线圈两者的优化电流。实践证明，优化的线圈结构用于神经刺激治疗可以得到更有效疗效。这是因为与常规的单线圈结构形式比较，主子线圈配置设备的磁力线可以穿透到更深层的细胞组织中。
2系统设计简述
采用建立在A-φ方法上的三维（3D）有限元分析，计算刺激线圈装置的电磁场是使用Galerkin方法：
(1)
(2)
式中，N是波节分量的标量形式函数。
子线圈和主线圈中的电流i由下列RLC电路方程式计算：
(3)
式中，——角频率，——时间常数，Vc——充电电容器电压，即：
(4)
式中，ω0为自然角频率，V是根据充电电容器电压来控制的电源电压，V0是充电电容器的初始电压值。
有关最优化设计的方法，我们是采用遗传算法（GA）。遗传算法是基于“代”(generations)的概念，这是一种概率进化的有效寻优法。它们是由链结构的三个基本运算器组成：复制、交叉和变异。这些分别代表不同设计参数的链结构被称为“染色体”(chromosomes)。工程师们使用与电路方程相结合的三维有限元分析方法计算目标函数值即涡流的分布。用遗传算法估算出每一个链结构的合理值，并由上述的运算器从前一“代”中产生出新的一“代”。这种存在于“链”中的结果更能适应环境，即面向未来的改进目标函数。
3试验模型说明
前面提到，以前使用的常规刺激神经系统的装置是由一个高压发生器部件，一个脉冲变压器部件和一个控制及操作部件组成的。其中，高压发生器部件主要由一个升压变压器、一个大的充电电容器、几只可控硅和二极管组成。连续磁刺激（CMS）线圈与高压发生器部件进行激励。用作磁刺激的常规电路是由刺激线圈电感器L、电容器C、内阻R、一只可控硅和一只二极管组成的LCR放电电路。其工作原理是当贮存于电容器中的电荷放电时，由线圈电感L引起随时间变化的磁场。常规刺激神经的装置是由一个线圈和一个电容器组成的，如图3(a)所示。由于这种结构的磁刺激装置产生漏磁通而损失了能量，故该装置就不能将足够的磁力线穿透到患有病痛部位的深层细胞中。
本文讨论的是，工程师们把常规装置中的一个线圈分成了一个主线圈和两个子线圈的三个线圈组成的新型刺激神经装置。所研究的线圈装置的一个主线圈和两个子线圈是并行联接的，如图3(b)所示。多个线圈组合可以增强磁通。三个线圈中的主线圈呈履带型，子线圈为正方形的。为了尽可能地缩短线圈表面和刺激部位两者间的距离，工程师们采用了如图2所示的马鞍型线圈。
在以电刺激治疗的设备中，脉冲宽度T设定为1ms。在刺激神经的生理试验时，磁刺激波的脉冲宽度通常设定为200μs~1ms。为此，在所提出的新装置中，脉冲宽度T设定为720μs。因此，设备中的电感值L和电容值C可确定为如下值：Lmax=15.3μH，Cmax=750μF，Lsub（子线圈电感值）=1.14μH。同时，在公式(3)、(4)中，表示子线圈电容的Csub值通过设计计算得出。磁脉冲刺激的周期设定为100ms。假使人体的传导率为0.71s/m，则将与在0.9%的Nacl中的传导率相同。
4优化设计与试验结果
所设计的磁刺激神线装置的工作过程分为二步，一是对线圈上的电容器充电，二是由电容器放电产生磁通。在数字式仪器中，每个子线圈的位置是可移动的（示于图5），故每个电路的放电电容器的Csbu和每个线圈的电流是可变的。
经设计工程师的估算，作用到病灶上的涡流密度的最大值即目标函数值，就是借助于和限制电源即2kW交流功率的电路方程相结合的有限元分析计算值。
在遗传规则系统研究中，初期供研究的人数是30名，复制运算采用旋转轮法（roulette wheel）和厄里特法（elite），交叉运算是采用单点交叉规则。变异事件的概率设置为0.05。判定其解的收敛性是基于人们的健康状况即目标函数值得出的，如图6所示，其研究工作是在第62代结束的。在这个便函子中，离散性数据示于表1。
优化设计的结果示于图7和表2。沿着平行于a-b线的涡流分布见图8所示。
利用新设计的装置，在相同电压发生器即2kW交流功率的状态下，目标部位的涡流密度的最大值从32.54μA/mm2增加到43.47μA/mm2，两者比较增加了30%，可见其效率有很大提高。
5结论
已设计的由一个主线圈和两个子线圈组成的磁脉冲刺激神经系统的线圈装置，较传统的单个线圈装置的效率有了明显提高，能够获得更大的涡流密度，穿透更深层的细胞组织。设计新装置时采用了优化法、电磁方法和电路方程等理论与技术，有效地设计了上述线圈组合新结构。
参考文献（略）
医疗实践已经证明，电刺激对多种疾病的治疗是有效的。电刺激治疗病痛的机理是利用电极反复地刺激疾病所在部位。采用这种治疗方法让医护人员感到不足的是电刺激治疗时，病者会感觉疼痛，并且不大方便。为此，研究了对人身无侵害的磁刺激治疗法来治疗多种疾病。连续地进行磁刺激（CMS）可以得到与电刺激等效的结果，而且，磁刺激治疗仪是一种病人无痛感且对人体无侵害的治疗设备。常规的连续磁刺激治疗仪是由电磁线圈和激励该线圈的振荡器组成的；在大多数医院中使用2kW的交流电源。磁刺激治疗疾病是通过将连续的脉冲电压加到磁刺激线圈系统中实施的。这就是由随着时间变化的磁场在人体组织中感应的涡流刺激体内某些神经根部位的病灶。
以前，用作磁刺激的常用治疗设备只用一个线圈，如图1所示。这种结构的缺点是存在着磁通泄漏较严重的情况，致使刺激器发生的磁力线不能充分地利用来穿透到细胞组织中去，从而影响了治疗效果。为此，在本文中，我们提出了一种在主线圈上附加两个子线圈的结构装置，以便得到刺激所要求的磁力线分布，图2出示了这种结构的示意图。这里所推荐的设备使用限定的电源，即2kW交流功率在指定的范围内进行集中刺激。
设计这种结构形式的线圈装置时，采用了基于A-φ方法与三维（3D）有限元法（FEM）相结合的遗传算法（GA）。同时，为了计算每个线圈的电流，使用了最优化方法列出电路方程；另外，在这些最优化设计中，还综合使用了以下几种方法：最优化方法（GA），电路方程式，电磁方程式（FEM）。
最后，设计师估算了子线圈的优化位置以及主线圈和子线圈两者的优化电流。实践证明，优化的线圈结构用于神经刺激治疗可以得到更有效疗效。这是因为与常规的单线圈结构形式比较，主子线圈配置设备的磁力线可以穿透到更深层的细胞组织中。
2系统设计简述
采用建立在A-φ方法上的三维（3D）有限元分析，计算刺激线圈装置的电磁场是使用Galerkin方法：
(1)
(2)
式中，N是波节分量的标量形式函数。
子线圈和主线圈中的电流i由下列RLC电路方程式计算：
(3)
式中，——角频率，——时间常数，Vc——充电电容器电压，即：
(4)
式中，ω0为自然角频率，V是根据充电电容器电压来控制的电源电压，V0是充电电容器的初始电压值。
有关最优化设计的方法，我们是采用遗传算法（GA）。遗传算法是基于“代”(generations)的概念，这是一种概率进化的有效寻优法。它们是由链结构的三个基本运算器组成：复制、交叉和变异。这些分别代表不同设计参数的链结构被称为“染色体”(chromosomes)。工程师们使用与电路方程相结合的三维有限元分析方法计算目标函数值即涡流的分布。用遗传算法估算出每一个链结构的合理值，并由上述的运算器从前一“代”中产生出新的一“代”。这种存在于“链”中的结果更能适应环境，即面向未来的改进目标函数。
3试验模型说明
前面提到，以前使用的常规刺激神经系统的装置是由一个高压发生器部件，一个脉冲变压器部件和一个控制及操作部件组成的。其中，高压发生器部件主要由一个升压变压器、一个大的充电电容器、几只可控硅和二极管组成。连续磁刺激（CMS）线圈与高压发生器部件进行激励。用作磁刺激的常规电路是由刺激线圈电感器L、电容器C、内阻R、一只可控硅和一只二极管组成的LCR放电电路。其工作原理是当贮存于电容器中的电荷放电时，由线圈电感L引起随时间变化的磁场。常规刺激神经的装置是由一个线圈和一个电容器组成的，如图3(a)所示。由于这种结构的磁刺激装置产生漏磁通而损失了能量，故该装置就不能将足够的磁力线穿透到患有病痛部位的深层细胞中。
本文讨论的是，工程师们把常规装置中的一个线圈分成了一个主线圈和两个子线圈的三个线圈组成的新型刺激神经装置。所研究的线圈装置的一个主线圈和两个子线圈是并行联接的，如图3(b)所示。多个线圈组合可以增强磁通。三个线圈中的主线圈呈履带型，子线圈为正方形的。为了尽可能地缩短线圈表面和刺激部位两者间的距离，工程师们采用了如图2所示的马鞍型线圈。
在以电刺激治疗的设备中，脉冲宽度T设定为1ms。在刺激神经的生理试验时，磁刺激波的脉冲宽度通常设定为200μs~1ms。为此，在所提出的新装置中，脉冲宽度T设定为720μs。因此，设备中的电感值L和电容值C可确定为如下值：Lmax=15.3μH，Cmax=750μF，Lsub（子线圈电感值）=1.14μH。同时，在公式(3)、(4)中，表示子线圈电容的Csub值通过设计计算得出。磁脉冲刺激的周期设定为100ms。假使人体的传导率为0.71s/m，则将与在0.9%的Nacl中的传导率相同。
4优化设计与试验结果
所设计的磁刺激神线装置的工作过程分为二步，一是对线圈上的电容器充电，二是由电容器放电产生磁通。在数字式仪器中，每个子线圈的位置是可移动的（示于图5），故每个电路的放电电容器的Csbu和每个线圈的电流是可变的。
经设计工程师的估算，作用到病灶上的涡流密度的最大值即目标函数值，就是借助于和限制电源即2kW交流功率的电路方程相结合的有限元分析计算值。
在遗传规则系统研究中，初期供研究的人数是30名，复制运算采用旋转轮法（roulette wheel）和厄里特法（elite），交叉运算是采用单点交叉规则。变异事件的概率设置为0.05。判定其解的收敛性是基于人们的健康状况即目标函数值得出的，如图6所示，其研究工作是在第62代结束的。在这个便函子中，离散性数据示于表1。
优化设计的结果示于图7和表2。沿着平行于a-b线的涡流分布见图8所示。
利用新设计的装置，在相同电压发生器即2kW交流功率的状态下，目标部位的涡流密度的最大值从32.54μA/mm2增加到43.47μA/mm2，两者比较增加了30%，可见其效率有很大提高。
5结论
已设计的由一个主线圈和两个子线圈组成的磁脉冲刺激神经系统的线圈装置，较传统的单个线圈装置的效率有了明显提高，能够获得更大的涡流密度，穿透更深层的细胞组织。设计新装置时采用了优化法、电磁方法和电路方程等理论与技术，有效地设计了上述线圈组合新结构。
参考文献（略）
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