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磁刺激线圈的设计与温升检测

作　者: 任征
导　师: 刘志朋
学　校: 北京协和医学院
专　业: 生物医学工程
关键词: 磁刺激 RCL电路 线圈设计 磁场分布 铂电阻 温度检测电路 温度变化
分类号: R318.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


磁刺激技术是一种无创、无痛地刺激人体中枢及周围神经组织的技术。在过去几十年的发展过程中,磁刺激已经广泛应用到临床和医学研究中,已经形成-个重要的研究领域。在磁刺激技术中,载流线圈是非常重要的部件,线圈的参数设计,以及由线圈决定的磁场空间分布以及工作中的温升问题都是在磁刺激中的关键技术。本文以磁刺激系统的线圈为主要研究对象,首先对磁刺激系统的RCL电路进行了仿真,对磁刺激仪的充放电波形进行了对比分析,得出了磁刺激RCL放电主电路工作在欠阻尼状态的结论；并且参考Magstim Rapid2线圈模型,详细介绍分析了磁刺激线圈的设计方法和实现步骤。根据应用目标,本文要求线圈放电波形的脉宽能达到200μs左右,通过仿真计算得出此条件下线圈的电感应在10μH左右,然后通过仿真结果确定线圈的其他参数。其次,本文分别建立了圆环线圈、八字圆环线圈、圆形蚊香线圈、八字形蚊香线圈的3D仿真模型,结合有限元方法和电磁场理论,利用有限元软件COMSOL仿真分析了在脉冲磁场作用下磁场的空间分布,并对不同线圈磁场分布的仿真结果进行分析及对比。此外,还对圆形线圈和八字形线圈的磁场空间分布进行了实验测量,并与仿真结果进行比较,结果表明了与仿真结果基本一致。最后,为了研究在刺激过程中线圈温度的变化趋势,实时测量线圈工作中的温度变化,研制了可以应用在一定频率和幅值范围的温度检测电路,并对线圈温度进行测量及标定。其中,采用铂电阻作为温度传感器,通过导热硅脂将铂电阻固定在圆形线圈表面,接入到温度检测电路中,通过高频磁刺激仪对线圈进行放电,测量磁刺激工作过程中线圈温度的变化情况。并对圆形线圈和八字形线圈的温度变化进行了比较。实验中以铂电阻作为温度传感器,把设计的测温电路应用在磁刺激仪线圈温度检测中,实现了刺激过程中探头温度的实时监测,为线圈冷却技术提供一定的参考。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章 绪论  8-13
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 磁刺激技术的历史与现状  9-11
    1.2.1 磁刺激的发展历程  9-10
    1.2.2 神经磁刺激的研究现状  10
    1.2.3 线圈结构  10-11
  1.3 研究意义  11-12
  1.4 研究内容  12-13
第二章 磁刺激基本原理  13-16
  2.1 磁刺激理论基础  13-14
  2.2 磁刺激数学物理基础  14-15
  2.3 脉冲磁场产生的原理  15
  2.4 小结  15-16
第三章 磁刺激仪线圈的设计与仿真  16-54
  3.1 磁刺激仪充放电波形分析  16-19
    3.1.1 磁刺激仪的构成及原理  16
    3.1.2 磁刺激仪RCL电路分析  16-19
  3.2 磁刺激仪线圈的设计  19-25
    3.2.1 导线的选取和截面积的确定  20-21
    3.2.2 8字形蚊香线圈参数的确定  21-25
  3.3 不同线圈的电磁场仿真方法论述  25-30
    3.3.1 有限元方法  25-26
    3.3.2 有限元方法求解原理  26-27
    3.3.3 有限元方法分析步骤  27-29
    3.3.4 有限元分析计算平台COMSOL  29-30
  3.4 不同形状线圈的磁场仿真分析  30-49
    3.4.1 圆环线圈的电磁场仿真  31-34
    3.4.2 圆形蚊香线圈的电磁场仿真  34-36
    3.4.3 八字圆环线圈的电磁场仿真  36-38
    3.4.4 八字蚊香线圈的电磁场仿真  38-40
    3.4.5 圆环线圈和圆形蚊香线圈仿真结果对比分析  40-43
    3.4.6 圆环线圈和八字圆环线圈仿真结果对比分析  43-46
    3.4.7 圆形蚊香线圈和八字蚊香线圈仿真结果对比分析  46-48
    3.4.8 八字圆环线圈和八字蚊香线圈仿真结果对比分析  48-49
  3.5 圆形线圈和八字形线圈的磁场测量实验验证  49-53
    3.5.1 圆形线圈的磁场测量  49-51
    3.5.2 八字线圈的磁场测量  51-53
  3.6 小结  53-54
第四章 高频磁刺激仪探头的温度检测实验  54-63
  4.1 高频磁刺激仪探头的温度检测实验目的  54
  4.2 实验设计与方法  54-57
    4.2.1 实验装置  54-55
    4.2.2 测量原理  55
    4.2.3 实验方法  55-57
  4.3 实验结果  57-62
    4.3.1 温度与电压之间的关系  57
    4.3.2 密闭环境中,相同频率,不同电压时的温度测量  57-58
    4.3.3 密闭环境中,相同电压,不同频率时的温度测量  58-59
    4.3.4 不同环境中,相同电压,不同频率时的温度测量  59-60
    4.3.5 八字线圈和圆形线圈在同种条件下的温度变化  60-62
  4.4 小结  62-63
第五章 总结与展望  63-65
  5.1 论文工作总结  63-64
  5.2 问题与展望  64-65
参考文献  65-71
发表文章  71
研究生期间参加科研项目  71-72
致谢  72

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中图分类: > 医药、卫生 > 基础医学 > 医用一般科学 > 生物医学工程 > 仪器、设备
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