【摘 要】
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经颅磁刺激（Transcranial magnetic stimulation,TMS）能够利用脉冲磁场对神经元进行刺激,实现无创且非侵入式的神经调节,在精神类疾病治疗和脑科学研究等领域展现了巨大的作用。TMS电源系统为线圈提供放电所需的能量,是TMS设备的基础,对TMS的性能起着决定性的作用。TMS电源系统由充电系统和放电回路组成。针对临床和科研对TMS的需求,完成了TMS充电系统和放电回路的参
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经颅磁刺激（Transcranial magnetic stimulation,TMS）能够利用脉冲磁场对神经元进行刺激,实现无创且非侵入式的神经调节,在精神类疾病治疗和脑科学研究等领域展现了巨大的作用。TMS电源系统为线圈提供放电所需的能量,是TMS设备的基础,对TMS的性能起着决定性的作用。TMS电源系统由充电系统和放电回路组成。针对临床和科研对TMS的需求,完成了TMS充电系统和放电回路的参数设计,并对充电系统的控制策略进行了优化。主要工作内容归纳如下:将双脉冲放电电路与神经元的电路模型结合,通过电磁分析与计算,阐明了磁刺激从产生到作用于人体的过程,推导了刺激作用下膜电位计算式;根据TMS重复充放电的始末状态的不同,对重复充电过程中的充电方式进行了分析。在此基础上,以实现有效刺激、减少能量损耗为目标进行了放电回路的参数设计。针对放电需求,完成了充电系统的方案和参数设计。对充电系统中LCC谐振电路进行模态分析与计算,揭示了充电过程中可能进入硬开关和平均充电电流下降的原因。针对上述问题,提出了一种应用于断续模式下LCC谐振变换器的混合控制策略,即:在恒流充电阶段,通过采集的输出电压预测临界断续频率,并通过变频控制使开关频率跟随临界断续频率以实现最大电流充电;在恒功率充电阶段,在通过闭环控制维持恒功率的同时使用临界断续频率限制开关频率。通过理论计算与仿真证明了所提控制策略可以在同样的额定功率下提高充电速度,并保证软开关运行,满足了TMS对充电速度和功率密度的需求。根据所设计参数指标完成了输入侧整流模块、LCC谐振变换器模块、二次侧整流模块与放电电路的器件选型。以STM32为核心,完成了控制系统的软硬件设计。为了验证所设计参数的可行性与控制策略的效果,搭建了TMS样机进行实验,该样机可以实现幅值1200V的充电电压,幅值2502.5 A、重复频率37.25 Hz的放电电流。且使用优化控制策略可在同样的拓扑和开关管容量下将充电速度提高17.55%。通过仿真和实验结果分析,验证了理论分析的正确性和所提控制策略的优化效果。
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