磁芯和磁罐

　　由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率很大，所以鐵芯具有使磁場(chǎng)集中到其內(nèi)部的作用。為了使信號(hào)的傳輸效率最大，可以在線圈周圍加上磁罐或內(nèi)部放置磁芯，以增加初次級(jí)線圈之間的互感，提高耦合效率。如果使兩個(gè)線圈同時(shí)經(jīng)過(guò)一根鐵芯，可以使次級(jí)線圈得到信號(hào)的幅度為最大，但由于兩個(gè)線圈分別位于頭顱兩側(cè)，因此需分別使用一對(duì)彼此分離的鐵磁材料互相配合來(lái)增加互感。

　　信號(hào)耦合

　　本文中所討論的平面圓盤形線圈耦合技術(shù)，是首次將線圈能夠耦合交流信號(hào)這一特點(diǎn)用在腦深度電刺激之中，耦合到的信號(hào)否能滿足治療帕金森病的刺激強(qiáng)度是研究的關(guān)鍵。在腦深度電刺激的治療中，刺激的強(qiáng)度和頻率依刺激的部位不同而不同[9]，但大致的范圍如下。

　　刺激頻率：100～250Hz

　　脈沖寬度：60～210μs(平均脈寬為150μs)

　　電壓幅值：1~3.75V(平均2.025V，最高可達(dá)10.5V)

　　主要刺激部位：雙側(cè)丘腦底核(STN),其他部位還包括內(nèi)側(cè)蒼白球腹后部(Gpi)和丘腦腹外側(cè)核的腹中間核(Vim)[10]

　　因此只要次級(jí)線圈接收到的信號(hào)在額定的負(fù)荷下達(dá)到上述強(qiáng)度，即可滿足要求。

　　電路設(shè)計(jì)

　　電路設(shè)計(jì)要考慮到刺激系統(tǒng)的魯棒性，即兩級(jí)線圈在一定范圍內(nèi)發(fā)生相對(duì)位置變化時(shí)仍能保證輸出刺激參數(shù)有效的特性。因此，在本電路中選擇各參數(shù)如下：初級(jí)線圈為800匝，信號(hào)產(chǎn)生電路為一三極管開(kāi)關(guān)電路，使初級(jí)線圈產(chǎn)生一個(gè)頻率為130.7Hz、幅度為5V脈沖信號(hào)，脈沖寬度需根據(jù)次級(jí)線圈的脈沖寬度調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)選定在1.65ms。次級(jí)線圈為1000匝，負(fù)載為丘腦底核(STN)的平均阻抗1kΩ，次級(jí)線圈接收到的信號(hào)頻率為130.9Hz，脈沖寬度120ms，峰峰值根據(jù)有無(wú)鐵芯、線圈之間距離以及偏心距的不同而不同。

　　鐵芯的影響

　　可以肯定，鐵芯可以減少線圈之間的漏感，使次級(jí)線圈信號(hào)的峰峰值更大，這一點(diǎn)也可以從實(shí)驗(yàn)中看出。保持初級(jí)線圈產(chǎn)生的信號(hào)不變，并且使兩線圈圓心對(duì)準(zhǔn)，在兩個(gè)線圈之間距離保持5.5mm不變的情況下，如果不放入鐵芯，次級(jí)線圈得到的信號(hào)峰峰值為3.40V。若在初級(jí)線圈內(nèi)放入磁芯，次級(jí)線圈外套有磁罐(磁罐與磁芯相比，在顱內(nèi)更具有體積優(yōu)勢(shì))，次級(jí)線圈得到的信號(hào)峰峰值為10.6V，是無(wú)磁芯時(shí)的三倍。

　　兩線圈之間的距離與放置在顱內(nèi)的位置有關(guān)，當(dāng)放置在大腦頂部時(shí)，由于成人顱頂骨的厚度約為5mm左右，最厚的部位可達(dá)10mm，所以使兩線圈之間的距離限制在10mm以內(nèi)。

　　線圈之間距離的影響

　　設(shè)兩線圈平面之間的距離為d，在初級(jí)線圈內(nèi)放有鐵芯，次級(jí)線圈外套有磁罐的情況下，保持兩線圈的中心軸一致，測(cè)量在不同距離d下得到的次級(jí)線圈信號(hào)峰峰值A(chǔ)，見(jiàn)表1和圖3。

　　從曲線圖中不難看出，兩線圈之間的距離與次級(jí)線圈峰峰值近似成負(fù)指數(shù)關(guān)系，在距離為5mm左右時(shí)，微弱的距離變化會(huì)引起一個(gè)較大的次級(jí)信號(hào)強(qiáng)度的變化，但是在5.5mm～12mm范圍內(nèi)的信號(hào)值均可以滿足刺激需要，因此具有一定的魯棒性。但是，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中仍要特別注意帕金森病人由于自身運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致線圈之間距離變化而引起的次級(jí)信號(hào)的變化，盡量初級(jí)線圈固定在患者頭皮以得到最大的刺激強(qiáng)度。

　　線圈偏心距的影響

　　在外置式腦起搏器中，由于有一個(gè)線圈在體外，因此，兩個(gè)線圈除了距離的變化以外，還有可能產(chǎn)生平面的滑移，那么線圈偏心距對(duì)次級(jí)線圈信號(hào)強(qiáng)度的影響也是必須考慮的因素之一。實(shí)驗(yàn)中初級(jí)線圈的脈沖頻率f=136Hz，脈寬Tw=1.65ms，幅值為5V。當(dāng)兩線圈保持間距d=7mm時(shí)，測(cè)量不同偏心距r下次級(jí)線圈得到的信號(hào)峰峰值A(chǔ)，見(jiàn)表2和圖4。

　　從曲線中可以看出，兩線圈偏心距r與次級(jí)線圈峰峰值之間近似成線性關(guān)系，隨著偏心距r的增大而減小?？梢钥闯鱿到y(tǒng)在一定的偏心范圍內(nèi)均可達(dá)到刺激強(qiáng)度的需要，也具有一定的魯棒性。但在實(shí)際使用當(dāng)中，仍應(yīng)當(dāng)增加一個(gè)對(duì)準(zhǔn)的裝置，以盡量保證兩個(gè)線圈的中心軸能在一條直線上，得到最大的刺激信號(hào)和最高的效率。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文首次將線圈耦合交流信號(hào)這一原理引入了帕金森病的治療當(dāng)中，提出了外置式腦起搏器的設(shè)計(jì)方案。對(duì)平面線圈的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，分析了次級(jí)信號(hào)的強(qiáng)度與各種參數(shù)之間的關(guān)系，為后續(xù)的設(shè)計(jì)提出了指導(dǎo)性的方案。實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)的刺激信號(hào)可完全滿足腦深度電刺激的要求，并且系統(tǒng)具有一定的魯棒性。

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