[发明专利]一种模块化多级经颅磁刺激发生器的拓扑结构及控制方法

说明书

本发明公开了一种模块化多级经颅磁刺激发生器的拓扑结构及控制方法，属于经颅磁刺激脉冲发生器领域，包括模块化级联全桥结构、子模块并联结构、电容充电结构和刺激线圈结构；模块化级联全桥结构包括N个子模块，各子模块全桥桥臂中点相互串联，两侧桥臂中点连接刺激线圈结构；子模块由一个储能电容和四个全桥开关结构组成；子模块并联结构包括N‑1个并联结构，每个并联结构分为全桥上端并联结构和全桥下端并联结构；电容充电结构包括由充电电感、充电控制开关管、充电二极管和充电电源组成的升压充电结构以及电感续流结构。本发明能够在刺激线圈中生成可调的不同脉冲电流，进而在大脑生成参数可调控的感应电场，进而实现多种不同的磁刺激效果。

技术领域

本发明涉及经颅磁刺激脉冲发生器领域，尤其涉及一种模块化多级经颅磁刺激发生器的拓扑结构及控制方法。

背景技术

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)是一种针对大脑神经的磁刺激方法，TMS在实施过程将刺激线圈放置在头部目标靶区附近，利用磁刺激发生器产生时变脉冲电流，当电流通过刺激线圈时会产生在空间中分布的时变脉冲磁场，时变的脉冲磁场作用于大脑神经系统可在其中产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列的生理化学反应。

TMS目前被广泛应用于临床诊断、临床治疗、科学研究等多个领域。在临床诊断中，TMS可用来实行获取运动诱发电位信息，检测神经系统的完整性、灵敏性。在临床治疗中，TMS可应用于治疗精神类疾病，例如抑郁症、精神分裂症等；在康复领域中，TMS实现神经康复治疗例如中风、帕金森疾病等。

TMS刺激效果受磁脉冲发生器以及线圈的参数共同影响，磁刺激发生器中脉冲电流幅值、脉冲脉宽、脉冲波形以及脉冲各相占比等参数不同均会导致脉冲电流的差异性，进而导致刺激效果出现差异。同时刺激线圈中线圈匝数，线圈排列方式等参数也会导致颅内感应电场的分布不同，进而导致刺激效果的差异性。目前的经颅磁刺激器发生电路大部分为谐振脉冲电路，基于线圈电感以及电路中储能电容谐振来产生脉冲电流，因此其脉冲波形由于受电路拓扑结构以及器件的限制，波形种类几乎不可变化，然而已有研究表明，使用适当的波形可以显著提高重复磁刺激诱导的神经调节的功效。

有学者提出单相脉冲和双相脉冲电路，其电路中主要使用晶闸管作为开关器件，生成单相或双相电流脉冲实现刺激，但由于其使用的器件为半控器件，因此电路可调性较低，无法满足刺激需求的多样性。有学者提出脉冲参数可控经颅磁刺激，利用全控开关器件实现了生成四电平电压脉冲，满足了一定的波形可调性。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种模块化多级经颅磁刺激发生器的拓扑结构及控制方法，在刺激线圈中生成可调的不同脉冲电流，进而在大脑中生成脉冲宽度、脉冲幅值、脉冲各相持续时间等参数可调的感应电场，形成不同的磁刺激效果。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种模块化多级经颅磁刺激发生器的拓扑结构，包括模块化级联全桥结构、子模块并联结构、电容充电结构和刺激线圈结构；所述模块化级联全桥结构包括N个子模块，各子模块全桥桥臂中点相互串联，两侧桥臂中点连接刺激线圈结构；所述子模块为全桥与电容结构，由一个储能电容和四个全桥开关结构组成；所述子模块并联结构包括N-1个并联结构，每个并联结构分为全桥上端并联结构和全桥下端并联结构；所述电容充电结构包括升压充电结构和电感续流结构；通过控制多级子模块放电方式，能够产生参数可控的离散多电平电压脉冲，在刺激线圈中生成多种电流波形，进而生成脉冲宽度、幅值、各相时间参数可控的感应电场，进而实现多种不同的磁刺激效果。