毕设讲稿
2020-03-04 00:26:14 来源：范文大全收藏下载本文
各位老师好，我是xxxx，学号xxxx，毕设导师是xxxx，首先感谢两位老师参加我的毕业答辩，我的毕设题目是功能磁刺激线圈改进仿真设计。首先请允许我介绍一下我所研究的课题。
1.磁刺激技术
磁刺激技术是20世纪80年代中期发展起来的用于大脑皮层刺激的新方法。磁刺激技术是由随时间变化的磁场无接触的通过空间耦合进入人体组织内部，产生感应电流刺激组织细胞。与电刺激相比，它具有安全、有效、无痛、无损伤、易于重复及操作简单等优点，是一种非侵入的刺激方法。磁刺激作为一种非侵入性的外源性刺激, 从刺激方法上讲, 是对电刺激的一个突破, 使得刺激方法超越以往的局限而获得了进一步的发展, 它的优势主要体现在以下三方面 （1） 磁刺激没有电流密度十分集中的区域, 因此受试者无疼痛感。
（2） 肌肉、骨骼等不良导体对脉冲磁场进人人体没有什么衰减作用, 因此磁刺激可达深部组织。
（3）刺激的操作十分简单, 刺激线圈只要放在被刺激部位的近旁, 中间甚至可以隔有衣服, 照样可以刺激, 线圈位置的改变更是容易[8]。
磁刺激技术已被广泛应用于精神疾病的治疗及脑功能研究。但是由于磁场的弥散性，使被刺激部位周围的一大群神经元或神经纤维产生同步效应，这与大脑皮层正常功能活动时的输出完全不同，可能会引起无意义的协调运动。因此，在磁刺激的过程中，要尽量准确放置线圈位置于被测部位，应使被刺激点产生超过神经细胞兴奋阈值的电场强度，而非靶组织位置的感应电场尽量小，以减少其它神经受刺激的可能，其核心问题是磁刺激线圈的设计。
最根本的是聚焦性问题，因为建立各种组织模型[10]，对线圈优化[11]，都是为了解磁场和感应电场的分布，确定刺激区域，使磁刺激聚焦性最好[12]。影响聚焦性的因素有线圈的几何形状和尺寸
[12]
，磁刺激时线圈的放置位置
[13]
。“8”字形线圈是目前使用的有良好聚焦性的线圈，也是科研和医疗常用的线圈。
磁刺激模型的研究分为两个部分：一是计算由线圈电流产生的宏观电磁场分布，二是计算宏观电磁场对神经细胞的微观效应。 2.磁刺激作用的基本原理
人类神经系统和肌肉组织本质上是依靠电活动来传递和处理信息的，依靠频率调制的动作电位在神经元的轴突上被传导到后继神经元或肌肉的胞体或树突，在后继神经元的细胞体处发生电位的空间与时间综合，最后决定是否发放下一级的动作电位。在许多种神经系统疾病，例如帕金森氏病、中风、癫痫的诊断和治疗中，需要控制神经系统的活动[13]。所以，这个任务本质上就是要操纵神经系统中的电活动。而实现这个目标的最直接的方法就是直接向神经或肌肉输送电流，意大利科学家 Galvani 早在 19 世纪就观察到了青蛙坐骨神经受到电流刺激时产生的不自主的肌肉收缩。但是，直接输送电流刺激需要外科手术的介入，有痛有创且对生物体具有遭遇电击的潜在危险，在一些深部的神经组织就更加不适合了，这使得一种控制神经系统的替代方法成为必要。幸而，近代物理学的发展证实了磁与电是一对相互对偶的能量形式，通过对其中一者可以产生并且控制另一者。这就是说，完全有可能通过磁场，而不是电场来控制神经系统。更重要的是，磁场的最大特点就是它能够几乎无任何衰减地穿透空气以及人体的各种组织，直接将能量传递到躯体的深部[14]。
将电场与磁场相互联系的两项重要科学发现一是 Oersted 在 1819 年发现的电流的磁场效应，二是Faraday 在其十年后发现的电磁感应现象[15]。总结这些发现，Maxwell 提出了他著名的经典电磁场理论，可以概括在由 4 个方程组成的方程组中。在磁刺激技术方面，其中最为重要的是 Ampere 环路定律和Faraday电磁感应定律：
HJD （2.1） tBE （2.2）
t其中（2.1）式表示电流是磁场旋度之源，即在电流的周围环绕着磁场，（2.2）式表示变化的磁场是电场旋度之源。所以只要能够产生随时间变化的电流，就可以形成随时间变化的磁场，进一步在空间产生新的电场。在磁刺激技术中，它就可以深入到人体内部的神经系统。而这个过程的中间媒介就是变化的磁场。新的电场在导电性的神经组织中就可以引起电流，当电流达到一定阈值时就可以形成神经元冲动的发放。
5.用ANSYS计算线圈电磁场分布
1、建立几何模型
ANSYS有限元分析过程主要包括三个步骤[2]： 1.前处理：创建有限元模型 1)创建或输入几何模型 2)定义材料属性
3)定义单元类型，划分单元 2.求解：施加载荷并求解 1)施加约束条件 2)施加载荷 3)求解
3.后处理：查看分析结果 1)查看分析结果 2)检验结果的正确性
3.2.1用ANSYS计算线圈电磁场分布
首先建立一个圆形线圈，每个线圈由直径2.5mm的铜线绕成，设定内径20mm，外径25mm，匝数为2匝，即高度为5mm的圆形线圈为参考线圈。
2、定义材料属性和单元类型
由于只求磁场分布，所以材料属性只需要定义相对磁导率和电阻率。铜的电阻率为1.7×10-8Ω·ｍ，相对磁导率和空气的磁导率一样，设为1。空气场只需要定义磁导率。由于采用的是单元边分析方法，所以仅使用ANSYS软件提供的SOLID117单元，如图8。.
图8 SOLID117单元
3、网格划分
4、施加载荷并求解
施加在线圈上的电流密度为5108A/m，线圈中电流方向为逆时针方向或顺时针方向，逆时针方向设为电流的正方向。图11为线圈电流方向示意图，图12 为圆形线圈磁场分布，图13为线圈Z轴上磁场分布，设置好载荷之后，就可以进行电磁场计算了。
图11 圆形线圈电流图
图13 圆形线圈磁场分布
4 磁刺激线圈改进仿真方案
磁刺激线圈的聚焦性一直是困扰科学家的难点，如何提高线圈的聚焦性是本次论文的焦点，首先对线圈的半径，与刺激部位距离等一系列因素对磁刺激电磁场的大小比较，从而找出最好的方案。
4.1 不同半径的8字形线圈之间电磁场的比较
1、创建有限元模型
创建8字形线圈，两个线圈中间相隔2mm，中心在Z轴上，8字形线圈半径分别为2cm和4cm，位于Z=0cm的平面上，平行于xoy平面上，其有限元模型如图
15、16。
2、磁场分布比较
对半径不同的8字形线圈加异向电流后的x方向上磁场强度如图
17、18所示。磁场都取轴向高度为8cm，径向以线圈中心为对称，两边各取9cm。由图得随着半径增大，磁场强度略有增大，聚焦性却略有减弱。
图16 半径为2cm的圆形线圈的磁场分布
图17 半径为4cm的圆形线圈磁场分布
由8字形线圈与圆形线圈比较可知，8字形线圈两圆中间电磁强度达到最大，而圆形线圈是在平均半径的附近的圆环为有效刺激区域。因此，8字形线圈比圆形线圈有更好的聚焦性，也更容易定位操作。
3、纵向方向上磁场比较
在纵向方向上选的距离为0.2m以内，可见在选定范围内，半径为4cm的线圈磁刺激强度较大，但是需要说明的是：随着离线圈距离的增加，磁场强度按指数衰减，有效刺激面积也逐渐减小。刺激线圈直径越大，刺激的深度越深。但是直径越大，刺激范围也越大，聚焦性变差。因此，在选用线圈的时候需要根据不同的刺激深度和聚焦性的要求决定线圈直径。
图18 不同半径的8字形线圈z方向上磁场强度
4.2 电流方向对磁场分布的影响
对8字形线圈分别通入同向电流，异向电流，并对圆形线圈通入逆向电流得到的磁场分布如图所示。
图19 电流方向引起的Z方向上的磁场分布
A．对8字形线圈通入逆向电流，磁场强度最强。
B．对圆形线圈通入正向电流，在纵向上的磁场强度稍弱。 C.对8字形线圈通入同相电流，磁场强度最弱。 由图可知8字形线圈在两线圈相接附近，当通入两圆的电流方向相反时，磁感应强度是相互加强的，其曲线比圆形线圈更陡峭，说明其聚焦性更好。当通过的电流方向相同时，相接处的感应强度是相互减弱的。
4.3 线圈匝数对磁场分布的影响
取铜丝直径为5mm，线圈内径为4cm，外径为4.5cm，分别取匝数为1和3，即8字形线圈厚度分别为0.005m和0.015m，选定8字形线圈电流方向均为异向，磁场分布如图所示。
图20 不同匝数的8字线圈在Z轴上的电磁场分布
由图可见线圈匝数多的磁场强度较匝数少的磁场强度较大，且刺激部位的深度较深，范围较广，适合要求较精确的磁刺激。
4.2 圆形线圈阵列和双8字圆形阵列的磁场分布比较
1、几何模型
建立圆形线圈阵列和双8字形线圈阵列，如图
21、22所示。线圈阵列都分布在xoy平面上，都取内径为2cm，外径为2.5cm，厚度为0.5cm。
图21 四个圆形线圈分布图
图22 双8字形圆形线圈分布图
2、磁场分布比较
8字形字线圈、圆形阵列线圈和双8字形阵列线圈在Z轴上磁场强度如图所示，各圆形线圈都通入异向电流，取轴向高度为20cm，Y=0范围内的磁场强度。四圆形线圈在Z轴上的磁感应强度分布与8字形相同，在其中心点附近的感应强度值非常小。双8字线圈是四圆形线圈的改进，在其中心点附近Z轴的曲线说明出现了磁感应强度较四圆形线圈较强。
图23 三种线圈Z方向上的磁场强度 4.3 传统8字形线圈与加入铁板后的改进线圈之间的电磁场比较
1、创建几何模型
建立内径为2 cm，外径为2.5cm，匝数为1的8字形线圈（如图24），在8字形线圈底部分别加上宽为2.5cm，长为5cm的矩形铁板，组合成一个新的线圈（如图25），成为改进线圈。
2、磁场分布比较
改进线圈与传统8字形线圈在Z轴上的电磁场分布比较如图26所示。由图26比较可知改进后的线圈聚焦性比8字形线圈更强，针对的刺激部位更加准确，更适合深层的刺激方案。
图26 改进线圈与原线圈Z方向上的磁场强度 4.4 改进线圈与双8字形线圈之间的电磁场比较
由前面比较可知双8字形线圈的聚焦性最好，现在将改进线圈与双8字形线圈的电磁场分布进行比较。
图27 加板线圈与双8字形线圈的磁场分布比较
如图27可见加板后的8字形线圈的磁场强度略弱于双8字形线圈，所以可采用双8字形线圈与临床应用中，但是加入铁板之后的线圈聚焦性比8字形线圈要强，所以可以替代8字形。
结 论
本文综述了功能磁刺激无创、操作简单等特点，在神经刺激方面已经得到广泛的有效验证。为了提高FMS的聚焦性，本文针对FMS用于人体部位的刺激展开了深入研究。
论文阐述了磁刺激过程中产生神经兴奋的电生理基础，介绍了神经元的结构以及其引起兴奋的机理，讲述了静息电位和动作电位的概念，详细论述了动作电位产生的机制，在不同边界条件下建立了磁刺激线圈感应电场分布数学模型，根据磁刺激线圈感应电场理论，对圆形线圈、8字形线圈、四圆形线圈和双8字线圈感应磁场的分布进行研究，结果表明双8字线圈聚焦性更好，更利于此次既兴奋点的定位。
从计算出的感应磁场分布图可得到以下结论：（1）对于不同半径的8字形线圈，线圈半径越大，刺激深度越深，但是刺激范围也越大，聚焦性变差，因此最好选用半径为4cm的线圈。（2）匝数较多的线圈组合较匝数较少的线圈组合聚焦性强。（3）圆形线圈的感应磁场分布在线圈边缘处幅值最大，中心处最小。因此，位于线圈下切线方向的神经容易被兴奋。由于圆形线圈刺激范围大，聚焦性差，进行刺激时会造成大面积非靶组织受刺激而兴奋，因此将其用于刺激外周神经纤维效果较好。(4)8字形线圈，当通过其的电流方向相反时，在两圆线圈相切部位的下方引起的磁场强度是相互加强的，即磁场强度的最大值出现在两圆线圈相接处的下方， 沿两个圆线圈的切线方向，比圆形线圈提高了聚焦能力。(5)四圆形线圈的磁场强度的最大值出现在z轴两相邻圆线圈相接处的下方，沿两个圆线圈的切线方向，尽管其聚焦性比8字形线圈有所提高，但同时出现两个聚焦点，不利于兴奋点的定位刺激。(6)双8字形线圈是四圆形线圈的改进。磁场强度的最大值出现在中心对称点的下方，大幅度地提高了聚焦能力。由于它的聚焦性强，使兴奋点的定位刺激更具有选择性，将其用于大脑皮层功能区的刺激效果最好。因此可以得出结论双8字形线圈比圆形线圈、8字形线圈和四圆形线圈更利于磁刺激兴奋点的定位。这一结果对于指导磁刺激技术在临床上更有效地应用具有实际意义。（7）本文还对8字形线圈进行了改进，在线圈下方分别加入了铁板，屏蔽了8字形线圈两边的聚焦点，增强了线圈的聚焦性，更适合代替8字形线圈进行深入磁刺激，但是磁刺激强度略弱与双8字形线圈。
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