一种多电容串联的经颅磁刺激系统及其电容充电管理方法与流程

本发明属于经颅磁刺激技术领域，特别涉及一种由多个储能脉冲电容单体串联构成的储能脉冲电容的经颅磁刺激系统及其电容充电管理方法。

背景技术：

经颅磁刺激(transcranialmagneticstimulation，简称tms)技术是一种利用脉冲磁场作用于中枢神经系统，改变皮质神经细胞的膜电位，使之产生感应电流，影响脑内代谢和神经电活动，从而引起一系列生理生化反应的磁刺激技术。tms具有无创、无痛、安全的特点，可用于刺激脑神经、神经根及外周神经。目前广泛用在神经科学、脑科学研究领域和临床疾病的诊断和治疗。

经颅磁刺激系统一般通过电源将能量储存在储能脉冲电容中，然后让储能脉冲电容对线圈快速大电流放电，产生瞬间脉冲磁场，对患者进行刺激。临床应用多采取脉冲序列模式，即在固定脉冲磁场强度下，以一定重复频率重复输出一定数量的磁刺激脉冲串，然后间歇一段时间，并以固定周期重复这种磁刺激脉冲串输出和间歇过程，直到总的磁刺激脉冲数达到预先设定数量。如图1所示，现有的经颅磁刺激系统采用一个脉冲储能电容，经颅磁刺激系统为保证输出足够脉冲磁场强度，需要将储能脉冲电容充电到较高的电压，通常超过1500v，这就要求一方面所述储能脉冲电容需要具有更高的耐压指标，另一方面要求所述电容充电电源具有超过1500v的电压输出水平。具有高压大电流长寿命需求的储能脉冲电容成本高，难度大。而经颅磁刺激系统在高重复频率的磁刺激脉冲串输出期间的输出功率常常需要几千瓦到十几千瓦，要将常规电源转换为经颅磁刺激系统需要的高压大功率电源，难度大，成本高。

若使用较低电压的电源就能实现将储能脉冲电容充电到高压状态，将降低储能脉冲电容单体的耐压要求，并减少大功率高压直流升压变换环节，是一种降低系统成本的有效途径。

本发明正是基于上述考虑，将经颅磁刺激系统储能脉冲电容拆分为n个储能脉冲电容单体串联，并分别对每个储能脉冲电容单体独立充电，从而最终以n个储能脉冲电容单体串联输出的形式达到高电压输出的目的，以满足经颅磁刺激系统应用的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种经颅磁刺激系统，其储能脉冲电容由多个储能脉冲电容单体串联组成，用较低电压的电容充电电源分别对各储能脉冲电容单体充电，最终储能脉冲电容总电压达到目标电压，实现磁刺激脉冲输出需求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种经颅磁刺激系统，包括高压充电电源、由多个储能脉冲电容单体串联构成的储能脉冲电容、高压充电电源对储能脉冲电容充电开关电路、储能脉冲电容对刺激线圈放电开关电路、刺激线圈和监测控制模块，所述监测控制模块控制高压充电电源对储能脉冲电容充电开关电路分别对所述储能脉冲电容单体依次充电或对所有所述储能脉冲电容单体整体进行充电，待储能脉冲电容总电压达到目标电压，控制储能脉冲电容对刺激线圈放电开关电路完成储能脉冲电容对刺激线圈放电。

所述高压充电电源对储能脉冲电容充电开关电路包括n个上桥臂开关ka1、ka2……kan及所述上桥臂开关的驱动电路和n个下桥臂开关kb1、kb2……kbn及所述下桥臂开关的驱动电路和n个电容泄电开关kc1、kc2……kcn及所述电容泄电开关的驱动电路及所述电容泄电开关串联的限流电阻r1、r2……rn和干路限流电阻r，上桥臂开关ka1的负极与第1个储能脉冲电容单体c1的正极电连接，上桥臂开关ka2的负极与第2个储能脉冲电容单体c2的正极电连接，直到上桥臂开关kan的负极与第n个储能脉冲电容单体cn的正极电连接，下桥臂开关kb1的正极与第1个储能脉冲电容单体c1的负极电连接，下桥臂开关kb2的正极与第2个储能脉冲电容单体c2的负极电连接，直到下桥臂开关kbn的正极与第n个储能脉冲电容单体cn的负极电连接，所有上桥臂开关ka1、ka2……kan的正极电连接在一起并串联干路限流电阻r与高压充电电源的正极电连接，所有下桥臂开关kb1、kb2……kbn的负极电连接在一起并与高压充电电源的负极电连接；电容泄电开关kc1的正极串联限流电阻r1并与第1个储能脉冲电容单体c1的正极电连接，电容泄电开关kc1的负极与储能脉冲电容单体c1的负极电连接，电容泄电开关kc2的正极串联限流电阻r2并与第2个储能脉冲电容单体c2的正极电连接，电容泄电开关kc2的负极与储能脉冲电容单体c2的负极电连接，直到电容泄电开关kcn的正极串联限流电阻rn并与第n个储能脉冲电容单体cn的正极电连接，电容泄电开关kcn的负极与储能脉冲电容单体cn的负极电连接，各开关状态通过驱动电路受监测控制模块控制。

一种经颅磁刺激系统中对储能脉冲电容充电管理方法，其基于所述的高压充电电源对储能脉冲电容充电开关电路，包括如下步骤：

(1)监测控制模块确定高压充电电源输出电压up、充电前储能脉冲电容总电压uc0和储能脉冲电容目标电压u；

(2)若uc0＞u，闭合全部电容泄电开关kc1、kc2……kcn，储能脉冲电容总电压uc由uc0逐渐下降，直到uc＝u，充电完成；

(3)若uc0＝u，充电完成；

(4)若uc0＜u，且up＞u，则kan和kb1闭合，其它上桥臂开关和其它下桥臂开关断开，高压充电电源对储能脉冲电容充电，当uc＝u，充电完成；

(5)若uc＜u，且up≤u，则先闭合ka1和kb1，其它上桥臂开关和其它下桥臂开关断开，高压充电电源对第一个储能脉冲电容单体充电，至储能脉冲电容总电压uc＝uc0+(u-uc0)/n；然后闭合ka2和kb2，其它上桥臂开关和其它下桥臂开关断开，高压充电电源对第2个储能脉冲电容单体充电，至储能脉冲电容总电压uc＝uc0+2(u-uc0)/n；依此类推，依次对其余各储能脉冲电容单体充电，直至储能脉冲电容总电压uc＝u，充电完成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用分步的方式完成将储能脉冲电容充电到目标电压，对高压充电电源的电压要求大大降低；本发明将储能脉冲电容拆分为由多个储能脉冲电容单体组成，每个储能脉冲电容单体的耐压指标显著降低，而且使得充电方式更加灵活，比如可用多个隔离的高压充电电源分别对储能脉冲电容中的部分电容充电，也可以采用多个电源并联以增大低压充电电源功率，依次完成对各储能脉冲电容单体更快充电。

附图说明

图1为现有的经颅磁刺激系统示意图；

图2为本发明一个实施例的经颅磁刺激系统示意图；

图3为本发明一个实施方式的电容充电电路示意图；

图4为本发明一个实施方式的开关时序图；

图5为本发明一个实施方式的充电过程中储能脉冲电容电压曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书实施例和说明书附图对本发明进行进一步说明。

在一个实施例中，本发明提出一种经颅磁刺激系统，包括高压充电电源、由多个储能脉冲电容单体构成的储能脉冲电容、高压充电电源对储能脉冲电容充电开关电路、储能脉冲电容对刺激线圈放电开关电路、刺激线圈和监测控制模块，监测控制模块控制高压充电电源对所述储能脉冲电容单体依次充电或对所有所述储能脉冲电容单体整体进行充电，待储能脉冲电容总电压达到目标电压，控制储能脉冲电容对刺激线圈放电开关电路完成储能脉冲电容对刺激线圈放电。

所述监测控制模块用于对经颅磁刺激系统各个模块进行监测控制。比如获取测得的储能脉冲电容电压，对系统局部温度测量，对各开关状态进行控制，与上位机进行通信等，具体地，所述监测控制模块可包括一个或多个mcu、fpga及相关配套电路。

所述经颅磁刺激系统基本原理如图2所示，高压充电电源通过限流电阻r对n个储能脉冲电容单体构成的储能脉冲电容充电，所述储能脉冲电容充电到目标电压后，通过储能脉冲电容对刺激线圈放电开关电路对刺激线圈脉冲放电，实现磁刺激脉冲输出。所述高压充电电源对储能脉冲电容充电开关电路包括n个上桥臂开关ka1、ka2……kan及所述上桥臂开关的驱动电路和n个下桥臂开关kb1、kb2……kbn及所述下桥臂开关的驱动电路和n个电容泄电开关kc1、kc2……kcn及所述电容泄电开关的驱动电路及所述电容泄电开关串联的限流电阻r1、r2……rn和干路限流电阻r，上桥臂开关ka1的负极与第1个储能脉冲电容单体c1的正极电连接，上桥臂开关ka2的负极与第2个储能脉冲电容单体c2的正极电连接，直到上桥臂开关kan的负极与第n个储能脉冲电容单体cn的正极电连接，下桥臂开关kb1的正极与第1个储能脉冲电容单体c1的负极电连接，下桥臂开关kb2的正极与第2个储能脉冲电容单体c2的负极电连接，直到下桥臂开关kbn的正极与第n个储能脉冲电容单体cn的负极电连接，所有上桥臂开关ka1、ka2……kan的正极电连接在一起并串联干路限流电阻r与高压充电电源的正极电连接，所有下桥臂开关kb1、kb2……kbn的负极电连接在一起并与高压充电电源的负极电连接；电容泄电开关kc1的正极串联限流电阻r1并与第1个储能脉冲电容单体c1的正极电连接，电容泄电开关kc1的负极与储能脉冲电容单体c1的负极电连接，电容泄电开关kc2的正极串联限流电阻r2并与第2个储能脉冲电容单体c2的正极电连接，电容泄电开关kc2的负极与储能脉冲电容单体c2的负极电连接，直到电容泄电开关kcn的正极串联限流电阻rn并与第n个储能脉冲电容单体cn的正极电连接，电容泄电开关kcn的负极与储能脉冲电容单体cn的负极电连接，各开关状态通过驱动电路受监测控制模块控制。当要对某个或某几个储能脉冲电容单体充电时，选取对应的上桥臂开关和下桥臂开关闭合，所述高压充电电源就会经过干路限流电阻r与所选的储能脉冲电容单体形成充电电路，实现对所选择的储能脉冲电容单体充电。一种对储能脉冲电容充电管理方法包括如下步骤：

(1)监测控制模块确定高压充电电源输出电压up、充电前储能脉冲电容总电压uc0和储能脉冲电容目标电压u；

(2)若uc0＞u，闭合全部电容泄电开关kc1、kc2……kcn，储能脉冲电容总电压uc由uc0逐渐下降，直到uc＝u，充电完成；

(3)若uc0＝u，充电完成；

(4)若uc0＜u，且up＞u，则kan和kb1闭合，其它上桥臂开关和其它下桥臂开关断开，高压充电电源对储能脉冲电容充电，当uc＝u，充电完成；

(5)若uc＜u，且up≤u，则先闭合ka1和kb1，其它上桥臂开关和其它下桥臂开关断开，高压充电电源对第一个储能脉冲电容单体充电，至储能脉冲电容总电压uc＝uc0+(u-uc0)/n；然后闭合ka2和kb2，其它上桥臂开关和其它下桥臂开关断开，高压充电电源对第2个储能脉冲电容单体充电，至储能脉冲电容总电压uc＝uc0+2(u-uc0)/n；依此类推，依次对其余各储能脉冲电容单体充电，直至储能脉冲电容总电压uc＝u，充电完成。

如图3所示，一种实施方式展示了4个储能脉冲电容单体串联时的电容充电原理。对应上桥臂开关有4个，ka1、ka2、ka3、ka4，下桥臂开关有4个，kb1、kb2、kb3、kb4，电容泄电开关有4个，kc1、kc2、kc3、kc4，上桥臂开关和下桥臂开关选用igbt或mosfet实现，电容泄电开关可选用高压继电器，与电容泄电开关串联的限流电阻r1＝r2＝r3＝r4使用1kω阻值的电阻，干路限流电阻r使用100ω阻值的电阻。各开关状态通过驱动电路受监测控制模块控制。当要对某个储能脉冲电容单体，比如储能脉冲电容单体c1充电时，选取对应的上桥臂开关ka1和下桥臂开关kb1闭合，其它上桥臂开关和其它下桥臂开关断开，所述高压充电电源经过干路限流电阻r与储能脉冲电容单体c1形成充电电路，电流方向如图中虚线箭头所示，实现对储能脉冲电容单体c1充电。当要对某几个储能脉冲电容单体，比如储能脉冲电容单体c1、储能脉冲电容单体c2充电时，选取对应的上桥臂开关ka2和下桥臂开关kb1闭合，其它上桥臂开关和其它下桥臂开关断开，所述高压充电电源经过干路限流电阻r和储能脉冲电容单体c1、储能脉冲电容单体c2形成充电电路，实现对储能脉冲电容单体c1、储能脉冲电容单体c2充电，当要对全部储能脉冲电容，比如储能脉冲电容单体c1、储能脉冲电容单体c2、储能脉冲电容单体c3、储能脉冲电容单体c4充电时，选取对应的上桥臂开关ka4和下桥臂开关kb1闭合，其它上桥臂开关和其它下桥臂开关断开，所述高压充电电源经过干路限流电阻r和储能脉冲电容单体c1、储能脉冲电容单体c2、储能脉冲电容单体c3、储能脉冲电容单体c4形成充电电路，实现对储能脉冲电容单体c1、储能脉冲电容单体c2、储能脉冲电容单体c3、储能脉冲电容单体c4整体充电。

如图4所示的储能脉冲电容充电时的开关时序图，是以4个储能脉冲电容单体串联时的电容充电情形为例，所述高压充电电源电压500v，要将储能脉冲电容电压由0v充电到1800v。为保证电路中开关状态切换准确，在开关切换时，增加了开关延时保护时间，一般开关延时保护时间大于开关动作时间，比如本例选用的上桥臂开关和下桥臂开关均为igbt型，动作时间50μs，则开关延时保护时间可取100μs。在t0时刻，上桥臂开关ka1、下桥臂开关kb1闭合，其它上桥臂开关和下桥臂开关均断开，则充电电路对储能脉冲电容单体c1充电，至t1时刻，储能脉冲电容单体c1已充电到设定电压，上桥臂开关ka1、下桥臂开关kb1断开，停止对储能脉冲电容单体c1充电，经过开关延时保护时间后，确保所有开关全部断开；t2时刻，上桥臂开关ka2、下桥臂开关kb2闭合，其它上桥臂开关和下桥臂开关均断开，则充电电路对储能脉冲电容单体c2充电，至t3时刻，储能脉冲电容单体c2已充电到设定电压，上桥臂开关ka2、下桥臂开关kb2断开，停止对储能脉冲电容单体c2充电，经过开关延时保护时间后，确保所有开关全部断开；t4时刻，上桥臂开关ka3、下桥臂开关kb3闭合，其它上桥臂开关和下桥臂开关均断开，则充电电路对储能脉冲电容单体c3充电，至t5时刻，储能脉冲电容单体c3已充电到设定电压，上桥臂开关ka3、下桥臂开关kb3断开，停止对储能脉冲电容单体c3充电，经过开关延时保护时间后，确保所有开关全部断开；t6时刻，上桥臂开关ka4、下桥臂开关kb4闭合，其它上桥臂开关和下桥臂开关均断开，则充电电路对储能脉冲电容单体c4充电，至t7时刻，储能脉冲电容单体c4已充电到设定电压，且储能脉冲电容总电压达到目标电压，充电完成。

如图5所示的4个储能脉冲电容单体串联时的充电时储能脉冲电容总电压变化，t0到t1时间段，所述高压充电电源对储能脉冲电容单体c1充电，储能脉冲电容单体c1由0v充电到450v，t1到t2时间段，不充电，储能脉冲电容总电压保持在450v；t2到t3时间段，所述高压充电电源对储能脉冲电容单体c2充电，储能脉冲电容单体c2由0v充电到450v，储能脉冲电容总电压由450v升到900v，t3到t4时间段，不充电，储能脉冲电容总电压保持在900v；t4到t5时间段，所述高压充电电源对储能脉冲电容单体c3充电，储能脉冲电容单体c3由0v充电到450v，储能脉冲电容总电压由900v升到1350v，t5到t6时间段，不充电，储能脉冲电容总电压保持在1350v；t6到t7时间段，所述高压充电电源对储能脉冲电容单体c4充电，储能脉冲电容单体c4由0v充电到450v，储能脉冲电容总电压由1350v升到1800v，充电完成。

以上仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可想到变化或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。