在1895年，阿松瓦爾通過實(shí)驗(yàn)觀察到時(shí)變磁場能夠刺激神經(jīng)。1977年，巴西特首次將刺激應(yīng)用到人體實(shí)驗(yàn)，他將較低頻電磁場對骨科臨床治療獲得成功，受到廣泛關(guān)注。1985年，巴克爾等研究人員通過小型線圈成功利用外部磁場成功刺激人體外部神經(jīng)，這種刺激方法稱之為(transcranial magnetic stimulation，TMS)。

　　摘 要 經(jīng)顱磁刺激因其無創(chuàng)傷、非接觸性等優(yōu)點(diǎn)，在臨床治療和科學(xué)研究中得到廣大的應(yīng)用。為了優(yōu)化線圈的設(shè)計(jì)，提高線圈的聚焦性，文章通過Ansoft軟件對于不同繞法線圈進(jìn)行仿真和分析，選擇較為合適的線圈，未開發(fā)新型線圈提供理論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞 工業(yè)設(shè)計(jì)論文發(fā)表,Ansoft,磁刺激,線圈仿真

　　目前經(jīng)顱磁刺激因其無痛、非接觸性刺激等優(yōu)點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用到大腦認(rèn)知和神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷領(lǐng)域，特別是重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS)在研究和治療癲癇、脊髓損傷、抑郁癥、神經(jīng)性疼痛、帕金森病和腦卒中等臨床疾病中發(fā)揮著重要的

　　作用。

　　經(jīng)顱磁刺激儀器產(chǎn)生時(shí)變磁場方法很多，目前市場應(yīng)用主要是，通過大電容將電能進(jìn)行儲(chǔ)存，再通過控制器經(jīng)線圈進(jìn)行放電，采用時(shí)變電流流經(jīng)線圈產(chǎn)生脈沖磁場。其中磁刺激線圈設(shè)計(jì)對經(jīng)顱磁刺激起的重要作用，其不同結(jié)構(gòu)在空間產(chǎn)生磁場分布，決定著空間感應(yīng)電場的分布，所以磁刺激的刺激聚焦性以及刺激深度成為當(dāng)前經(jīng)顱磁刺激發(fā)展的重要核心問題。本文對不同模型線圈通過仿真進(jìn)行磁場分布分析，選擇較為合適的模型應(yīng)用到實(shí)際經(jīng)顱磁刺激系統(tǒng)中[1]。

　　1 磁刺激感應(yīng)電場的基本原理

　　基于著名的畢奧-薩法爾定律，計(jì)算導(dǎo)線通電后產(chǎn)生磁場強(qiáng)度。

　　(1)

　　式中：μ0=4π×10-7H/m，為真空磁導(dǎo)率，r為電流元至P點(diǎn)的距離，揭示出在真空中電流元產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度dB。

　　2 磁刺激線圈設(shè)計(jì)與仿真

　　2.1 Ansoft簡介

　　Ansoft軟件是將不同場包括(電場、聲場、磁場、結(jié)構(gòu)分析)融于一體的大型通用有限元分析軟件。Ansoft軟件主要由三部分構(gòu)成：第一模塊，前處理模塊主要通過建立實(shí)體模型和劃分網(wǎng)格，可以快速地構(gòu)建有限元模型;第二模塊，分析計(jì)算模塊可以進(jìn)行電磁場的分析，模擬不同物理介質(zhì)相互作用，具有數(shù)據(jù)優(yōu)化分析和靈敏度分析功能;第三模塊，后處理模塊通過彩色等值線將計(jì)算分析結(jié)果顯示，矢量顯示和梯度顯示，也可以通過曲線、圖表形式顯示或輸出將計(jì)算結(jié)果。

　　Ansoft軟件電磁場分析以麥克斯韋方程組作為出發(fā)點(diǎn)，此軟件仿真計(jì)算的自由度主要是磁位或通量，其他的物理量可以由這些自由度導(dǎo)出。對于不同單元的類型和選項(xiàng)選定，Ansoft軟件分析計(jì)算的自由度可以是矢量磁位、標(biāo)量磁位或邊界通量。

　　經(jīng)顱磁刺激研發(fā)技術(shù)中，研究磁刺激聚焦性問題需要分析磁刺激線圈產(chǎn)生電磁場的空間域分布。對于圓形線圈，我們可以對線圈模型進(jìn)行簡化，采用解析計(jì)算的方法對圓形線圈產(chǎn)生的電磁場在空間域內(nèi)分布進(jìn)行計(jì)算，若是當(dāng)各項(xiàng)非線性物理介質(zhì)或者非特性物理介質(zhì)存在空間域內(nèi)時(shí)，解析法無法進(jìn)行計(jì)算，所以分析復(fù)雜電磁場空間分布常用的方式是數(shù)值解法。本文采用Ansoft有限元電磁仿真軟件對圓形線圈進(jìn)行仿真電磁場分布，利用Ansoft中麥克菲爾三維可以構(gòu)建復(fù)雜實(shí)體模型，本文選用三維瞬態(tài)磁場求解器對圓形線圈的仿真感應(yīng)電場進(jìn)分布。三維瞬態(tài)磁場求解器通過迭代網(wǎng)格單元運(yùn)算的方法，實(shí)現(xiàn)的仿真和分析非線性物理介質(zhì)模型目的。本分析方式將電流元作為基礎(chǔ)單元的方式單獨(dú)處理，電流源不需建立具體模型和進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，因而建模仿真更容易[2]。

　　2.2 Ansoft模型的建立

　　本文利用Ansoft軟件進(jìn)行線圈磁場分析的主要步驟為：

　　2.2.1 創(chuàng)建有限元模型

　　1)選擇工程標(biāo)題和項(xiàng)目名稱。

　　2)設(shè)置單元類型。

　　3)設(shè)置材料屬性。

　　4)建立有限元模型。

　　2.2.2 設(shè)置載荷和求解

　　1)設(shè)置分析選項(xiàng)和分析類型。

　　2)添加載荷，包括激勵(lì)、約束邊界條件等。

　　3)添加載荷步選項(xiàng)。

　　4)分析求解。

　　2.3 Ansoft模型的結(jié)果

　　本文采用了多種繞線形式的線圈，分析器性能。所選的線圈基本參數(shù)如表1所示[3]。

　　表1 圓形線圈參數(shù)

　　模型

　　模型一 模型二

　　線徑/cm 0.1 0.1

　　內(nèi)徑/cm 4 4

　　線圈層數(shù)/層 1 5

　　匝數(shù)/匝 5 1

　　通過Ansoft仿真軟件模擬出圓形線圈模型的磁場分布，圖2曲線為各個(gè)線圈模型在距離圓形線圈平面2 mm處，X向

　　4 cm范圍的內(nèi)磁場強(qiáng)度變化值，圖3曲線為各個(gè)線圈模型Y向4 cm范圍內(nèi)的磁場強(qiáng)度變化。

　　模型一 模型二

　　圖1 圓形線圈的截面圖

　　通過分析圖2曲線，表明上述圓形線圈模型當(dāng)X向距離小于0.020 m，模型二有較大的磁場強(qiáng)度分布，當(dāng)X向距離大于0.020 m時(shí)，模型一產(chǎn)生較大的磁場強(qiáng)度。同時(shí)分析圖3曲線，模型一磁場的聚焦性是較好的。

　　圖2

　　圖3

　　3 總結(jié)

　　本文采用Ansoft有限元分析軟件對所構(gòu)建的圓形線圈模型進(jìn)行仿真。Ansoft軟件是基于有限元分析方法的一種磁場分析軟件，應(yīng)用此軟件完成了在線圈不同排列方式下磁場的分布，并分析得到聚焦性最好的線圈模型。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]陳福謙，周軍，王永波，等.經(jīng)顱磁刺激線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析綜述[J].機(jī)電工程，2014，31(4)：431-436.

　　[2]陳勇，徐桂芝，楊碩，楊慶新.經(jīng)顱磁刺激線圈設(shè)計(jì)及分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(S1)：98-10.

　　[3]喬曉艷，許偉偉.經(jīng)穴磁刺激線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，26(5)：405-410.

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