毕设讲稿

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：

D H J t

∂∇⨯=+∂ （2.1） B E t

∂∇⨯=-∂ （2.2） 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8510 A/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