高頻經(jīng)顱磁治療儀制冷系統(tǒng)的設(shè)計

李想，韓燕，郭婷婷，朱祥祥

合肥市第四人民醫(yī)院 設(shè)備科，安徽合肥 230022

高頻經(jīng)顱磁治療儀制冷系統(tǒng)的設(shè)計

李想，韓燕，郭婷婷，朱祥祥

合肥市第四人民醫(yī)院 設(shè)備科，安徽合肥 230022

為了有效控制在治療過程中經(jīng)顱磁刺激儀的磁刺激線圈溫度的缺點(diǎn)，本文嘗試另一種思路，利用帕爾貼效應(yīng)設(shè)計了一種具有自動冷卻功能的刺激部。該刺激部溫度可控、性能穩(wěn)定、能持續(xù)工作，可以有效解決磁刺激儀在治療過程中，因磁刺激線圈的溫度高于38℃時，人體的皮膚將感到不適，以及線圈溫度過高等導(dǎo)致儀器自動停機(jī)保護(hù)而終止治療的問題。該冷卻裝置的制冷方式不需要任何制冷劑，既能長時間、不間斷的工作，又能提高患者治療的舒適感，消除醫(yī)療風(fēng)險，提高患者的治療依從性，更好地為患者服務(wù)。

經(jīng)顱磁；磁刺激；磁場強(qiáng)度；脈沖磁場；半導(dǎo)體；制冷系統(tǒng)；磁刺激線圈

引言

經(jīng)顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）技術(shù)是在法拉第電磁感應(yīng)原理和神經(jīng)電生理學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)[1-2]，利用脈沖磁場作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)(主要是大腦)，改變皮層神經(jīng)細(xì)胞的膜電位，使之產(chǎn)生感應(yīng)電流，影響腦內(nèi)代謝和神經(jīng)電活動，從而引起一系列生理生化反應(yīng)的神經(jīng)刺激技術(shù)，是一種無痛，無創(chuàng)傷的綠色治療方法[3-4]。臨床應(yīng)用涉及精神心理領(lǐng)域的憂郁、幻聽、神經(jīng)耳鳴、焦慮、睡眠障礙、強(qiáng)迫癥等疾病的治療[5-6]；康復(fù)領(lǐng)域涵蓋精神、神經(jīng)損傷后的功能恢復(fù)治療及認(rèn)知、情緒等方面的治療[7-8]；神經(jīng)科領(lǐng)域涵蓋神經(jīng)損傷后的康復(fù)，帕金森、癲癇等疾病的治療，以及兒科領(lǐng)域小兒腦癱、肌張力異常等的治療[9-10]。

高頻經(jīng)顱磁治療儀在治療過程中磁刺激線圈會產(chǎn)生大量的熱量[11]，如何及時有效地降低磁刺激線圈溫度，一直是此項技術(shù)發(fā)展的難題。因此，控制其穩(wěn)定可靠的工作溫度尤為關(guān)鍵，制冷系統(tǒng)的工作狀態(tài)決定著TMS整臺設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，制冷系統(tǒng)是決定TMS系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性的重要組成部分[12]。

目前，國內(nèi)外的高頻經(jīng)顱磁治療儀主要采用風(fēng)冷冷卻技術(shù)和惰性液態(tài)內(nèi)循環(huán)制冷技術(shù)[13]，而這兩種制冷技術(shù)存在各自的缺點(diǎn)。其中，風(fēng)冷冷卻方式冷卻溫度不穩(wěn)定且不可控制，冷卻效果較差，惰性液態(tài)內(nèi)循環(huán)制冷結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后期的維護(hù)成本較高(每兩年更換一次惰性液體)，存在漏液風(fēng)險，安全性低。

針對現(xiàn)有磁場刺激器冷卻效果差、使用成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的技術(shù)難題，我們利用半導(dǎo)體制冷的原理設(shè)計了一種具有自動冷卻功能的刺激部，并進(jìn)行了相應(yīng)的實驗，取得了較好的效果。

1 材料與方法

1.1 材料

PID（XCV3/TZL-5005）控制器1個，CU50熱敏電阻溫度傳感器1個，12 V、40 A多路輸出開關(guān)穩(wěn)壓電源1個，TEC1-12706 12 V、6 A半導(dǎo)體制冷片3個，隔熱墊1塊，12 V、18 A散熱風(fēng)扇2個，12 V、12 A吹冷風(fēng)扇3個，槽型散熱片1個，雙槽型導(dǎo)冷塊1塊，磁刺激線圈組，導(dǎo)線若干。

1.2 半導(dǎo)體制冷的基本原理

采用帕爾貼效應(yīng)，當(dāng)外加的直流電流流過由兩種不同材料組成的封閉回路時，在其兩端將產(chǎn)生吸熱或發(fā)熱現(xiàn)象，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度下降，熱端溫度上升[14]。帕爾貼效應(yīng)示意圖，見圖1。

圖1 帕爾貼效應(yīng)示意圖

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，見圖2。半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的工作原理是：當(dāng)給半導(dǎo)體制冷片加上直流電源使其工作后，半導(dǎo)體片的發(fā)熱面溫度升高，并將熱量傳導(dǎo)給槽型散熱片進(jìn)行散熱，槽型散熱塊上的散熱槽在散熱風(fēng)扇工作時，能夠形成負(fù)壓氣流，增加氣流流速，從而提高槽型散熱片的散熱效率，及時有效地降低半導(dǎo)體制冷片發(fā)熱面的溫度；與此同時半導(dǎo)體制冷面溫度迅速降低，并使導(dǎo)冷塊的溫度隨之迅速下降，雙槽型制冷塊底面上的制冷風(fēng)道凹槽在吹冷風(fēng)扇工作時，能夠形成負(fù)壓氣流，增加冷空氣的傳遞速度和效率，并及時將冷風(fēng)吹送給磁刺激線圈，從而降低磁刺激線圈的溫度，達(dá)到制冷的目的。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.3 系統(tǒng)的溫度控制設(shè)計

本系統(tǒng)的溫度控制對象是磁刺激線圈。系統(tǒng)溫度控制采用PID控制，PID控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)負(fù)反饋控制[15]。通過按鍵輸入磁刺激線圈的工作溫度設(shè)定值，高靈敏度的熱敏電阻溫度傳感器所測量的溫度信號，經(jīng)PID（CPU）的A/D口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，處理器將所測量溫度值送到LCD液晶屏顯示，同時將其與按鍵設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，將差值進(jìn)行PID處理后通過PWM脈沖調(diào)制控制功率輸出電路，實現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷器溫度的精確控制，從而構(gòu)成實時閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的溫度控制電路方框圖，見圖3。

圖3 溫度控制電路方框圖

1.4 系統(tǒng)電路控制設(shè)計

系統(tǒng)的電路控制方框圖，見圖4。PID控制器將設(shè)定的溫度值信號送給溫度傳感器后，溫度傳感器把測量的溫度反饋給PID控制器，經(jīng)PID控制器計算比對，若沒有達(dá)到設(shè)定的溫度值，此時PID控制器將給開關(guān)穩(wěn)壓電源提供交流220 V輸入工作電壓，使開關(guān)穩(wěn)壓電源工作，從而半導(dǎo)體制冷片、散熱風(fēng)扇、吹冷風(fēng)扇得電工作，開始制冷。當(dāng)溫度傳感器把測量的溫度反饋給PID控制器，經(jīng)PID控制器計算比對，若達(dá)到設(shè)定的溫度值時，PID控制器將停止輸出，開關(guān)穩(wěn)壓電源、半導(dǎo)體制冷片、散熱風(fēng)扇、吹冷風(fēng)扇，即停止工作。

圖4 系統(tǒng)電路控制方框圖

2 試驗結(jié)果

將該系統(tǒng)與磁刺激線圈相連固定后，接通電源，在PID控制器上設(shè)置控制溫度為37℃。此時PID控制器上的實際溫度顯示25℃。打開經(jīng)顱磁治療儀，設(shè)定一個治療程序的所需時間20 min，并使之工作。當(dāng)設(shè)備工作到第3個治療程序的15 min時，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)開始運(yùn)行，PID控制器上的實際溫度顯示37.2℃。為了測試該系統(tǒng)的制冷效果和穩(wěn)定性，我們連續(xù)測試了30個治療程序共600 min，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)工作一直很穩(wěn)定，PID控制器上的實際溫度也保持在37℃。可見半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的制冷效果和溫度的精確控制，達(dá)到了我們設(shè)計要求。

3 討論

本設(shè)計采用帕爾貼效應(yīng)，采用半導(dǎo)體制冷片直接對經(jīng)顱磁刺激儀的磁刺激線圈進(jìn)行冷卻，能夠有效降低磁刺激線圈在使用過程中的溫度，且控制降低較好具有制冷效果好、安全可靠性高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，電路控制合理，采用的電子元器件在市場上都很容易找到，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)成本低廉的特點(diǎn)。本設(shè)計的缺點(diǎn)在于總加了磁刺激線圈的體積和重量，在治療時需要更大的支架固定。

經(jīng)顱磁刺激作為一種無創(chuàng)、無痛、安全可靠的神經(jīng)刺激技術(shù)在臨床已經(jīng)取得顯著成果，已經(jīng)越來越多地被國內(nèi)外各大醫(yī)院選用。TMS可通過不同頻率刺激對皮質(zhì)產(chǎn)生興奮或抑制作用,開辟了臨床應(yīng)用的新領(lǐng)域。精神疾病和神經(jīng)康復(fù)是目前我國醫(yī)療機(jī)構(gòu)重點(diǎn)研究和重視的課題，也是剛剛起步和迅速發(fā)展的趨勢[15]。特別是精神疾病和神經(jīng)康復(fù)目前物理治療手段還很少，經(jīng)顱磁刺激的應(yīng)用效果已經(jīng)得到了國內(nèi)外的證實，是目前中樞神經(jīng)康復(fù)的新途徑[16]。由于磁刺激線圈工作時會產(chǎn)生大量的熱量，會讓患者產(chǎn)生不適感，采用風(fēng)冷式的經(jīng)顱磁刺激儀因過熱保護(hù)而停機(jī)；采用液態(tài)制冷方式的經(jīng)顱磁刺激儀長期使用會出現(xiàn)漏液現(xiàn)象，容易對患者造成傷害。這些都是導(dǎo)致患者治療依從性降低的重要原因。為了滿足臨床的大量需求，需要儀器能夠長時間、不間斷地進(jìn)行工作。本研究所制作的冷卻裝置的制冷方式不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作、節(jié)能、無污染源、無旋轉(zhuǎn)部件，不產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，無滑動部件、采用固體片件，工作時無震動、底噪音，壽命長，維護(hù)成本較低。可以解決既能長時間、不間斷的工作，又能提高患者治療的舒適感，消除醫(yī)療風(fēng)險，提高患者的治療依從性，更好地為患者服務(wù)。

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本文編輯 袁雋玲

Design of Cooling System for High Frequency Transcranial Magnetic Therapeutic Apparatus

LI Xiang, HAN Yan,
GUO Ting-ting, ZHU Xiang-xiang the 4thPeople’s Hospital of Hefei, Hefei Anhui 230022, China

In order to effectively avoid the temperature shortcomings of the transcranial magnetic stimulation instrument coil in the course of treatment, this article attempts to design another stimulus part with automatic cooling function by adopting the Peltier effect. This stimulating part can control the temperature and continue to work stably, which can be used to effectively solve problems occurred in treatment process, such as it will be uncomfortable for human skin when the temperature of magnetic stimulation coil is over 38℃ and sometimes the apparatus will automatically shut down and terminate treatment due to coil overheat. This cooling device does not require any refrigerant, and can work for a long time without interruption. Meanwhile, it can make patients feel more comfort during treatment, eliminate medical risks and improve patient compliance so as to provide better services for patients.

transcranial magnetic; magnetic stimulation; magnetic field intensity; pulsed magnetic field; semiconductor; cooling system; magnetic stimulation coil

TH789

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.020

1674-1633(2017)01-0078-03

2016-03-11

2016-04-06

作者郵箱：sysbk20062006@163.com