一种经颅磁刺激仪主机及其驱动电路

1.本技术实施例涉及经颅磁刺激技术领域，特别涉及一种经颅磁刺激仪主机及其驱动电路。


背景技术：

2.经颅磁刺激技术(transcranial magnetic stimulation，tms)是生物医学和电磁学的交叉技术。生物体的生物组织和器官中因所含的微量元素和蛋白有顺磁性和导电性，将生物组织置于足够大的时变磁场中，生物组织中会产生感应电动势，当它与细胞膜电位叠加并积累到一定程度时，便会诱发神经冲动，进而调节生物体的相关生理功能。
3.经颅磁刺激仪便是产生这一时变磁场的设备，临床证明，经颅磁刺激仪对于治疗诸多神经性疾病有积极的效果，特别是对抑郁症有显著的疗效。现有的经颅磁刺激仪通常由主机和刺激线圈这两部分组成，当前市面上的经颅磁刺激仪的主机存在体积大、质量重的缺点，因此导致经颅磁刺激仪普遍存在占地面积大、搬运困难的问题。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种经颅磁刺激仪主机及其驱动电路，减小经颅磁刺激仪主机的体积和重量，以实现经颅磁刺激仪的便携化。
5.为解决上述技术问题，本技术的实施例提供了一种经颅磁刺激仪主机，包括第一电路板、第二电路板、第三电路板和第四电路板，第一电路板用于设置整流电路模块和升压电路模块；第二电路板用于设置刺激电路模块；所述刺激电路模块包括储能电容和第一输出开关；第三电路板用于设置控制电路模块；第四电路板用于设置第一输出开关的辅助驱动电路；所述储能电容和所述第一输出开关均通过所述第二电路板与刺激线圈连接；所述第一电路板分别与所述第二电路板、所述第三电路板、所述第四电路板连接。
6.另外，所述第二电路板上设有连接端子，所述连接端子朝向所述第二电路板的一端与所述第二电路板固定连接，所述连接端子背离所述第二电路板的一端与所述刺激线圈连接。
7.另外，所述第四电路板设置在所述第二电路板在水平方向上远离所述第三电路板的一侧。
8.另外，所述第一电路板设置在所述第三电路板的下方，且所述第一电路板与所述第二电路板通过第一连接器连接，所述第一电路板与所述第三电路板通过第二连接器连接。
9.另外，所述第一电路板上设有第一插接件，所述第四电路板上设有第二插接件，所述第一插接件与所述第二插接件通过线束连接。
10.另外，上述经颅磁刺激仪主机还包括散热底座；所述散热底座位于所述第一电路板、所述第二电路板、所述第三电路板、所述第四电路板的下方。
11.本技术实施例还提供了一种经颅磁刺激仪主机的驱动电路，包括整流电路模块、
控制电路模块、升压电路模块和刺激电路模块；整流电路模块用于接收来自电源端提供的供电电压，对所述供电电压进行整流升压以输出第一电压，对所述供电电压进行整流降压以输出第二电压；控制电路模块用于接收所述第二电压为自身供电，并接收来自上位机的磁刺激触发指令以输出充电控制信号和放电控制信号；升压电路模块用于接收所述第一电压，在接收到所述充电控制信号时对所述第一电压进行升压以输出第三电压；刺激电路模块，所述刺激电路模块包括储能电容；所述刺激电路模块用于接收所述第三电压以对所述储能电容进行充电，在接收到所述放电控制信号时所述储能电容对刺激线圈进行放电。
12.另外，所述刺激电路模块还包括第一输出开关，所述储能电容的输出端通过所述第一输出开关与所述刺激线圈连接；所述第一输出开关的输入端还与所述控制电路的放电控制信号输出端连接。
13.另外，所述升压电路模块包括全桥谐振电路和第二输出开关，所述全桥谐振电路的第一输入端与所述整流电路模块的升压输出端连接，所述全桥谐振电路的第二输入端与所述控制电路模块的充电控制信号输出端连接，所述全桥谐振电路的输出端通过所述第二输出开关与所述储能电容连接。
14.另外，所述控制电路模块和所述上位机通信连接；所述控制电路模块用于向所述升压电路模块输出所述充电控制信号，以及向所述刺激电路模块输出所述放电控制信号。
15.与现有技术相比，本技术实施例提供的技术方案具有以下优点：
16.本技术实施例针对现有的经颅磁刺激仪主机体积大、质量重的缺陷，通过对经颅磁刺激仪主机的驱动电路方面和硬件部件结构方面进行改进，以得到一种体积小、重量小的紧凑型经颅磁刺激仪主机，实现经颅磁刺激仪的便携化。
17.本技术实施例提供的经颅磁刺激仪主机的结构包括多个电路板和经颅磁刺激仪主机的驱动电路，且电路板布置为层叠结构，通过板对板连接器将各个电路板连接，板对板连接器既作为电流通路也作为支撑结构，有效利用了空间，减小了主机的重量和体积，同时缩短了电流传输路径，减少了电压损耗和电磁干扰。
18.此外，本技术实施例提供的经颅磁刺激仪主机的驱动电路包括四部分模块，分别为整流电路模块、升压电路模块、刺激电路模块和控制电路模块，通过各模块与外部刺激线圈组合以实现回路双向脉冲电流流通和能量回收，简化了电路结构。本技术实施例的经颅磁刺激仪主机及其驱动电路，结构紧凑，具有体积小、重量小的优势，且主机携带方便，成本低，适合于小医院、诊所、家庭等应用场所，也可用于与其他疗法联合诊断或动物实验等应用场景。
附图说明
19.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定。
20.图1是本技术一实施例提供的经颅磁刺激仪主机的结构示意图；
21.图2是本技术一实施例提供的经颅磁刺激仪主机的驱动电路的模块图；
22.图3是本技术一实施例提供的升压电路模块中第二输出开关的驱动电路的模块图；
23.图4是本技术一实施例提供的升压电路模块中第二输出开关的驱动电路的电路
图。
具体实施方式
24.由背景技术可知，当前市面上的经颅磁刺激仪的主机存在体积大、质量重的缺点，因此导致经颅磁刺激仪普遍存在占地面积大、搬运困难的问题。
25.分析发现，现有的经颅磁刺激仪的主机内部结构复杂，电路板元器件以及结构支撑件较多，导致经颅磁刺激仪的主机的体积很大，占地面积较大，主机的体积通常达到40l以上。经颅磁刺激仪的主机的质量也很大，通常达到30kg以上，导致经颅磁刺激仪的主机搬运非常困难。
26.针对这一技术问题，本技术实施例通过在经颅磁刺激仪主机的驱动电路方面和硬件部件结构方面进行改进，以克服经颅磁刺激仪主机体积大、质量重的缺陷。
27.参看图1，本技术实施例还提供了一种经颅磁刺激仪主机，包括第一电路板1、第二电路板2、第三电路板3和第四电路板4；所述第一电路板1用于设置整流电路模块101和升压电路模块102，所述第二电路板2用于设置刺激电路模块103，所述刺激电路模块103包括第一输出开关21和储能电容22；所述第三电路板3用于设置控制电路模块104；所述第四电路板4用于设置所述第一输出开关21的辅助驱动电路；所述第一输出开关21和所述储能电容22均通过第二电路板2与刺激线圈连接；所述第一电路板1分别与所述第二电路板2、所述第三电路板3、所述第四电路板4连接。
28.请继续参看图1，在一些实施例中，第一电路板1为整流电路与升压电路的电路板，用于设置整流电路模块101和升压电路模块102；第二电路板2为接口电路板，第二电路板2是刺激电路模块103的第一输出开关21、储能电容22与刺激线圈互联的载体。第四电路板4为第一输出开关21的辅助驱动电路板，用于设置第一输出开关21的辅助驱动电路。本技术实施例的经颅磁刺激仪主机还包括壳体10，第一电路板1、第二电路板2、第三电路板3和第四电路板4均设置在壳体10内部，其中，第二电路板2和第三电路板3平行设置，且第三电路板3位于第一电路板1的上方，第四电路板4可设置第一输出开关21的旁侧，且第四电路板4与第一电路板1连接。储能电容22设置在第二电路板2上，第二电路板2远离储能电容22的一侧设置第一输出开关21，第一输出开关21采用大功率igbt(内含续流二极管)，第一输出开关21的顶部与第二电路板2的底部通过连接件连接，所述连接件可以为螺栓、螺母等连接部件。第二输出开关11设置在第一电路板1远离第三电路板3的一侧，第二输出开关11采用小功率igbt，第二输出开关11靠近第一电路板1的一侧与第一电路板1固定连接，具体的，可以采用焊接等固定连接方式。
29.在一些实施例中，所述第二电路板2上设有连接端子23，所述连接端子23朝向所述第二电路板2的一端与所述第二电路板2固定连接，所述连接端子23背离所述第二电路板2的一端与所述刺激线圈连接。
30.如图1所示，所述连接端子23可设置多个，连接端子23为pcb连接端子。连接端子23的一端与第二电路板2焊接，另一端与外部刺激线圈连接。即第二电路板2与外部刺激线圈通过焊接在第二电路板2上的连接端子23相连，这种互联方式无需额外的支撑结构件，也无需铜排，有助于减小主机的重量和体积。
31.如图1所示，在一些实施例中，所述第四电路板4设置在所述第二电路板2在水平方
向上远离所述第三电路板3的一侧。
32.在一些实施例中，所述第一电路板1设置在所述第三电路板3的下方，且所述第一电路板1与所述第二电路板2通过第一连接器12连接，所述第一电路板1与所述第三电路板3通过第二连接器13连接。
33.在一些实施例中，第四电路板4为igbt驱动电路板，用于辅助第一输出开关21工作。第四电路板4设置在第二电路板2在水平方向上远离第三电路板3的一侧，也就是说，第四电路板4和第三电路板3分别设置在第二电路板2的水平方向的两侧。如图1所示，第一电路板1设置在第三电路板3的下方，第二电路板2、第三电路板3和第四电路板4平行设置且第二电路板2、第三电路板3和第四电路板4的上表面或下表面齐平。第四电路板4的靠近第一输出开关21的侧面与第一输出开关21贴合接触，且第四电路板4的靠近第一输出开关21的侧面与第一输出开关21通过螺栓连接。
34.如图1所示，第一连接器12和第二连接器13均为板对板连接器，板对板连接器既可以作为两个电路板之间的信号通路，还对电路板起到支撑作用。为了方便布置第一连接器12，第一电路板1靠近第二电路板2一侧伸出第三电路板3靠近第二电路板2一侧，也就是说，所述第二电路板2靠近第一电路板1的一侧在第一电路板1上的正投影与第一电路板1具有重叠区域，第一连接器12布置在此重叠区域内，用于实现第一电路板1和第二电路板2的连接。第二连接器13可以设置在第三电路板3靠近第二电路板2一侧的端部，用于实现第三电路板3和第一电路板1的连接。
35.具体的，第一电路板1(整流与升压电路板)与第二电路板2(接口电路板)通过第一连接器12相连，这种互联方式使第一连接器12既作为电流通路，也作为部分支撑第二电路板2，减小了主机的重量和体积。同样的，第一电路板1与第三电路板3(控制电路板)通过第二连接器13相连，这种互联方式使第二连接器13既作为电流通路，也作为部分支撑第三电路板3，同样减小了主机的重量和体积。
36.如图1所示，第三电路板3上还设置有第三连接器31，第三连接器31用于第三电路板3与上位机连接。第三电路板3通过第三连接器31与外部的上位机进行信息交互，即第三电路板3采集系统的温度、电压等模拟信号，监控系统的运行状态，并将相关数据上传至上位机。
37.在一些实施例中，所述第一电路板1上设有第一插接件14，所述第四电路板4上设有第二插接件41，所述第一插接件14与所述第二插接件41通过线束连接。
38.如图1所示，第一插接件14设置在第一电路板1远离第三电路板3的一侧，第二插接件41设置在第四电路板4的上侧边缘处，第一插接件14与第二插接件41通过线束连接，以实现第一电路板1和第四电路板4的连接。
39.在一些实施例中，上述经颅磁刺激仪主机还包括散热底座5；所述散热底座5位于所述第一电路板1、所述第二电路板2、所述第三电路板3的下方。
40.如图1所示，第一电路板1通过支架设置在散热底座5的上方，第一电路板1的下表面与散热底座5的上表面之间留有空隙。第二输出开关11设置在第一电路板1的下表面，且第二输出开关11的底面与散热底座5接触。同样的，第一输出开关21设置在第二电路板2的下表面，且第一输出开关21的底面与第二输出开关11的底面均与散热底座5的上表面紧密贴合，以保证散热底座5对第一输出开关21和第二输出开关11的散热效果。
41.在一些实施例中，散热底座5的材质为铝或硅等散热材质。散热底座5上可开设多个散热通孔，增强散热效果。
42.本技术实施例提供一种紧凑型的经颅磁刺激仪主机，通过对经颅磁刺激仪主机的结构进行简化，将各电路模块设置在电路板上，并合理布置各电路，简化主机结构，从而减小了经颅磁刺激仪主机的体积和质量。本技术实施例提供的紧凑型的经颅磁刺激仪主机具有体积小、重量小的优势，体积约为5l，质量约为5kg，实现了经颅磁刺激仪的便携化；与此同时，本技术实施例提供的经颅磁刺激仪主机的磁刺激强度可达0.9t以上。因经颅磁刺激仪主机结构紧凑，且体积小、重量小，因此本技术提供的经颅磁刺激仪主机不仅成本低，还携带方便，适合于小医院、诊所、家庭等应用场所，也可用于与其他疗法联合诊断或动物实验等应用场景。
43.参见图2，本技术实施例还提供一种经颅磁刺激仪主机的驱动电路，包括：整流电路模块101、升压电路模块102、刺激电路模块103和控制电路模块104；整流电路模块101用于接收来自电源端提供的供电电压，对所述供电电压进行整流升压以输出第一电压，对所述供电电压进行整流降压以输出第二电压；控制电路模块104用于接收所述第二电压为自身供电，并接收来自上位机的磁刺激触发指令以输出充电控制信号和放电控制信号；升压电路模块102用于接收所述第一电压，在接收到所述充电控制信号时对所述第一电压进行升压以输出第三电压；所述刺激电路模块103包括储能电容22；所述刺激电路模块103用于接收所述第三电压以对所述储能电容22进行充电，在接收到所述放电控制信号时所述储能电容22对刺激线圈进行放电。
44.需要说明的是，本技术实施例提供的经颅磁刺激仪主机的驱动电路可应用于本技术实施例提供的上述经颅磁刺激仪主机，本技术实施例不仅对主机结构进行简化，还对主机的驱动电路进行简化，使得经颅磁刺激仪主机的结构更近紧凑，从而实现经颅磁刺激仪主机的轻巧化和便携化。
45.如图2所示，本技术实施例提供的经颅磁刺激仪主机的驱动电路包括四部分模块，分别为整流电路模块101、升压电路模块102、刺激电路模块103和控制电路模块104，通过各模块与外部刺激线圈组合以实现回路双向脉冲电流流通和能量回收，简化了电路结构。具体的，整流电路模块101将电源端提供的供电电压进行整流升压以输出第一电压，即将220v交流电转换为310v左右的直流电(第一电压)，然后经升压电路模块102将第一电压进行升压以输出第三电压，即升压电路模块102将310v左右的直流电升压至1000v以上。然后给储能电容22充电，当储能电容22充电完毕后，再在受控的模式给外部刺激线圈放电，刺激线圈会在目标区域产生时变磁场，达到磁刺激的目的。
46.需要说明的是，整流电路模块101对供电电压进行整流降压输出的第二电压为控制电路模块104提供电源。控制电路模块104与上位机进行信息交互，控制电路模块104接收上位机输出的磁刺激触发指令，按一定时序生成充电控制信号和放电控制信号，用于控制相关高压电路工作。
47.在一些实施例中，所述刺激电路模块103还包括第一输出开关21，所述储能电容22的输出端通过所述第一输出开关21与所述刺激线圈连接；所述第一输出开关21的输入端还与所述控制电路的放电控制信号输出端连接。
48.在一些实施例中，第一输出开关可以采用大功率的绝缘栅双极型晶体管
(insulated gate bipolar transistor，简称igbt)。当储能电容22充电完毕后，刺激电路模块103在接收到控制电路模块104的放电控制信号时，储能电容22通过第一输出开关21向外部刺激线圈放电使磁刺激发生，储能电容22与外部刺激线圈工作在谐振状态，这样既能使经颅磁刺激仪器输出双向的刺激脉冲，又能回收线圈的剩余能量，且电路结构简单，适用于紧凑型的磁刺激仪器。
49.在一些实施例中，所述升压电路模块102包括全桥谐振电路和第二输出开关11，所述全桥谐振电路的第一输入端与所述整流电路模块101的升压输出端连接，所述全桥谐振电路的第二输入端与所述控制电路模块104的充电控制信号输出端连接，所述全桥谐振电路的输出端通过所述第二输出开关11与所述储能电容22连接。
50.在一些实施例中，全桥谐振电路为全桥lc串联谐振拓扑，全桥lc串联谐振拓扑具有效率高、恒流输出的特性，适合给高压电容充电，且全桥谐振电路能够对第一电压进行升压以输出1000v以上的第三电压对储能电容22充电。为了避免刺激电路工作时储能电容22电压极性反转而发生短路，通常在全桥谐振电路和储能电容22之间设置第二输出开关11。
51.在一些实施例中，第二输出开关11可以采用小功率的绝缘栅双极型晶体管igbt。第二输出开关11采用自控制驱动电路，大大减少了辅助的元器件和电路板的面积。如图3所示，第二输出开关11的自控制驱动电路包括：预充电模块111、导通控制模块112、断开控制模块113和开关模块114，图3中开关q为第二输出开关。所述预充电模块111的输入端与电源输出端连接，所述导通控制模块112的输入端与所述预充电模块111的输出端连接，所述断开控制模块113的输入端与所述预充电模块111的输出端连接，主开关模块114的控制输入端与导通控制模块112的输出端连接，主开关模块114的功率输入端与电源输出端连接，主开关模块的输出端与待充电电容连接。
52.参见图3，预充电模块111为预充电电路，储能电容22为高压电容c，在第二输出开关11(开关q)达到开通条件之前，预充电电路中的预充电电容会被先充电，待预充电电容充满电后将被用作开关q的驱动电源。导通控制模块112为开关q的开通控制电路，当预充电电容的电压达到一定阈值后，预充电电容会被接通至开关q的门极，从而实现开关q的开通。断开控制模块113为开关q的断开控制电路，断开延时时间可设置为高压电容c充满电的时间，延时时间结束时，会将预充电电容的电荷迅速放掉，从而断开开关q。
53.参见图4，为图3中升压电路中第二输出开关的驱动电路的模块图所对应的电路图。在开关q达到开通条件之前，预充电电路中的预充电电容c2会被先充电，待预充电电容c2充满电后，将充电电容c2用作开关q的驱动电源，为开关q供电。当预充电电容c2的电压达到一定阈值后，预充电电容c2才会被接通至开关q的门极，从而开通开关q。断开控制模块113为主开关断开控制电路，断开延时时间可设置为高压电容c充满电的时间，延时时间结束时，会将预充电电容c2的电荷迅速放掉，从而断开开关q。电容c1与预充电电容c2在同一时刻开始充电，当电容c1的电压充至三极管q1的导通阈值时，三极管q1开始导通，接着三极管q2也导通，电流经由三极管q2对电容c1快速充电，电容c1的电压快速上升，使三极管q1快速进入饱和导通状态，从而将预充电电容c2的电荷经由电阻r2、三极管q1快速释放掉，当预充电电容c2放电至足够低时，开关q便会断开。
54.由此，第二输出开关11的自控制驱动电路不仅简化了电路中元件的类型和数量，还减少了电路的体积，有利于系统的小型化，从而使经颅磁刺激仪主机的设计更为紧凑，减
小主机的体积和重量，有利于实现经颅磁刺激仪主机的便携化。
55.在一些实施例中，所述第一输出开关21和/或所述第二输出开关11包括绝缘栅双极型晶体管。
56.具体的，第一输出开关21采用大功率igbt，磁刺激发生时，储能电容22与外部刺激线圈工作在谐振状态，使经颅磁刺激仪器输出双向的刺激脉冲，又能回收线圈的剩余能量。第二输出开关11采用小功率igbt的自控制驱动电路，减少辅助的元器件和电路板的面积。
57.在一些实施例中，所述控制电路模块104和所述上位机通信连接；所述控制电路模块104用于向所述升压电路模块102输出所述充电控制信号，以及向所述刺激电路模块103输出所述放电控制信号。
58.参见图2，控制电路模块104接收外部磁刺激触发指令，按一定时序生成充电控制信号和放电控制信号，分别用来控制升压电路模块102和刺激电路模块103的工作。与此同时，控制电路模块104采集系统的温度、电压等模拟信号，监控系统的运行状态，并将相关数据上传至上位机。
59.由此，本技术实施例提供的经颅磁刺激仪主机的驱动电路包括四部分模块，分别为整流电路模块101、升压电路模块102、刺激电路模块103和控制电路模块104，通过各模块与刺激线圈组合以实现回路双向脉冲电流流通和能量回收，简化了电路结构。本技术实施例通过第二输出开关11、储能电容22、第一输出开关21(内含续流二极管)与外部刺激线圈组合来实现回路双向脉冲电流流通和能量回收，并且第二输出开关11采用了自控制的开关方式，通过对经颅磁刺激仪主机的驱动电路进行简化，在保留经颅磁刺激仪最主要的双向波rtms刺激功能的同时，显著减小了经颅磁刺激仪主机的电路体积和重量。
60.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本技术的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。