高频经颅磁治疗仪制冷系统的设计

李想，韩燕，郭婷婷，朱祥祥

合肥市第四人民医院 设备科，安徽合肥 230022

高频经颅磁治疗仪制冷系统的设计

李想，韩燕，郭婷婷，朱祥祥

合肥市第四人民医院 设备科，安徽合肥 230022

为了有效控制在治疗过程中经颅磁刺激仪的磁刺激线圈温度的缺点，本文尝试另一种思路，利用帕尔贴效应设计了一种具有自动冷却功能的刺激部。该刺激部温度可控、性能稳定、能持续工作，可以有效解决磁刺激仪在治疗过程中，因磁刺激线圈的温度高于38℃时，人体的皮肤将感到不适，以及线圈温度过高等导致仪器自动停机保护而终止治疗的问题。该冷却装置的制冷方式不需要任何制冷剂，既能长时间、不间断的工作，又能提高患者治疗的舒适感，消除医疗风险，提高患者的治疗依从性，更好地为患者服务。

经颅磁；磁刺激；磁场强度；脉冲磁场；半导体；制冷系统；磁刺激线圈

引言

经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）技术是在法拉第电磁感应原理和神经电生理学的基础上发展起来的技术[1-2]，利用脉冲磁场作用于中枢神经系统(主要是大脑)，改变皮层神经细胞的膜电位，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神经刺激技术，是一种无痛，无创伤的绿色治疗方法[3-4]。临床应用涉及精神心理领域的忧郁、幻听、神经耳鸣、焦虑、睡眠障碍、强迫症等疾病的治疗[5-6]；康复领域涵盖精神、神经损伤后的功能恢复治疗及认知、情绪等方面的治疗[7-8]；神经科领域涵盖神经损伤后的康复，帕金森、癫痫等疾病的治疗，以及儿科领域小儿脑瘫、肌张力异常等的治疗[9-10]。

高频经颅磁治疗仪在治疗过程中磁刺激线圈会产生大量的热量[11]，如何及时有效地降低磁刺激线圈温度，一直是此项技术发展的难题。因此，控制其稳定可靠的工作温度尤为关键，制冷系统的工作状态决定着TMS整台设备的运行状态，制冷系统是决定TMS系统性能和稳定性的重要组成部分[12]。

目前，国内外的高频经颅磁治疗仪主要采用风冷冷却技术和惰性液态内循环制冷技术[13]，而这两种制冷技术存在各自的缺点。其中，风冷冷却方式冷却温度不稳定且不可控制，冷却效果较差，惰性液态内循环制冷结构复杂，后期的维护成本较高(每两年更换一次惰性液体)，存在漏液风险，安全性低。

针对现有磁场刺激器冷却效果差、使用成本高、结构复杂的技术难题，我们利用半导体制冷的原理设计了一种具有自动冷却功能的刺激部，并进行了相应的实验，取得了较好的效果。

1 材料与方法

1.1 材料

PID（XCV3/TZL-5005）控制器1个，CU50热敏电阻温度传感器1个，12 V、40 A多路输出开关稳压电源1个，TEC1-12706 12 V、6 A半导体制冷片3个，隔热垫1块，12 V、18 A散热风扇2个，12 V、12 A吹冷风扇3个，槽型散热片1个，双槽型导冷块1块，磁刺激线圈组，导线若干。

1.2 半导体制冷的基本原理

采用帕尔贴效应，当外加的直流电流流过由两种不同材料组成的封闭回路时，在其两端将产生吸热或发热现象，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度下降，热端温度上升[14]。帕尔贴效应示意图，见图1。

图1 帕尔贴效应示意图

系统的结构设计图，见图2。半导体制冷系统的工作原理是：当给半导体制冷片加上直流电源使其工作后，半导体片的发热面温度升高，并将热量传导给槽型散热片进行散热，槽型散热块上的散热槽在散热风扇工作时，能够形成负压气流，增加气流流速，从而提高槽型散热片的散热效率，及时有效地降低半导体制冷片发热面的温度；与此同时半导体制冷面温度迅速降低，并使导冷块的温度随之迅速下降，双槽型制冷块底面上的制冷风道凹槽在吹冷风扇工作时，能够形成负压气流，增加冷空气的传递速度和效率，并及时将冷风吹送给磁刺激线圈，从而降低磁刺激线圈的温度，达到制冷的目的。

图2 系统结构简图

1.3 系统的温度控制设计

本系统的温度控制对象是磁刺激线圈。系统温度控制采用PID控制，PID控制器是一种比例、积分、微分并联负反馈控制[15]。通过按键输入磁刺激线圈的工作温度设定值，高灵敏度的热敏电阻温度传感器所测量的温度信号，经PID（CPU）的A/D口进行A/D转换，处理器将所测量温度值送到LCD液晶屏显示，同时将其与按键设定的温度值进行比较，将差值进行PID处理后通过PWM脉冲调制控制功率输出电路，实现对半导体制冷器温度的精确控制，从而构成实时闭环温度控制系统。系统的温度控制电路方框图，见图3。

图3 温度控制电路方框图

1.4 系统电路控制设计

系统的电路控制方框图，见图4。PID控制器将设定的温度值信号送给温度传感器后，温度传感器把测量的温度反馈给PID控制器，经PID控制器计算比对，若没有达到设定的温度值，此时PID控制器将给开关稳压电源提供交流220 V输入工作电压，使开关稳压电源工作，从而半导体制冷片、散热风扇、吹冷风扇得电工作，开始制冷。当温度传感器把测量的温度反馈给PID控制器，经PID控制器计算比对，若达到设定的温度值时，PID控制器将停止输出，开关稳压电源、半导体制冷片、散热风扇、吹冷风扇，即停止工作。

图4 系统电路控制方框图

2 试验结果

将该系统与磁刺激线圈相连固定后，接通电源，在PID控制器上设置控制温度为37℃。此时PID控制器上的实际温度显示25℃。打开经颅磁治疗仪，设定一个治疗程序的所需时间20 min，并使之工作。当设备工作到第3个治疗程序的15 min时，半导体制冷系统开始运行，PID控制器上的实际温度显示37.2℃。为了测试该系统的制冷效果和稳定性，我们连续测试了30个治疗程序共600 min，半导体制冷系统工作一直很稳定，PID控制器上的实际温度也保持在37℃。可见半导体制冷系统的制冷效果和温度的精确控制，达到了我们设计要求。

3 讨论

本设计采用帕尔贴效应，采用半导体制冷片直接对经颅磁刺激仪的磁刺激线圈进行冷却，能够有效降低磁刺激线圈在使用过程中的温度，且控制降低较好具有制冷效果好、安全可靠性高、稳定性好等特点。本设计结构简单，电路控制合理，采用的电子元器件在市场上都很容易找到，具有结构简单、维护成本低廉的特点。本设计的缺点在于总加了磁刺激线圈的体积和重量，在治疗时需要更大的支架固定。

经颅磁刺激作为一种无创、无痛、安全可靠的神经刺激技术在临床已经取得显著成果，已经越来越多地被国内外各大医院选用。TMS可通过不同频率刺激对皮质产生兴奋或抑制作用,开辟了临床应用的新领域。精神疾病和神经康复是目前我国医疗机构重点研究和重视的课题，也是刚刚起步和迅速发展的趋势[15]。特别是精神疾病和神经康复目前物理治疗手段还很少，经颅磁刺激的应用效果已经得到了国内外的证实，是目前中枢神经康复的新途径[16]。由于磁刺激线圈工作时会产生大量的热量，会让患者产生不适感，采用风冷式的经颅磁刺激仪因过热保护而停机；采用液态制冷方式的经颅磁刺激仪长期使用会出现漏液现象，容易对患者造成伤害。这些都是导致患者治疗依从性降低的重要原因。为了满足临床的大量需求，需要仪器能够长时间、不间断地进行工作。本研究所制作的冷却装置的制冷方式不需要任何制冷剂，可连续工作、节能、无污染源、无旋转部件，不产生回转效应，无滑动部件、采用固体片件，工作时无震动、底噪音，寿命长，维护成本较低。可以解决既能长时间、不间断的工作，又能提高患者治疗的舒适感，消除医疗风险，提高患者的治疗依从性，更好地为患者服务。

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本文编辑 袁隽玲

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

作者邮箱：sysbk20062006@163.com