工业设计论文发表基于Ansoft磁刺激线圈的仿真

　　在1895年，阿松瓦尔通过实验观察到时变磁场能够刺激神经。1977年，巴西特首次将刺激应用到人体实验，他将较低频电磁场对骨科临床治疗获得成功，受到广泛关注。1985年，巴克尔等研究人员通过小型线圈成功利用外部磁场成功刺激人体外部神经，这种刺激方法称之为(transcranial magnetic stimulation，TMS)。

　　摘要经颅磁刺激因其无创伤、非接触性等优点，在临床治疗和科学研究中得到广大的应用。为了优化线圈的设计，提高线圈的聚焦性，文章通过Ansoft软件对于不同绕法线圈进行仿真和分析，选择较为合适的线圈，未开发新型线圈提供理论实验基础。

　　关键词 工业设计论文发表,Ansoft,磁刺激,线圈仿真

　　目前经颅磁刺激因其无痛、非接触性刺激等优点，其广泛应用到大脑认知和神经系统疾病诊断领域，特别是重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS)在研究和治疗癫痫、脊髓损伤、抑郁症、神经性疼痛、帕金森病和脑卒中等临床疾病中发挥着重要的

　　作用。

　　经颅磁刺激仪器产生时变磁场方法很多，目前市场应用主要是，通过大电容将电能进行储存，再通过控制器经线圈进行放电，采用时变电流流经线圈产生脉冲磁场。其中磁刺激线圈设计对经颅磁刺激起的重要作用，其不同结构在空间产生磁场分布，决定着空间感应电场的分布，所以磁刺激的刺激聚焦性以及刺激深度成为当前经颅磁刺激发展的重要核心问题。本文对不同模型线圈通过仿真进行磁场分布分析，选择较为合适的模型应用到实际经颅磁刺激系统中[1]。

　　1 磁刺激感应电场的基本原理

　　基于著名的毕奥-萨法尔定律，计算导线通电后产生磁场强度。

　　(1)

　　式中：μ0=4π×10-7H/m，为真空磁导率，r为电流元至P点的距离，揭示出在真空中电流元产生的磁感强度dB。

　　2 磁刺激线圈设计与仿真

　　2.1 Ansoft简介

　　Ansoft软件是将不同场包括(电场、声场、磁场、结构分析)融于一体的大型通用有限元分析软件。Ansoft软件主要由三部分构成：第一模块，前处理模块主要通过建立实体模型和划分网格，可以快速地构建有限元模型;第二模块，分析计算模块可以进行电磁场的分析，模拟不同物理介质相互作用，具有数据优化分析和灵敏度分析功能;第三模块，后处理模块通过彩色等值线将计算分析结果显示，矢量显示和梯度显示，也可以通过曲线、图表形式显示或输出将计算结果。

　　Ansoft软件电磁场分析以麦克斯韦方程组作为出发点，此软件仿真计算的自由度主要是磁位或通量，其他的物理量可以由这些自由度导出。对于不同单元的类型和选项选定，Ansoft软件分析计算的自由度可以是矢量磁位、标量磁位或边界通量。

　　经颅磁刺激研发技术中，研究磁刺激聚焦性问题需要分析磁刺激线圈产生电磁场的空间域分布。对于圆形线圈，我们可以对线圈模型进行简化，采用解析计算的方法对圆形线圈产生的电磁场在空间域内分布进行计算，若是当各项非线性物理介质或者非特性物理介质存在空间域内时，解析法无法进行计算，所以分析复杂电磁场空间分布常用的方式是数值解法。本文采用Ansoft有限元电磁仿真软件对圆形线圈进行仿真电磁场分布，利用Ansoft中麦克菲尔三维可以构建复杂实体模型，本文选用三维瞬态磁场求解器对圆形线圈的仿真感应电场进分布。三维瞬态磁场求解器通过迭代网格单元运算的方法，实现的仿真和分析非线性物理介质模型目的。本分析方式将电流元作为基础单元的方式单独处理，电流源不需建立具体模型和进行有限元网格的划分，因而建模仿真更容易[2]。

　　2.2 Ansoft模型的建立

　　本文利用Ansoft软件进行线圈磁场分析的主要步骤为：

　　2.2.1 创建有限元模型

　　1)选择工程标题和项目名称。

　　2)设置单元类型。

　　3)设置材料属性。

　　4)建立有限元模型。

　　2.2.2 设置载荷和求解

　　1)设置分析选项和分析类型。

　　2)添加载荷，包括激励、约束边界条件等。

　　3)添加载荷步选项。

　　4)分析求解。