本发明涉及一种基于三载波无线控制的无源阵列式微磁刺激装置的设计方法，以三载波传输为例进行理论分析，将三频率的mfrc补偿网络化简为两频率的mfrc补偿网络，简化了计算过程，通过mfrc补偿网络，保证在三载波信号同时传输时，发射回路虚部阻抗为零，大大降低了对功率的需求，为植入式多靶向协同刺激的微磁刺激器的设计提供了重要的理论基础。
背景技术：
1、无源微磁刺激器(micro-magnetic stimulation，μms)是由外部发射线圈和内部微线圈组成，其采用无线电能传输技术，将发射线圈的输出功率耦合到微线圈上，并产生磁场，由于微线圈尺寸小，可植入到目标靶点附近实现精确的磁刺激。目前针对微磁刺激器的研究主要集中在有源μms装置上，2016年，rizou等人首次提出了一种基于平面方形螺旋线圈的6×6阵列式微线圈，但需要单独引出36根导线对每个线圈供电，2019年，minusa等人设计了一款基于亚毫米线圈(型号：elj-rfr10jfb)的阵列μms装置，提出了一种空间分布稀疏算法，实现在不移动装置的情况下对刺激形状和位置的定向选择，同时证明了阵列μms比单线圈μms产生更有效的磁刺激，2022年，田等人研究了基于亚毫米平面方螺旋线圈的4×4阵列结构微线圈电磁场空间分布的规律，研究了不同方向的电流对阵列微线圈电磁场强度和聚焦区的影响，结果表明阵列结构微线圈提高了磁刺激的聚焦性。上述研究表明有源μms装置均采用有线源供电，阵列结构微线圈能提高磁刺激的聚焦性和有效性，电气线路的存在增加了电路结构的复杂性，并在一定程度上影响μms的精准靶向定位。
2、无源微磁刺激器具有体积更小更轻，控制更加方便灵活的优点。2017年，mirbozorgi等人提出了一种采用3级链路结构植入脑内的神经电磁刺激器，接收能量线圈的尺寸为1mm×1mm，但该线圈仅用于对电刺激探针的供电，2021年，nurmikko等人研制了一款基于电磁感应耦合wpt供电方式的微米级“神经颗粒”，接收电量的线圈采用田字格结构，同时为多个电刺激探针供电，但不能实现对多刺激靶点采用不同频率的同步电刺激。上述研究表明，现有无源μms装置均为3级链路结构，接收线圈仅为回路负载供给能量，还不具备“能量接收+微磁刺激”的双重功能，同时也不能实现外部线圈对内部多目标靶点的无线自由控制。
3、因此，针对上述问题，本发明开发出一款多点协同、控制灵活、靶向性强的无源阵列式微磁刺激装置，实现外部发射线圈对内部阵列线圈的无线控制。
技术实现思路
1、本发明提出了一种三载波无线控制的无源阵列式微磁刺激装置的设计，通过建立三载波谐振补偿网络的无源阵列式μms理论模型，仿真研究发射和接收回路的设计参数，根据理论模型和工作参数完成装置的搭建，实现外部发射线圈对内部阵列线圈的无线自由控制。发明技术方案是：
2、基于三载波无线控制的无源阵列式微磁刺激装置的设计，其特征在于，包括三载波谐振补偿网络参数的确定、装置的设计、工作参数的确定和实验验证，方法如下：
3、(1)三载波谐振补偿网络参数的确定
4、无源阵列式微磁刺激装置主要由发射回路和接收回路组成，三载波谐振补偿网络参数的确定过程为：
5、a.发射回路采用三载波谐振补偿网络，补偿网络由电容cp1，并联的电感lp2、电容cp2，和并联的电感lp3、电容cp3三部分串联组成，如图1所示，可实现三载波同时传输，设计实现8mhz、10mhz和13mhz三载波同时传输；
6、其中：
7、
8、
9、b.定义中间变量rl＝lp1/lp2，rc＝cp1/cp2，根据公式(1)(2)，谐振频率f1＝8mhz和f2＝10mhz的计算公式为：
10、
11、
12、c.定义rf＝f2/f1＝1.25，公式(4)除以公式(3)，并将rf，公式(1)和(2)代入商的表达式，得到cp1和cp2之比，即rc为：
13、
14、为保证rc存在两个数值，用于消除发射回路电路总阻抗zp的虚部，rl的取值满足如下不等式：
15、
16、发射线圈lp1的电感量为2.42μh，根据公式(6)，取rl的值为24.2，根据rl的取值，确定，电感lp2＝0.1μh；根据公式(5)确定rc＝0.0479，将rc代入公式(3)确定将代入公式(1)确定cp1＝141pf，最后确定cp2＝2.94nf；
17、在上述理论的基础上，将三频率的mfrc补偿网络化简为两频率的mfrc补偿网络，如图2所示，即lp1cp1等效为电感le，lp2cp2等效为电感ce；
18、
19、根据公式(7)计算出le＝622nh，ce＝36pf；其中，取fe＝10mhz，此时发射回路虚部总阻抗为：
20、
21、其中ωi(i＝e，3)分别表示fe和f3时的谐振角频率。当公式(8)为零时，代入fe、f3、le和ce；求解出cp3＝326pf，lp3＝470nh；通过上述mfrc补偿网络，在8mhz，10mhz和13mhz三载波功率传输时，发射回路虚部阻抗为零，大大降低了对功率的需求，理论上无功功率为零。上述公式的推导原理同样适用于更多频率补偿网络，重复上述的计算过程，可以计算多个谐振补偿网络下的电感和电容参数。
22、(2)装置的设计
23、无源阵列式μms装置主要由发射回路和接收回路组成：
24、发射回路主要包括：信号源(rigoldg4102，普源，中国)、功率放大器(fpa301，feelelec，中国)、多频率谐振补偿网络和发射线圈；
25、发射线圈的设计：由于发射线圈μh量级的电感在mhz/ghz的传输频率下，虚部感抗数值本身较大，但为了实现对阵列微线圈的多靶点无线调控，在发射回路同时传输三载波信号，不同频率下回路感抗数值叠加，发射电路总感抗将更大。因此，在发射回路采用mfrc补偿网络实现多载波谐振补偿，实现虚部阻抗理论上为零，大大降低了发射回路总阻抗zp的功率需求。发射线圈套在脑片培养玻璃器皿电极外，根据玻璃电极器皿的尺寸确定发射线圈选用直径为25mm，高度为5mm的圆形螺旋线圈。在发射线圈的结构设计中，要保证发射线圈工作频率小于其自身固有频率，其在工作频率范围内呈现感性；在研究中发现发射线线圈采用双层结构，自身固有频率在9mhz左右，为了提高其自身固有频率，减小发射线圈的层数，最后，确定射线圈线径选择0.7mm，匝数设计为7匝，电感量为2.4μh。在确定lp1结构和电感量后，根据(1)三载波谐振补偿网络参数的确定章节中的理论公式，计算lp2、lp3，cp2、cp3。
26、接收回路主要包括：3个单线圈组成的阵列结构微线圈，每个单线圈为4层结构，其中top层、mid1层，mid2层每层为线宽110μm，线间距70μm，匝数4匝的平方面方形螺旋线圈，三层串联，bottom层放置谐振电容，型号为rf0402；单线圈电感量为301nh，为了保证单线圈谐振频率分别为8mhz、10mhz和13mhz，谐振电容取值分别为1.32nf，845pf，500pf。
27、(3)工作参数的确定
28、采用comsol有限元建立无源阵列式微磁刺激装置的仿真模型，基于comsol仿真模型和微磁刺激条件：
29、a.发射线圈中间5mm×5mm区域产生的磁场强度小于有效磁刺激的阈值0.5mt；
30、b.阵列微线圈中单线圈与发射线圈通入信号频率相同时，谐振单线圈所在区域磁场强度大于0.5mt，未谐振单线圈所在区域的磁场强度小于0.5mt；
31、确定无源阵列式微磁刺激装置的工作参数为8mhz/0.7a，10mhz/0.7a，13mhz/0.7a，磁场强度分布如图3所示。
32、(4)实验验证
33、根据上述确定的无源阵列式微磁刺激装置的结构参数和工作参数，搭建了测试平台，实验结果为：
34、a.无源阵列式微磁刺激装置工作参数为8mhz/0.7a时，8mhz，10mhz和13mhz单线圈产生的磁场强度分别为0.58mt，0.23mt和0.34mt；
35、b.无源阵列式微磁刺激装置工作参数为10mhz/0.7a时，8mhz，10mhz和13mhz单线圈产生的磁场强度分别为0.13mt，0.65mt和0.34mt；
36、c.无源阵列式微磁刺激装置工作参数为13mhz/0.7a时，8mhz，10mhz和13mhz单线圈产生的磁场强度分别为0.13mt，0.23mt和0.85mt；
37、d.无源阵列式微磁刺激装置工作参数为8mhz+10mhz+13mhz三个频率信号混频，电流强度为0.7a时，8mhz，10mhz和13mhz单线圈产生的磁场强度分别为0.58mt，0.65mt和0.85mt，如图4所示，单线圈中感应电流测量值和感应电流的comsol建模值误差分别为5.09％、9.61％和10.61％。
38、本发明的优点和积极效果是：
39、本发明描述了一种基于三载波无线控制的无源阵列式微磁刺激装置设计方法，其设计可以实现外部线圈对内部三目标靶点的无线自由控制。构建基于三载波谐振补偿网络的无源阵列式微磁刺激装置的等效电路模型，将三频率的mfrc补偿网络化简为两频率的mfrc补偿网络，简化了适用于多载波的分析方法，保证在三载波功率传输时，发射回路虚部阻抗为零，大大降低了对功率的需求。
1.一种基于三载波无线控制的无源阵列式微磁刺激装置设计，其特征在于，包括三载波谐振补偿网络参数的确定、装置的设计、工作参数的确定和实验验证，方法如下：
