基于改进粒子群算法的多通道经颅磁刺激线圈阵列优化
发布时间：2021-08-30 17:13
经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation,TMS）是一种新型无创、无痛的精神疾病治疗方法,在生物医学和康复医学等研究领域展现出了巨大的发展潜力。多通道经颅磁刺激是一种较为灵活的TMS系统,其刺激源是由多个磁刺激线圈排列组成的线圈阵列,具有多靶点同时刺激、可控性强等优点。但是如何合理地控制线圈阵列的激励电流,实现感应电场在靶点处的精准聚焦一直是阻碍多通道经颅磁刺激被广泛应用的难点之一。针对多通道经颅磁刺激存在不能准确实现感应电场在靶点处精准聚焦的问题,基于动态多种群粒子群算法提出了一种新型动态多种群粒子群算法（Novel Dynamic Multi-swam Particle Swarm Optimizer,NMSPSO）,该算法具有三种改进策略:新型信息交流策略、分类学习策略和变异策略。通过仿真测试验证了三种改进策略的有效性,分析了参数设置对算法性能的影响,并与其他几种粒子群变种算法进行对比,说明了NMSPSO算法具有更优的求解精度和更快的收敛速度。通过嵌入式Arduino平台的实验证明了NMSPSO算法在保证求解精度的情况下也可以维持较高的求解效...
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TMS基本原理图
?岢隽耸?用三维激光扫描方法的直接头部导航TMS系统[25]，从测试结果中可以看出线圈的平移误差小于2mm，选装误差小于0.75o，标度误差小于0.001。Zorn等人在2012年专门设计了一种用于TMS导航定位的机器人系统[26]，该系统可以对刺激系统中存在的误差进行自动补偿，在一定程度上保证了整个治疗过程的安全性，其设计的TMS导航定位设备如图1-4所示。2013年，中国科学院深圳先进技术研究院的王辉分别分析比较了六种常见的经颅磁刺激线圈定位方法[27]，提出了一种利用大脑形状、结构和功能区域的新型定位方法。图1-4TMS导航定位系统Fig.1-4TMSsetupwithlocalizerfornavigation
第一章绪论7[32]，文中涉及的帽型线圈阵列共有40个线圈组成，并分析了选择电流方向对电场聚焦性和刺激深度的影响。2013年，RuoliJiang等人提出了一种动态mTMS系统[33]，使用网格化的导线代替了圆形线圈结构，具体结构如图1-6所示。通过改变每根导线激励电流的方向和强度，就可以配置出不同的线圈结构，在很大程度上扩展了mTMS的灵活性。图1-6网格线圈结构Fig.1-6Gridcoilstructure2015年，李江涛等人对多通道线圈阵列的几种类型进行了研究[34]，发现多通道线圈阵列具有可以适应多种应用场景的工作模式。通过线圈的组合可以诱导出长条形的电场聚焦形状，并且发现双层线圈阵列具有更好的聚焦性。2017年，魏熙乐等人对八字形线圈、平面型线圈阵列和帽型线圈阵列进行了对比[35]，发现线圈阵列在刺激深度和聚焦性方面都有更优的表现，通过对线圈阵列的尺寸进行分析发现，线圈尺寸越小电场聚焦性越好，但刺激深度就有所下降。相对于传统线圈比如圆形线圈和八字形线圈需要自动导航系统来改变刺激位置的做法，mTMS可以在不被移动的前提下实现靶点位置的改变，极大地提高了刺激效率和刺激精度，减少了导航定位系统带来的定位误差。除此之外mTMS还可以实现在同一时间同时刺激多个靶点的目的，对某些需要同时刺激多个部位的精神疾病的治疗具有重要意义。1.3本课题研究的目的和意义经过三十多年的发展，TMS已经发展成为集生物医学工程和电磁学的热门交叉学科。其既可以在不侵入大脑的情况下完成对精神疾病的治疗，又可以方便快捷地确定病灶位置，为未来的医学发展提供了极大的想象空间，是未来精神疾病治疗过程中一种极为重要的方法。在TMS的发展历程中，主要阻碍其得到广
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于经颅磁刺激的线圈阵列设计方法研究[J]. 熊慧,高毅娟,刘近贞. 航天医学与医学工程. 2018(05)
[2]一种基于子群变异的粒子群优化算法[J]. 袁晗,徐春梅,杨平,许姗姗. 计算机应用研究. 2017(04)
[3]经颅磁刺激技术的研究进展[J]. 李江涛,郑敏军,曹辉. 高电压技术. 2016(04)
[4]基于多种群粒子群算法和布谷鸟搜索的联合寻优算法[J]. 高云龙,闫鹏. 控制与决策. 2016(04)
[5]提高经颅磁刺激8字形线圈聚焦性的仿真与实验检测[J]. 殷涛,赵琛,张顺起,刘志朋. 纳米技术与精密工程. 2015(05)
[6]开源硬件在自动化专业教学中的应用模式初探[J]. 赵广元,王文庆,蔡秀梅. 实验室研究与探索. 2013(11)
[7]经颅磁刺激线圈定位方法研究[J]. 王辉. 集成技术. 2013(04)
[8]新型128导大脑磁刺激仪的研制[J]. 周鹏,贺威忠,王学民,林冬冬,王明时. 仪器仪表学报. 2010(12)
[9]基于分割后断层成像数据的人体头部有限元模型构建方法[J]. 刘君,朱善安. 航天医学与医学工程. 2007(02)
[10]含速度变异算子的粒子群算法[J]. 付国江,王少梅,刘舒燕,李宁. 华中科技大学学报(自然科学版). 2005(08)
本文编号：3373185
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TMS基本原理图
?岢隽耸?用三维激光扫描方法的直接头部导航TMS系统[25]，从测试结果中可以看出线圈的平移误差小于2mm，选装误差小于0.75o，标度误差小于0.001。Zorn等人在2012年专门设计了一种用于TMS导航定位的机器人系统[26]，该系统可以对刺激系统中存在的误差进行自动补偿，在一定程度上保证了整个治疗过程的安全性，其设计的TMS导航定位设备如图1-4所示。2013年，中国科学院深圳先进技术研究院的王辉分别分析比较了六种常见的经颅磁刺激线圈定位方法[27]，提出了一种利用大脑形状、结构和功能区域的新型定位方法。图1-4TMS导航定位系统Fig.1-4TMSsetupwithlocalizerfornavigation
第一章绪论7[32]，文中涉及的帽型线圈阵列共有40个线圈组成，并分析了选择电流方向对电场聚焦性和刺激深度的影响。2013年，RuoliJiang等人提出了一种动态mTMS系统[33]，使用网格化的导线代替了圆形线圈结构，具体结构如图1-6所示。通过改变每根导线激励电流的方向和强度，就可以配置出不同的线圈结构，在很大程度上扩展了mTMS的灵活性。图1-6网格线圈结构Fig.1-6Gridcoilstructure2015年，李江涛等人对多通道线圈阵列的几种类型进行了研究[34]，发现多通道线圈阵列具有可以适应多种应用场景的工作模式。通过线圈的组合可以诱导出长条形的电场聚焦形状，并且发现双层线圈阵列具有更好的聚焦性。2017年，魏熙乐等人对八字形线圈、平面型线圈阵列和帽型线圈阵列进行了对比[35]，发现线圈阵列在刺激深度和聚焦性方面都有更优的表现，通过对线圈阵列的尺寸进行分析发现，线圈尺寸越小电场聚焦性越好，但刺激深度就有所下降。相对于传统线圈比如圆形线圈和八字形线圈需要自动导航系统来改变刺激位置的做法，mTMS可以在不被移动的前提下实现靶点位置的改变，极大地提高了刺激效率和刺激精度，减少了导航定位系统带来的定位误差。除此之外mTMS还可以实现在同一时间同时刺激多个靶点的目的，对某些需要同时刺激多个部位的精神疾病的治疗具有重要意义。1.3本课题研究的目的和意义经过三十多年的发展，TMS已经发展成为集生物医学工程和电磁学的热门交叉学科。其既可以在不侵入大脑的情况下完成对精神疾病的治疗，又可以方便快捷地确定病灶位置，为未来的医学发展提供了极大的想象空间，是未来精神疾病治疗过程中一种极为重要的方法。在TMS的发展历程中，主要阻碍其得到广
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于经颅磁刺激的线圈阵列设计方法研究[J]. 熊慧,高毅娟,刘近贞. 航天医学与医学工程. 2018(05)
[2]一种基于子群变异的粒子群优化算法[J]. 袁晗,徐春梅,杨平,许姗姗. 计算机应用研究. 2017(04)
[3]经颅磁刺激技术的研究进展[J]. 李江涛,郑敏军,曹辉. 高电压技术. 2016(04)
[4]基于多种群粒子群算法和布谷鸟搜索的联合寻优算法[J]. 高云龙,闫鹏. 控制与决策. 2016(04)
[5]提高经颅磁刺激8字形线圈聚焦性的仿真与实验检测[J]. 殷涛,赵琛,张顺起,刘志朋. 纳米技术与精密工程. 2015(05)
[6]开源硬件在自动化专业教学中的应用模式初探[J]. 赵广元,王文庆,蔡秀梅. 实验室研究与探索. 2013(11)
[7]经颅磁刺激线圈定位方法研究[J]. 王辉. 集成技术. 2013(04)
[8]新型128导大脑磁刺激仪的研制[J]. 周鹏,贺威忠,王学民,林冬冬,王明时. 仪器仪表学报. 2010(12)
[9]基于分割后断层成像数据的人体头部有限元模型构建方法[J]. 刘君,朱善安. 航天医学与医学工程. 2007(02)
[10]含速度变异算子的粒子群算法[J]. 付国江,王少梅,刘舒燕,李宁. 华中科技大学学报(自然科学版). 2005(08)
本文编号：3373185
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