醫用高強度磁場的磁場線圈散熱結構設計

陳卓強，李林，祖慧鵬

1 廣東省醫療器械質量監督檢驗所 (廣東廣州 510663)；2 橙象醫療科技(廣州)有限公司 (廣東廣州 511400)

近年來，高強度磁場在醫療領域的應用日益廣泛。重復經顱磁刺激(repetitivetranscranialmagneticstimulation，rTMS)與功能性磁刺激(functionalmagneticstimulation，FMS)就是利用高強度的磁場治療卒中和其他疾病患者的常用療法。近些年臨床還針對婦產科研發了特別治療盆底疾病的專用磁刺激設備。磁刺激是指利用脈沖磁場作用于人體，通過改變體內細胞的膜電位，使之生成感應電流，從而影響細胞代謝和神經電活動。目前的重復經顱磁刺激設備產生的磁場強度范圍達1.5～6.0 T[1],功能性磁刺激的磁場強度范圍最大可以達到4 T。在產生高強度的磁場過程中，磁刺激線圈終會被通入上千伏的電壓，導致線圈產生大量的熱量。有研究證明，當線圈通入1 400 V電壓時，線圈溫度從室溫升高至60 ℃僅需75 s[2]；由于適用場景的需要，在一般情況下，需要將磁刺激線圈與人體直接接觸，根據醫療器械通用標準GB 9706.1-2020《醫用電氣設備第1部分：基本安全和基本性能的通用要求》中的相關規定，磁刺激線圈與人體直接接觸位置的最高溫度不得高于41 ℃。因此，如何實現對磁刺激線圈的散熱，以保證線圈溫度不會導致燙傷是磁刺激設計過程中的重要問題。目前，磁刺激設備的散熱方式包括風冷、液冷和半導體制冷片制冷[3]。風冷、液冷的常規散熱方式普遍存在散熱效率低下的問題；半導體制冷片是新型的散熱設備，但由于原理限制，其在散熱的同時會產生一定的熱量，故如何對半導體制冷片進行散熱也是應用過程中的難點。本研究設計了一款可以有效提高散熱效率的線圈，并分析了其磁刺激性能和散熱性能，現報道如下。

1 磁場線圈的散熱模擬

本研究利用COMSOL Multiphysics對線圈的散熱情況進行分析。COMSOL Multiphysics是一款多物理場建模與仿真軟件，軟件所提供的共軛傳熱分析功能可以結合磁刺激設備中的熱傳導和電磁線圈周圍流體的對流進行散熱情況分析。

1.1 傳熱方程

ρCpu·▽T+▽q=Q

(1)

q=-k▽T

(2)

式中，ρ為密度(SI單位：kg/m3)；Cp為定壓熱容(SI單位：J/kg/K)；T為溫度場(SI單位：K)；q為熱通量(SI 單位：W/m2)；Q為熱源(SI單位：W/m3)；k為導熱系數(SI單位：W/m/K)[4]。

1.2 磁刺激線圈的模型設計

本設計的重點是從磁刺激的實際使用場景出發，對線圈的參數和結構特征進行設計。根據目前市場上磁刺激產品的情況，主要采用多匝圓形線圈，線圈直徑為130 mm，呈渦線狀繞制，匝數為10匝，線纜為銅質材料，寬度為15.64 mm，厚度為3 mm；新型磁刺激線圈的線纜采用U形結構設計，即在線纜的一個側面開設寬度為1.8 mm，深度為9.4 mm的凹槽，利用SOLIDWORKS三維制圖軟件進行三維建模，見圖1。

2 磁場線圈散熱模擬結果分析

2.1 散熱模型的建立

基于目前磁刺激產品的實際應用場景，我們采用最基本的浸泡式散熱，即將線圈置于內部充滿冷卻液的腔體中。考慮到磁刺激產品在腦神經治療和婦科盆底疾病治療中的實際應用，將其外殼設計為圓環形，本研究中，為了簡化分析，省略了外殼模型，直接對殼體內的冷卻液體和磁場線圈進行建模；簡化模型包括一個冷卻腔體，冷卻腔體上對稱開設有冷卻液進口和冷卻液出口[5-7]。

2.2 流場和邊界的設定

磁場線圈為銅質材料，熱源設為廣義源；考慮到散熱效果與磁刺激器的實際情況，選擇水作為散熱介質冷卻液；考慮到實際使用中冷卻液制冷的功耗較大，選取冷卻液體的初始溫度為20 ℃，這樣僅需對流出冷卻腔體的冷卻液體進行制冷降溫，可降低功耗；設定冷卻液進口壓力為正壓，冷卻液出口壓力為負壓，可增加液體的流動速率[8]。為了簡化計算，不考慮外界空氣的影響，將除了冷卻液進口、冷卻液出口以外的其他表面均設置為阻滯熱傳遞。

2.3 網格劃分

利用COMSOL Multiphysics自帶的網格劃分功能進行網格劃分，網格大小采用自定義網格，最大網格為20 mm，最小網格為5 mm，模型見圖2。

注：1為冷卻液進口；2為冷卻腔體；3為電磁線圈；4為冷卻液出口

2.4 磁場線圈散熱模擬結果分析

經測量，新型磁刺激線圈、實心線圈的電阻均為1.57×10-3Ω；由此計算出兩種線圈的發熱功率均為14.13 kW；考慮實際線圈的加工制作過程存在差異，分析時，將線圈的發熱功率統一設置為20 kW[9-10]。

為分析新型磁場線圈的散熱效果，將實心線圈設置為對照組，比較新型磁刺激線圈與對照組在不同結構的冷卻腔體模型中的散熱效果。

2.4.1第1組對比分析

選用外形尺寸相同的兩個電磁線圈，一個線圈采用新型磁刺激線圈的結構設計，對照組1采用實心電纜線圈的結構設計；實心電纜的外形尺寸與新型磁刺激線圈相同，利用solidworks進行三維建模，三維模型見圖3。冷卻液進口壓力為50 kPa，冷卻液出口壓力為-50 kPa。

按照上述參數進行分析后得出圖4。

(a)新型磁刺激線圈 (b)對照組

由圖4可知，兩種線圈在相同的工況下，均在冷卻腔體靠近冷卻液出口處達到最高溫度，其中，新型磁刺激線圈的最高溫度為33.4 ℃，對照組的最高溫度為35.9 ℃，新型磁刺激線圈的溫度略低于對照組。

2.4.2第2組對比分析

我們對散熱腔體的模型進行了優化，在第1組對比分析中，冷卻液的進出口設置在冷卻腔體的兩側，由于冷卻液進出口位置的限制，會導致大量高溫液體集中在冷卻液出口附近；由于冷卻液的進出口是采用對稱設計，因此冷卻腔體靠近冷卻液出口的50%范圍內都會是高溫流場區域。為了增加冷卻效率，第2組對比分析采用冷卻腔體兩側的圓柱面作為冷卻液進口，在冷卻腔體一側的平面上開設兩個冷卻液出口，具體結構見圖5。

注：1為冷卻液進口；2為冷卻腔體；3為冷卻液出口

按照上述參數進行分析后，得出圖6。

(a)新型磁刺激線圈 (b)對照組

由圖6可知，兩種線圈在相同工況下，新型磁刺激線圈的最高溫度為26.9 ℃，對照組2的最高溫度為29.8 ℃，新型磁刺激線圈的溫度略低于對照組。同時優化后的冷卻腔體減少了高溫流場的區域，且高溫區域集中在中部，冷卻腔體靠近冷卻液出口處；而且，優化后的冷卻腔體最高溫度均低于第1組，具有較為優異的冷卻效果。

3 線圈的磁場強度模擬與分析

由于新型磁刺激線圈改變了線纜的整體結構，會對其產生的磁場造成一定的影響，故首先對新型磁刺激線圈和對照組線圈進行磁場強度模擬分析。

3.1 磁場強度模擬模型的建立和邊界設定

將建立好的線圈模型導入COMSOL軟件中，利用COMSOL軟件中的電磁場模擬模塊進行分析，以線圈模型為中心，建立一個邊長為200 mm的正方形空氣域，計算線圈周邊的磁場分布。磁場線圈為銅質材料，線圈兩端輸入的電流強度為3 000 A。

3.2 網格劃分

利用COMSOL Multiphysics自帶的網格劃分功能進行網格劃分，網格大小采用物理場控制網格，常規網格尺寸，模型見圖7。

(a)新型磁刺激線圈 (b)對照組磁刺激線

3.3 磁場強度模擬結果分析

將線圈導線模型設置為單導線，線圈的激勵電流設置為3 000 A，進行模擬分析后得出圖8。

圖8中，(a)、(b)為線圈的磁場長分布圖；由圖中可以看出，兩線圈的磁場分布由中心至四周磁場，強度呈逐漸減弱的趨勢，并在線圈的內部邊緣處形成最大磁場。(c)、(d)、(e)為兩組線圈的磁場分布曲線圖，以兩組線圈的中心位置為原點，以線圈的上表面為XY平面，建立坐標系，與XY平面垂直的方向為Z軸，分別計算磁場上方的磁場分布情況。其中，(c)、(d)為線圈表面10 mm處的磁場分布曲線，由圖中可知，兩種線圈的磁場分布相同，最大的磁場強度在線圈中心兩側30 mm處，磁場強度為0.35 T；即新型磁場線圈表面的磁場分布情況及磁場強度與對照組持平，新型線圈可以滿足正常的使用需求[11-15]。

4 小結

本研究提供了一種新型磁刺激線圈，并利用COMSOL Multiphysics軟件對線圈的散熱性能和磁場分布情況進行了分析。本研究將普通的矩形線纜線圈作為對照組，在第1組散熱分析中，采用簡化設計的散熱模型對新型磁刺激線圈與對照組線圈的散熱情況進行分析，結果顯示，簡化模型中新型磁刺激線圈的散熱效果優于對照組，兩者均可將線圈的周邊溫度降低至41 ℃以下；在第2組散熱分析中，我們對整個散熱模型進行了結構優化，優化后的散熱模型可以將線圈的周邊溫度降低至30 ℃以下；同時，模型中新型磁刺激線圈的散熱效果優于對照組；另外，我們還分析了兩種不同線圈的磁場分布，其產生的磁場強度差異較小，新型磁刺激線圈的磁場分布情況與對照組持平，新型線圈可以滿足正常的使用需求[16-21]。

(a)新型磁場線圈的磁場分布