经颅磁声电刺激对健康与帕金森病大鼠神经回路中beta振荡的影响

背景:经颅磁声电刺激是一种基于磁声耦合电效应的无创、高精度脑神经聚焦刺激方法,可调节神经节律振荡活动,从而影响大脑的运动、认知等功能。目的:探究经颅磁声电刺激对健康与帕金森病大鼠神经回路中beta振荡的影响。方法:①动物实验:采用随机数字表法将24只Wistar大鼠随机分为4组,每组6只:正常对照组不进行任何干预;正常刺激组大脑前额叶皮质接受经颅磁声电刺激(空间峰值脉冲平均强度为13.33 W/cm^(2),基波频率为0.4 MHz,基波周期数为1000,脉冲重复频率为200 Hz);模型对照组、模型刺激组通过腹腔注射1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶建立帕金森病模型,造模成功后,模型对照组大脑前额叶皮质接受经颅磁声电假刺激,模型刺激组大脑前额叶皮质接受经颅磁声电刺激,每天刺激时长2.0 min,刺激结束停留8-10 min后,采集大鼠执行T迷宫过程中局部场电位信号并同时记录行为学正确率,对比分析各组局部场电位信号能量的时频分布情况和行为差异,当大鼠正确率连续3 d高于80%后停止刺激实验和T迷宫实验。②建模仿真实验:构建经颅磁声电刺激下皮质-基底神经节回路模型,分别改变超声发射周期(5,10,20 ms)、超声发射占空比(30%,50%,90%)和感应电流密度(20,50,100μA/cm^(2)),比较不同刺激参数下健康与帕金森病大鼠beta振荡的功率谱密度值。结果与结论:①动物实验:正常对照组大鼠的空间学习能力强于模型对照组(P<0.001),正常刺激组大鼠的空间学习能力强于正常对照组(P<0.05),模型刺激组大鼠的空间学习能力强于模型对照组(P<0.01);正常对照组beta振荡能量分布较为集中,正常刺激组较正常对照组beta振荡信号能量有所降低,模型对照组与模型刺激组beta振荡能量广泛分布且能量值显著高于正常对照组、正常刺激组,并且模型刺激组beta振荡信号能量明显低于模型对照组;②建模仿真实验:不加刺激时,健康大鼠beta频段功率谱密度峰值(30 dB)显著低于帕金森病大鼠(55 dB);施加经颅磁声电刺激后,两组大鼠beta频段功率谱密度值普遍降低;beta频段功率谱密度峰值与超声发射周期呈正相关、与感应电流密度呈负相关,当超声发射占空比为50%时功率谱密度峰值最低;③结果表明:经颅磁声电刺激可抑制健康与帕金森病大鼠的beta振荡,进而改善大鼠的运动功能与决策认知功能。

非接触式柔性自偏置磁电电流传感器设计与应用

针对电网中现有电流传感器存在的易磁芯饱和、体积大、响应带宽窄、制备成本较高等问题,设计了一种柔性自偏置磁电电流传感器。首先,测试了磁电电流传感器在零偏置状态下的磁电性能,磁电电压系数可达17.65 V/(cm·Oe),表明传感器在零偏置状态下具有优异的磁电响应性能;然后,通过搭建的电流测试平台对传感器电流检测能力进行了验证,结果表明,传感器在谐振及工频频率时都具有良好的电流监测能力,且在工频电流50 Hz时灵敏度为33.07 mV/A,具有优异的灵敏度和线性度;最后,设计的磁电电流传感器在电力电缆护层环流监测业务上进行了试点应用,运行良好,表明非接触式柔性自偏置磁电电流传感器在电网非接触电流检测领域具有很大的应用价值和广阔的应用前景。

功能梯度多孔磁电弹板的等几何建模与自由振动分析

针对功能梯度多孔磁电弹(functional graded porous-magneto electro elastic,FGP-MEE)板结构,该文基于等几何分析法(isogeometric analysis,IGA),采用一阶剪切变形理论(first-order shear deformation theory,FSDT)建立了等几何数值分析模型。首先,根据修正幂律(modified power law,MPL)方法得到了具有4种不同孔隙分布形式(V_(u),V_(o),V_(x),V_(v))功能梯度多孔磁电弹结构的等效材料参数;然后,利用磁-电-弹耦合本构方程、哈密顿变分原理以及等几何分析方法推导了FGP-MEE板的控制方程,并通过与已有文献对比,验证了所建模型的有效性和准确性;最后,研究了孔隙系数、功能梯度指数、孔隙分布形式、结构的几何参数(宽厚比、长宽比)以及边界条件对FGP-MEE板自由振动的影响。研究结果表明,材料中孔隙分布形式、孔隙系数以及功能梯度指数的变化对FGP-MEE板的固有频率有较大影响,且在孔隙呈V_o型分布时板的固有频率最大。

对称谐振式甚低频发/接磁电天线耦合性能研究

甚低频段由于低传播损耗特性,在远距离信号传输及军事通信方面有巨大潜力。传统天线庞大物理尺寸以及复杂网络匹配限制了低频天线通信的发展。磁电(ME)天线基于声波谐振原理可以突破尺寸极限且易于阻抗匹配,在甚低频段传输具有独特优势。基于此设计了P/T/P结构的发射天线和T/P/T结构的接收天线组成的新型ME天线系统。依据磁机电耦合模型分析天线在接收/发射电磁波时的规律;依据辐射模型研究近场范围内天线磁场分布情况;以声波介导激励,实现ME天线在甚低频段的发/收通信实验。实验得到在谐振频率下,ME发射/接收天线在压电占比分别在0.66, 0.34时,结构优化前较于优化后输出电压提升82.6%,通信距离提升42.2%;相较于同等尺寸电小天线辐射效率提高3个数量级;可实现传输速率为5bit/s的调制通信,依据结构优化实现了天线性能的提升。

磁电弹性材料中含有带四条裂纹的正方形孔的反平面断裂问题

针对反平面剪切力作用下,磁电弹性材料中含有带四条裂纹的正方形孔口的断裂问题进行了深入地探索。基于线弹性断裂理论和Riemann-Schwarz解析延拓定理,利用复变函数方法和留数定理,通过构造合适的数值保角映射函数,将解析函数边值问题转化为柯西积分方程组进行解答,获得了磁电非渗透边界条件下裂纹尖端断裂力学参数的显式表达式。通过与已有结果的对比,验证了方法的有效性。利用数值算例描述了孔洞尺寸、四条裂纹长度和机–电–磁载荷等因素对裂纹扩展参数的影响规律。结果表明:水平右裂纹对孔口裂纹扩展影响更显著;垂直裂纹影响水平裂纹的扩展趋势;在磁电非渗透边界条件下,随着机械载荷的增大,裂纹尖端的应力强度因子变大,而电载荷和磁载荷对裂纹的扩展与机械载荷的大小和方向密切相关。该分析方法为求解复杂多连通域的智能复合材料问题提供了一条有效途径,研究成果为含裂纹的复合材料或结构的优化设计提供了科学依据。

Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3) 单相多铁性及室温磁电耦合效应的研究进展

在单相多铁材料中,利用电场代替磁场来可逆控制磁性这一手段是实现下一代高密度、低功耗磁电多功能器件的理想方法。然而,目前所发现的单相多铁材料大多数都表现出了弱的室温铁电性、铁磁性或者低于室温的磁电工作温度,这严重限制了其在实际生产中的应用。近年来的研究发现,具有强磁电(ME)耦合的第Ⅱ类室温单相多铁Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3),其剩余铁电极化强度(Pr)和饱和磁化强度(Ms)在最优的条件下分别可以达到25μC/cm^(2)和1.2μB/f.u.,因而是一种极有可能同时解决上述问题的新型替代材料。首先介绍了单相多铁材料的研究现状以及潜在的应用;然后总结了Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3)材料单相多铁性和ME耦合效应的研究历程;最后,围绕Ga_(2-x)Fe_(x)O_(3)未来面临的关键科学问题和挑战进行了详细讨论。

基于皮层-基底神经节环路模型的经颅磁声电刺激对大鼠行为决策的影响

经颅磁声电刺激(TMAES)是一种新型、无创、可改变不同脑区电活动的神经调控方法。前额叶皮层与基底神经节中各脑区相互影响,在行为决策中起着关键作用,然而目前涉及其调节机理的研究相对较少。前运动皮层神经元活性和前额叶皮层突触可塑性与行为决策关系密切。该文基于皮层-基底神经节回路模型,模拟分别对健康大鼠、帕金森大鼠施加刺激后,不同脑区在奖赏选择任务中的神经活动,仿真分析不同感应电流强度对皮层神经元放电率和脑区间突触权重的影响。并通过行为学实验进一步探讨经颅磁声电刺激对健康大鼠与帕金森模型大鼠行为决策的影响。仿真结果显示,对健康大鼠施加刺激可提高前额叶皮层与纹状体、前运动皮层之间的突触权重;对帕金森大鼠施加刺激可提高前运动皮层神经元放电率,调节前额叶皮层与纹状体、前运动皮层之间的突触权重。实验结果显示,施加刺激后,大鼠的学习探索能力和空间记忆能力均得到了提高,且帕金森模型大鼠受刺激的作用效果更显著。研究结果表明,经颅磁声电刺激可提高大鼠的运动积极性和学习效率,且有助于改善基底神经节的功能失衡。研究结果为进一步探索经颅磁声电刺激调节决策认知功能的作用机制奠定基础。

磁电弹性材料含正六边形纳米缺陷的表面效应研究

在磁电弹性材料断裂力学框架下,利用表面弹性理论和解析函数边值理论,解析研究了反平面机械载荷、面内电载荷和磁载荷耦合作用下磁电弹性体中正六边形孔边均布六条等长裂纹的Ⅲ型断裂力学问题,确定了考虑表面效应时纳米尺寸裂纹问题的精确解.基于以上解析解,通过数值算例揭示了表面效应、缺陷几何参数及所施加的损坏载荷分别在两种理想裂纹面电磁条件假设下对断裂参数的影响规律.研究发现:考虑表面效应时影响裂纹扩展的因素与经典弹性理论解答明显不同.各个物理分量呈现出显著的尺寸依赖效应,但随着缺陷尺寸的增加,表面效应的影响呈下降趋势,并趋于经典弹性理论值.研究可为该材料应用于微纳米结构和微机电系统提供理论指导.

铝合金材料缺陷检测的磁声电方法

不同的无损检测方法适用于不同的场景,为丰富现有的无损检测方法,本文提出了一种适用于非铁磁材料缺陷检测的磁声电检测新方法。通过COMSOL仿真软件及磁声电检测实验平台,对铝合金材料裂缝缺陷进行检测,对不同缺陷尺寸进行仿真及实验研究,并验证该方法的可行性。仿真结果表明,在缺陷的边界处获得了明显的磁声电缺陷信号。验证了缺陷宽度与缺陷信号的关系,当缺陷宽度L大于波长λ时,缺陷电信号峰值时间t及幅值U均相同,反之,缺陷左、右壁产生的电信号相互叠加。研究表明,实验与仿真结果具有一致性,说明本文提出的磁声电检测新方法能够实现缺陷的高精度检测。

基于VIENNA永磁风电系统的自适应反推控制研究

针对永磁同步电机存在非线性项的不确定性以及系统参数摄动产生的不利影响,提出一种基于VIENNA永磁风电系统的自适应反推控制策略。采用VIENNA整流拓扑实现整机功率密度的最大化,降低谐波干扰,提升系统的可靠性。通过自适应反推控制得到系统控制律和参数自适应律,解决了系统的非线性,实现了对定子电阻和负载转矩的参数自适应,从而提高了系统的抗干扰能力。仿真结果表明,该控制系统具有较强的鲁棒性。

甚低频声波介导纵向谐振式磁电天线通信研究

基于声波谐振的磁电天线(Magnetic Electric Antenna, MEA),利用复合材料间的高耦合效应,在共振频率下,产生高效的磁场辐射能力,实现低频电磁波发射。提出声波介导对称式纵向谐振式甚低频磁电天线,建立ME天线等效电路模型,依据牛顿第二定律和安培定律引入参数压电体积分数,建立包含工作损耗的动力学模型和辐射场模型,并设计低频通信试验系统。试验结果表明,压电体积分数n=0.66时,ME天线辐射磁感应强度增大1.7倍,通信距离提升120%。在同等尺寸下,比电小天线辐射效率提升3个数量级,通过5 bps的FSK调制,实现低频下的可靠通信,验证了ME天线在低频电磁通信的优越性。

磁电弹性体中正三角形孔口快速传播裂纹问题分析

目的探索含运动缺陷的磁电弹性材料的力学性能和断裂机理。方法基于磁电弹性材料断裂理论和广义复变函数理论展开力学行为研究,通过作伽利略变换,将磁电弹性材料的断裂问题转化为稳定裂纹动力学问题进行解答。结果获得了磁电非渗透边界条件下裂纹尖端处动态应力强度因子以及机械应变能释放率的解析表达式。结论磁电弹性材料损伤、断裂现象的发生不仅受缺陷的几何参数和损坏载荷的影响,还与缺陷的运动速度有密切关系。

推拿联合磁电治疗在盆腔器官脱垂中的应用效果

目的探究推拿联合磁电治疗在盆腔器官脱垂中的应用效果。方法选取2022年1月—2023年1月本院收治的100例盆腔器官脱垂(POP)患者为研究对象,采用随机数字表法将其分为对照组和研究组,每组50例。对照组采用常规的中医推拿治疗,研究组采用中医推拿联合磁电刺激治疗,对两组患者的临床治疗效果进行比较。结果治疗后,研究组盆底肌各项功能指标评分优于对照组,研究组的治疗有效率高于对照组(P<0.05);治疗后,研究组的POP-Q分度等级较对照组更优(P<0.05);治疗后,研究组盆底肌功能的各项指标评分比对照组更高(P<0.05)。结论在产后盆腔器官脱垂的临床治疗中,中医推拿联合磁电刺激具有理想的应用效果,可显著改善患者的盆底肌功能,可有效改善患者的POP情况,以帮助患者提升性生活质量,具有临床推广价值。

层合磁电能量采集器的研究进展

层合磁电(ME)能量采集器具有微型化、柔性化和功能多样化等优点,在植入医疗、物联网(IoT)和微机电系统(MEMS)等低功耗设备的自供电监测中具有广阔的应用前景。评述了该采集器的最新研究进展,介绍了其磁-机-电耦合能量转换机理,梳理了各种高频、低频磁能采集器和低频混合能采集器的类型与结构特点,综合比较分析了器件性能,指出高频磁能采集器在植入设备无线供电医疗诊治中的潜在优点和低频采集器在载流IoT设备自供电传感监测中的显著优势。最后总结了该采集技术目前存在的问题和未来发展方向。

经颅磁声电刺激强度对小鼠前额叶皮质网络可塑性的影响

背景:经颅磁声电刺激是一种新型无创的神经调控技术,利用超声波与静磁场耦合作用产生的感应电场调节神经系统的放电活动,但其影响大脑突触可塑性的作用机制研究尚浅。目的:探讨经颅磁声电刺激强度对小鼠前额叶皮质神经网络突触可塑性的影响。方法:①动物实验:将24只C57小鼠平均且随机分为4组,对照组(接受伪刺激)、刺激6.35 W/cm^(2)组(接受0.3 T、6.35 W/cm^(2)的耦合刺激)、刺激17.36 W/cm^(2)组(接受0.3 T、17.36 W/cm^(2)组的耦合刺激)和刺激56.25 W/cm^(2)组(接受0.3 T、56.25 W/cm2的耦合刺激),记录小鼠执行T迷宫过程中局部场电位信号和行为学正确率。②建模仿真实验:构建经颅磁声电刺激小鼠前额叶皮质神经网络模型,分别比较不同刺激强度下神经网络结构连接特性。结果与结论:①经颅磁声电刺激能够有效缩短小鼠行为学习时间,工作记忆能力得到改善(P<0.05),且习得行为后继续刺激小鼠前额叶,各组小鼠T迷宫行为学实验准确度没有明显差异(P>0.1)。分析小鼠前额叶局部场电位信号发现经颅磁声电刺激促进了β节律与γ节律能量增强;而随刺激强度升高,β节律与γ节律出现了非同步性下降;通过β-γ相位幅值耦合发现,刺激增强了神经网络适应新的信息和任务要求的能力变化。②建模仿真发现,刺激使得神经网络放电水平增强,长时程突触权重水平提高而短时程突触权重仅在刺激强度较高时降低。③研究结果表明,不同的刺激强度与神经网络功能结构的影响存在复杂的非线性关系;这种神经调控技术为治疗突触功能障碍和神经网络异常等相关神经疾病方面提供新的可能。

基于桨距角控制的永磁风电机组高电压穿越控制策略

为解决传统永磁风电机组高电压穿越控制策略存在超速脱网风险问题,提出一种基于桨距角控制的高电压穿越控制策略。高电压穿越期间,首先,按照并网要求向电网提供无功支撑;其次,考虑转子转速限制,当转子转速达到参考值时启动桨距角控制,抑制转子转速上升;最后,通过仿真试验,验证了所提控制策略的有效性。基于桨距角控制的永磁风电机组高电压穿越控制策略,既能向电网提供无功支撑,又能避免超速脱网。

无磁轭分块电枢盘式电机齿槽转矩优化设计

为了满足定子无磁轭分块电枢(yokeless and segmented armature,YASA)轴向磁通永磁电机作为车用牵引电机时对输出转矩高平稳性的要求,提出一种基于永磁体径向均匀分段、分组同向偏移的方法来抑制YASA电机的齿槽转矩,以降低转矩脉动。应用三维有限元分析,分别研究了3种不同的永磁体分段方案对齿槽转矩的削弱效果,确定了磁极的最优偏转角度及其对电机综合性能的影响。仿真结果验证了该方法的可行性。YASA电机的齿槽转矩降低了92.62%,额定工况下转矩脉动下降了72.02%,永磁体涡流损耗降低91.28%,同时输出转矩下降不超过5.34%,提高了YASA电机的综合性能。

基于高性能Metglas/PMNT的MPP结构磁电复合材料的交流极化研究

近年来,基于高性能Metglas/PMNT的磁电复合材料的弱磁传感器受到广泛关注。随着磁电复合材料的深入研究,发现Multi-Push-pull磁电复合材料具有磁电系数高,内部噪声低等诸多优点,在弱磁场探测领域展现出巨大的应用前景。考虑到MPP结构的磁电复合材料的通常使用的是三方相的PMNT单晶和Metglas非晶合金,使用交流极化(ACP)方法改善MPP结构磁电复合材料的磁电响应。采用交流极化的方法来提升PMNT单晶的性能,通过探索不同的极化条件(包括极化温度、极化电压和极化频率)来提升MPP结构磁电复合材料的磁电系数,从而提升磁电传感器的弱磁探测能力。

磁电弹性材料含纳米尺度唇口次生两不对称裂纹的反平面问题

基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论和磁电弹性(MEE)理论,利用解析函数的保角映射技术,研究了反平面机械载荷和面内电磁载荷作用下,MEE材料中含有纳米尺度唇口次生两不对称裂纹的断裂行为,给出了缺陷(裂纹和唇口孔)周围广义MEE应力场和裂纹尖端MEE场强度因子以及能量释放率的解析解.在特殊条件下,所得结果退化为已有结果或者给出新的结果.数值算例揭示了缺陷表面效应对裂纹尖端MEE场强度因子的影响与纳米圆孔半径、唇口孔的大小、唇口次生裂纹大小,以及外加的机-电-磁载荷有关,也揭示了考虑表面效应时,无量纲能量释放率随唇口宽度、无穷远处机械载荷、电载荷和磁载荷的变化而变化.

一种用于磁悬浮汽车的永磁电动轮的优化策略

为了改善磁悬浮汽车的基础性能,基于目前国内外永磁电动悬浮的研究现状,提出了一种基于更优磁化角的永磁电动轮结构。首先从原理的角度分析磁化角度变化实现更优电动轮结构的理论合理性,通过优化环形永磁电动轮的磁化角可以增加单极对的永磁体数量增加外围磁场强度,并利用等效面电流法推导得出更简洁的解析计算公式,分析得到了永磁电动轮与导体板之间的结构关系、磁场特性和涡流分布特点;然后在三维电磁仿真优化方面,从磁场、悬浮力、驱动力、浮重比和浮驱比等多个性能参数对比传统的永磁电动轮和改进的永磁电动轮。结果验证了改进后的永磁电动轮结构对其悬浮-驱动一体化功能具有有益提升,并从解析计算和实验分析两个角度共同验证三维电磁仿真的准确性和可靠性,为后续设计优化工作提供了可靠手段。这种Halbach阵列永磁电动轮的优化方案有助于磁悬浮概念车的基础性能提升,为“碳达峰、碳中和”背景下新型绿色环保交通工具的形成提供了可行的技术选择。