Validacija numeričnega modela aplikatorja za magnetno stimulacijo

Komar, Vid (author), Kranjc, Matej (mentor)

Spremenljivo magnetno polje se v medicini za namene zdravljenja uporablja že mnogo let. Visoko tokovni harmonični pulz, ki ga odda naprava za magnetno stimulacijo, v okolici tuljave aplikatorja ustvari močno magnetno polje, ki se inducira v človeškem telesu in ustvari lokalno električno polje. Posledica električnega polja je aktivacija živcev, kar povzroči krčenje mišic ali protibolečinski učinek. Tako gradimo mišično moč in vzdržljivost ter lajšamo akutno ali kronično bolečino. Pri izdelavi novih modelov aplikatorjev, ki imajo zahtevane lastnosti oblike in gostote magnetnega pretoka, si pomagamo z uporabo programov za numerično modeliranje. Z uporabo metode končnih elementov izračunamo lastnosti aplikatorja in numerični model nato prilagodimo, da dobimo želene končne vrednosti. Numerični model je treba validirati in tako potrditi njegovo ustreznost. To lahko naredimo s primerjavo numeričnega modela z izdelanim aplikatorjem. Z validiranim numeričnim modelom se izognemo dragemu in dolgotrajnemu postopku izdelave različnih prototipnih izdelkov. Za namene prototipiranja smo ustvarili numerični model tuljave za magnetno stimulacijo. Preizkusili smo dva tipa numerične študije: počasnejšo, vendar natančnejšo časovno študijo ter hitrejšo in preprostejšo frekvenčno študijo. Ustreznost obeh tipov študij smo validirali z izvedbo meritev na že obstoječem prototipu, z uporabo merilnika gostote magnetnega pretoka in dveh merilnih sond. Izvajanje meritev smo avtomatizirali in tako dosegli veliko boljšo natančnost ter ponovljivost. Skladnost rezultatov meritev in numeričnega modela smo primerjali in ovrednotili preko vrednosti gostote magnetnega pretoka in oblike magnetnega polja. Rezultati so bili znotraj postavljenih kriterijev ustreznosti. Tako smo validirali časovno študijo in numerični model ter potrdili njegovo primernost za namen prototipiranja. Prav tako smo – kljub manjšim odstopanjem – poleg časovne študije uspešno validirali tudi frekvenčno študijo. Pred končno odločitvijo o izbiri tipa numerične študije za namen prototipiranja je potrebno poznati zahteve in omejitve vsake od študij.

• Language: Slovenian
• Keywords: magnetno polje, gostota magnetnega pretoka, magnetna stimulacija, numerični model, metoda končnih elementov, avtomatizacija
• Work type: Master's thesis/paper
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2023
• PID: 20.500.12556/RUL-145116
• COBISS.SI-ID: 149435651
• Publication date in RUL: 06.04.2023

Secondary language

• Language: English
• Title: Validation of a numerical model of a magnetic stimulation applicator

Abstract

Variable magnetic fields have been used in medicine for treatment purposes for many years. A high-current harmonic pulse emitted by a magnetic stimulation device creates a strong magnetic field in the vicinity of the applicator coil, which is induced in the body and generates a local electric field. The electric field activates the nerves, causing muscle contraction or painkilling effect. This can build muscle strength, endurance, relieve acute or chronic pain. Numerical modelling software can be used to create new applicator designs that have the required shape and magnetic flux density properties. Using the finite element method, the applicator properties are calculated, and the numerical model is then adjusted to obtain the desired final values. The numerical model needs to be validated to confirm its suitability. This can be done by comparison with the actual product. A validated numerical model avoids the costly and time-consuming process of producing different prototype products. For prototyping purposes, we have created a numerical model of the magnetic stimulation coil. We tested two types of numerical studies: a slower but more accurate time study, and a faster and simpler frequency study. The suitability of both types of studies was validated by performing measurements on an existing prototype, using a magnetic flux density meter and two measurement probes. The measurements have been automated to achieve much better accuracy and repeatability. The matching of results between measurements and the numerical model was compared and evaluated through the values of the magnetic flux density and the magnetic field shape. The results were within the set criteria. This validated the time study and the numerical model and confirmed its suitability for prototyping purposes. We also successfully validated the frequency study in addition to the time study, despite minor deviations. Before making a final decision on the choice of the type of numerical study to be used for prototyping purposes, we need to be familiar the requirements and limitations of each study.

• Keywords: magnetic field, magnetic flux density, magnetic stimulation, numerical model, finite element method, automation