随着全球经济和社会的迅速发展,人们的生活节奏与压力不断增长,脑器质性/功能性疾病的发病率显著上升,所带来的社会问题日趋严重。经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation,TMS）作为一项非侵入性的神经调节技术,其产生的交变感应电磁场能够直接对受试者颅内刺激靶区的电特性进行干预,从而激活或抑制脑组织,在治疗各类因颅内病变导致的精神类、神经类疾病方面具有广泛应用。近年来,随着TMS在临床医疗领域的快速发展,对TMS系统的性能也提出了更高的要求。为此,本文主要针对TMS系统的优化理论和方法展开了深入研究,探索如何优化颅内电信号的时间分布特性、改善颅内感应电场的空间分布特性、延长连续工作时间以及提升治疗效果,从而提高TMS系统的整体性能。主要工作归纳如下:在改善TMS波形特性方面,从优化颅内电信号时间分布特性的角度出发,提出了TMS刺激波形优化及调控方法。首先,根据TMS刺激波形特点建立了神经元细胞膜电位—刺激波形—线圈振动能量/热量损耗的耦合模型,基于波形参数化建模与优化算法,求解出优选的TMS刺激波形,从而在实现相同神经元膜电位去极化量的基础上,减少了线圈的振动能量与热量损耗。进一步设计了一种可调式经颅磁刺激脉冲产生电路拓扑,应用非线性最小二乘信赖域算法针对所需刺激波形进行相应电路拓扑参数与控制策略的推导,从而为满足多样化的刺激需求提供了理论基础。在优化TMS磁芯线圈设计方面,从改善常规TMS线圈的颅内感应电场空间分布特性的角度出发,提出了TMS薄型磁芯线圈结构及优化设计方法。首先,设计了薄型线圈结构,分析了薄型磁芯的长度、宽度、厚度对颅内感应电场空间强度Emax、线圈聚焦性能S1/2以及磁芯线圈发热比Hratio的影响,建立了薄型磁芯线圈设计方案的多目标优化模型,得出满足不同指标权重条件下最优的磁芯几何规格,从而在改善颅内感应电场空间分布特性的同时减少了磁芯线圈的热量损耗。进一步搭建了TMS薄型磁芯线圈实验测试平台,设计了基于圆形探测线圈的感应电场检测方法,验证了线圈性能的提升。在进行TMS系统的协同优化方面,考虑到TMS线圈产生的颅内感应电场空间分布特性与刺激波形产生的颅内电信号时间分布特性对最终刺激效果存在耦合作用,提出了综合考虑TMS刺激波形与磁芯线圈结构的协同优化方法。首先,探究了刺激波形、薄型磁芯线圈与系统的能量损耗、时间/空间分布特性之间的关系,建立了计及TMS时空分布特性的优化模型,从多方面量化了TMS的改进需求,得出计及多重优化目标的解集。进一步考虑到TMS的临床应用特点,形成了基于改进层次分析法的后验式TMS系统决策方案,从而能够结合主观人为判断与客观判断的优点,对多重优化目标的解集进行筛选与决策,最终得到在不同TMS应用场景下的最优TMS系统协同设计。在减少TMS的脉冲噪声方面,针对脉冲噪声引起受试者不适、降低治疗效果的问题,提出了TMS系统的噪声抑制方法。首先,根据TMS的工作机制分析脉冲电磁力与噪声的关联,详细阐述了TMS脉冲噪声的产生机理,建立了TMS噪声传播模型,得出了TMS脉冲噪声的传播规律。进一步通过剖析实际采集的TMS脉冲噪声信号,结合重复经颅磁刺激的临床治疗规律,形成了适用于TMS的有源降噪方法,从而能够保证次级声波输出的准确性与同步性,并实现噪声的自适应匹配,达到了良好的降噪效果,提高了系统稳定性。最后,建立了实现空间范围内降噪的次级声源最优配置方案,形成了空间有源静区的构建。