經(jīng)顱電刺激發(fā)生裝置的研制

朱政霖，任朝暉

首都醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069

經(jīng)顱電刺激發(fā)生裝置的研制

朱政霖，任朝暉

首都醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100069

本文闡述了一種經(jīng)顱電刺激發(fā)生裝置的研制過程，該裝置主要由STC12C5410單片機(jī)、DA轉(zhuǎn)換器、緩沖放大器和隔離裝置等構(gòu)成，可在上位機(jī)軟件的控制下，產(chǎn)生不同頻率、幅值和波形的刺激信號(hào)，具有功耗低、安全性好、參數(shù)調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)，對(duì)于經(jīng)顱電刺激療法的科學(xué)研究以及臨床應(yīng)用具有一定的實(shí)用價(jià)值。

經(jīng)顱電刺激；單片機(jī)；DA轉(zhuǎn)換器；緩沖放大器

經(jīng)顱電刺激（Cranial Electrotherapy Stimulation，CES）是通過向頭部表面電極引入微電流以刺激顱內(nèi)中樞神經(jīng)的刺激技術(shù)，能夠改善腦電波，調(diào)節(jié)相關(guān)激素分泌以及調(diào)整神經(jīng)遞質(zhì)，其副作用較小，廣泛應(yīng)用于失眠、抑郁、焦慮等心理疾病的臨床治療中[1]。不過，CES的具體作用機(jī)制尚未完全明朗，對(duì)CES參數(shù)如頻率、電流和波形等的研究具有重要意義[2]。目前，商品化的經(jīng)顱電刺激器通常只能輸出廠家設(shè)定的刺激信號(hào)，不能輸出指定的信號(hào)[3]以及隨意調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率，給經(jīng)顱電刺激作用機(jī)制及治療范圍的研究帶來(lái)了不變。本研究設(shè)計(jì)了一種電刺激發(fā)生裝置，能產(chǎn)生不同頻率、幅值和波形的刺激信號(hào)，便于經(jīng)顱電刺激的研究和應(yīng)用，報(bào)道如下。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自上位機(jī)的信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，輸出一定頻率、幅值和形狀的波形，設(shè)計(jì)框圖見圖1。該裝置硬件部分采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，主控部分為STC12C5410系列高速單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)；采用USB口供電，不需要外加電源。

圖1 電刺激發(fā)生裝置硬件部分設(shè)計(jì)框圖

其中，上位機(jī)可提供一個(gè)方便操作的界面，以接收用戶輸入的波形信息，并對(duì)輸入的信息進(jìn)行初步處理，將其轉(zhuǎn)化為一定格式的數(shù)據(jù)包，再通過串口將數(shù)據(jù)包發(fā)送給下位機(jī)。

隔離模塊可將刺激發(fā)生器的接地端和輸出接地端隔離，以防止由于生物體與電源地之間產(chǎn)生電勢(shì)差而對(duì)受試個(gè)體產(chǎn)生電擊，從而保護(hù)受試個(gè)體[4]。該模塊與電網(wǎng)僅通過串口線連接，所以僅在串口處加隔離就可實(shí)現(xiàn)輸出隔離的目的。該模塊采用隔離電源芯片B0505S進(jìn)行電源隔離，并通過高速光電耦合器6N137實(shí)現(xiàn)串口信號(hào)的傳輸[5]。

單片機(jī)采用STC12C5410AD系列高速單片機(jī)，用于接收上位機(jī)對(duì)幅值頻率的控制信號(hào)，可通過定時(shí)中斷功能，精確控制信號(hào)輸出時(shí)間，并采用輸出口控制DA轉(zhuǎn)換器。

DA轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將單片機(jī)輸出的電壓數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號(hào)。該模塊采用TLC7226四通道8位DA轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率較高，完成一次DA轉(zhuǎn)換的時(shí)間為1 μs，可充分滿足設(shè)計(jì)要求。

輸出緩沖模塊可提高系統(tǒng)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，通過電位器控制輸出刺激信號(hào)幅值。該模塊采用TL082低功耗JFET型通用集成運(yùn)放，具有輸出短路保護(hù)功能，其輸入偏置電流較小，適用于信號(hào)處理。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的主要功能是設(shè)計(jì)一個(gè)便于操作的人機(jī)界面，對(duì)下位機(jī)的輸出波形的形狀、幅度以及頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。上位機(jī)界面制作使用Microsoft Visual Studio 2010作為軟件開發(fā)環(huán)境，選擇C#作為編程語(yǔ)言，在Microsoft .Net Framework2.0平臺(tái)下運(yùn)行。軟件部分由頻率選擇面板、波形控制面板、波形顯示面板和串口控制面板4部分組成。

電刺激發(fā)生裝置軟件部分工作流程圖，見圖2。軟件界面接收用戶的輸入信息，當(dāng)用戶設(shè)定的波形或頻率發(fā)生改變時(shí)，軟件將重新獲取用戶新輸入的波形和頻率信息，再將以上信息轉(zhuǎn)化為下位機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)包，最后將數(shù)據(jù)包通過串口發(fā)送給下位機(jī)。

圖2 電刺激發(fā)生裝置軟件工作流程圖

1.3 軟硬件接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)將上位機(jī)的數(shù)據(jù)按照一定格式通過數(shù)據(jù)線傳遞給下位機(jī)，必須確保數(shù)據(jù)傳遞快捷、無(wú)誤。串口通信協(xié)議是一種通用的設(shè)備通信協(xié)議[6]，故本系統(tǒng)通過串口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信。

串口數(shù)據(jù)包是按照一定格式由上位機(jī)發(fā)送給下位機(jī)的數(shù)據(jù)，其中包含了波形的頻率信息和形狀信息。本系統(tǒng)使用高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器PL2303模塊作為USB和串口之間的轉(zhuǎn)換工具，能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)的UART端口更高的吞吐量[7]。

2 測(cè)試驗(yàn)證

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：① 輸出波形：占空比可變的方波、延遲方波以及自定義波形；② 頻率范圍：1 Hz～15 kHz；③幅值范圍：±50 mV～±5 V，連續(xù)可調(diào)。

研究表明，人頭顱表面的阻抗特性呈阻性和容性，在低頻段以阻性為主，隨著頻率的增高，其容性逐漸顯著。根據(jù)其他研究者對(duì)頭顱阻抗特性的研究[8]，本研究建立了等效負(fù)載模型，將系統(tǒng)輸出加到等效負(fù)載模型上進(jìn)行測(cè)試。

2.1 頻率準(zhǔn)確度

從系統(tǒng)輸出不同頻率的設(shè)定信號(hào)與實(shí)際輸出信號(hào)頻率的對(duì)比結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的輸出頻率具有較高的精確性（表1）。

表1 輸出信號(hào)理論頻率和實(shí)際輸出頻率對(duì)比表

2.2 幅度準(zhǔn)確度

該系統(tǒng)輸出頻率100 Hz、峰峰值為1 V的方波刺激時(shí)，負(fù)載兩端電壓隨負(fù)載阻抗變化的關(guān)系曲線，見圖3。系統(tǒng)的輸出幅值隨負(fù)載阻抗的變化較小，說(shuō)明該系統(tǒng)有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。

圖3 頻率100 Hz、峰峰值為1 V的方波刺激時(shí)負(fù)載-電壓曲線

2.3 波形精度

圖4(a)顯示的是自定義雙向脈沖波形在不同頻率下輸出的實(shí)際波形。圖4(b)顯示的是目前治療較為常用的頻率[2]（100 Hz）信號(hào)刺激頭顱模型的波形圖，對(duì)比用戶定義的輸入波形可見，輸出的刺激波形具有較高的精密性。圖4(c)顯示的是頻率10 kHz信號(hào)刺激頭顱模型的波形圖，波形的跳變處出現(xiàn)了輕微失真，這是頭顱的容性阻抗造成的，在頻率較低時(shí)影響較小，在頻率較高時(shí)影響較為明顯。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)的軟件和硬件模塊均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

圖4 理論輸出波形與本系統(tǒng)產(chǎn)生的100 Hz和10 kHz自定義波形刺激頭顱模型波形圖

3 結(jié)論

本系統(tǒng)的輸出頻率可達(dá)15 kHz，超過市面上常見的電刺激器的頻率范圍，能夠較好地運(yùn)用在經(jīng)顱電刺激的科學(xué)研究上；可以輸出通過軟件編輯的任意自定義波形，便于研究不同的電刺激波形對(duì)生物的影響，并能夠?qū)Χ喾N實(shí)際波形進(jìn)行驗(yàn)證和研究；通過上位機(jī)控制硬件，操作直觀，輸入靈活。與市場(chǎng)上常見的經(jīng)顱電刺激器相比，本系統(tǒng)更輕便靈活、方便快捷，且成本較低，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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Development of Transcranial Electrical Stimulation System

ZHU Zheng-lin, REN Zhao-hui
School of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, China

The paper explained the development of a kind of electrical stimulator for transcranial electric stimulation therapy. The stimulator is mainly composed of a STC12C5410 single chip microcomputer, a DA converter, a buffer amplifier, and an isolating device. The stimulator can produce user-defined stimulating signals that have different frequency, voltage, and waveforms through software control hardware. The system is characterized by features such as low-power consumption, improved safety and convenient index-adjustment. The system has certain practical value in the scientific research and clinical application of transcranial electric stimulation therapy.

transcranial electrical stimulation; single chip microcomputer; DA converter; buffer amplifier

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.03.009

1674-1633(2016)03-0048-02

2015-10-07

2015-12-10

任朝暉，副教授。

通訊作者郵箱：bmeren@163.com