一種腦電刺激器電路設(shè)計(jì)

周樟偉，朱丹峰，陶大錦

(溫州醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，浙江溫州325035)

當(dāng)前，我國人民已進(jìn)入市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的大潮之中，激烈的市場(chǎng)競爭使人們處于過度的精神緊張狀態(tài)，這種不良的情緒使人容易產(chǎn)生疲勞、失眠、頭痛及精神衰弱。各個(gè)年段學(xué)生們的壓力也越來越大，這就需要有一種方便而舒適的治療手段來緩解壓力。

醫(yī)學(xué)研究表明，人腦會(huì)自發(fā)輻射腦電波，腦電信號(hào)可以反映精神狀態(tài)的變化［1-5］，當(dāng)人在收到特定外部誘發(fā)刺激時(shí)，腦電信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)與外部刺激頻率保持一致“節(jié)律同步”的現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)正是基于腦電信號(hào)對(duì)外部刺激的同步化效應(yīng)，設(shè)計(jì)一套光聲刺激腦電誘發(fā)裝置，迅速調(diào)節(jié)人們的精神狀態(tài)，起到放松或催眠的效果。其研究的意義在于利用腦電誘發(fā)裝置根據(jù)需要輸出刺激來調(diào)節(jié)人體狀態(tài)用于臨床和日常生活。

1 腦電信號(hào)的分類及含義

按頻帶定義，一般可將腦電分為下面幾種［6］:

(1)δ波 頻帶范圍0.5 Hz～3 Hz，振幅為10 μV～20 μV，常在額部出現(xiàn)，其指數(shù)不超過5% ～8%，見于兒童和成年人的睡眠時(shí)，在正常清醒的成人腦波中很少見。

(2)θ波 頻帶范圍4 Hz～7 Hz，振幅20 μV～40 μV，在顳葉、頂葉較明顯，一般倦時(shí)出現(xiàn)，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)抑制狀態(tài)的表現(xiàn)［7］。

(3)α波 頻帶范圍8 Hz～13 Hz，85%的成人在 9.5 Hz～10.5 Hz之間，振幅 1 μV-10 μV，是成人腦電信號(hào)的基本節(jié)律。α節(jié)律呈正弦形，安靜及閉眼時(shí)出現(xiàn)最多，睜眼、光刺激或精神活動(dòng)時(shí)，α波會(huì)受到影響，這是正常腦電圖的重要標(biāo)志之一［8-10］。

(4)β波 頻帶范圍14 Hz～30 Hz，電壓幅度低于5 μV ～30 μV，在注意力集中或情緒緊張時(shí)出現(xiàn)較多。

(5)γ波 頻帶范圍30 Hz～100 Hz及以上，它與β波同屬快波，快波增多，波幅增高是神經(jīng)細(xì)胞興奮型增高的表現(xiàn)。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的功能就是產(chǎn)生各種與上述腦電頻率相適應(yīng)外部刺激來調(diào)節(jié)腦電頻率。系統(tǒng)由51單片機(jī)(CPU)、時(shí)鐘電路、控制鍵盤、LCD、AD9851(信號(hào)發(fā)生)、低通濾波器、放大電路和聲光輸出模塊組成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)硬件

2.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

選用STC89C52RC型號(hào)單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。工作電壓3.3～5.5V，工作頻率范圍0～40 MHz，片上集成512 byte RAM，具有看門狗功能。

圖2 單片機(jī)及其時(shí)鐘和復(fù)位電路

時(shí)鐘電路和復(fù)位電路如圖2所示。復(fù)位電路由按鍵和上電復(fù)位兩部分組成。STC89C52RC單片機(jī)為高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引腳上通過一個(gè)22 μF電容接到VCC，另一端再連接一個(gè)400 Ω電阻到地，電源經(jīng)過2 kΩ電阻和開關(guān)連接到復(fù)位端，由此形成一個(gè)RC充放電回路，保證單片機(jī)在上電時(shí)有足夠時(shí)間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)。STC89C52RC使用外部12 MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可，電容選為30 pF。

2.2.2 控制鍵盤和數(shù)碼管

由于MCU的I/O資源有限，選用ZLG7290擴(kuò)展鍵盤和數(shù)碼管，其與MCU之間采用I2C串行總線接口，只需兩根信號(hào)線，節(jié)省I/O資源，工作電壓范圍為3.3 V～5.5 V。ZLG7290能夠管理多達(dá)64只按鍵，其中有8只可以作為功能鍵使用;利用功率電路可以方便的驅(qū)動(dòng)1 inch以上的大型數(shù)碼管;可提供10種數(shù)字和21字母譯碼顯示功能。本系統(tǒng)采用其中的16個(gè)按鍵和8位數(shù)碼管。16個(gè)按鍵為數(shù)字0-9及確定和其他功能鍵，可由軟件編寫實(shí)現(xiàn)。數(shù)字鍵用來設(shè)定閃光頻率及音頻信號(hào)的節(jié)拍等，數(shù)碼管顯示鍵盤操作時(shí)的數(shù)據(jù)。

ZLG7290芯片為低電平復(fù)位，在復(fù)位引腳上通過一個(gè)47 kΩ的電阻接電源，另一端再連接一個(gè)0.1 μF的電容到地。因此形成一個(gè)RC充放電回路保證在上電時(shí)有足夠時(shí)間的低電平進(jìn)行復(fù)位，隨后到高電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)。其工作電路如圖3～圖5所示。

圖3 ZLG7290及其時(shí)鐘和復(fù)位電路

圖4 數(shù)碼管

2.2.3 AD9851信號(hào)發(fā)生模塊

AD9851是ADI公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)推出的高集成度DDS頻率合成器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成和時(shí)鐘發(fā)生。具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。

AD9851接口功能控制簡單，可以用8 bit并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)。AD9851采用先進(jìn)的CMOS工藝，功耗低，3.3 V供電時(shí)，功耗為155 mW。內(nèi)置32位頻率累加器、高速D/A轉(zhuǎn)換器、高速比較器和可選通的時(shí)鐘電路。通過控制內(nèi)部5個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的控制字實(shí)現(xiàn)其可編程功能，數(shù)據(jù)總線D0～D7完成并行工作［11-12］。其與單片機(jī)的接口如圖6所示。

圖5 鍵盤電路

圖6 AD9851基本時(shí)鐘發(fā)生器構(gòu)造及與單片機(jī)的接口

2.2.4 放大模塊

主要是對(duì)輸出的正弦信號(hào)和方波信號(hào)進(jìn)行放大處理。AD9851輸出正弦波信號(hào)的幅值為0～1 V，所以利用同相比例運(yùn)算電路對(duì)其放大5倍來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管和耳機(jī)。在放大電路中利用反饋電阻的可調(diào)性來調(diào)節(jié)輸出幅值的大小，如圖7所示。

圖7 放大電路

2.2.5 液晶顯示電路

液晶顯示電路用于顯示漢字、圖形等，其與單片機(jī)的接口如圖8所示。該電路采用的JM12864M是漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，它可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字(16×16點(diǎn)陣)、128字符(8×16點(diǎn)陣)及64×256點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)。具有單工作電壓(+5 V，內(nèi)置升壓電路，無需負(fù)壓)，與MCU多種連接方式(8位或4位并行、3位串行)、多種軟件功能(光標(biāo)顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等)等優(yōu)點(diǎn)［13-14］。

圖8 液晶與單片機(jī)的接口

液晶的數(shù)據(jù)傳輸端接單片機(jī)的P1口，寄存器選擇端RS接P3.7，寫控制端接P3.6，讀控制端接P3.0，液晶使能端接P3.1。

2.2.6 聲光輸出模塊

該部分主要是由控制閃光刺激的數(shù)據(jù)線和耳機(jī)接口組成。閃光刺激的實(shí)現(xiàn)是靠紅、綠顏色的亮度LED實(shí)現(xiàn)。LED是電流驅(qū)動(dòng)元件，為了保證LED的正常工作，在LED上加限流電阻，LED的點(diǎn)亮與熄滅由經(jīng)過放大的正弦電壓信號(hào)控制，通過單片機(jī)的程序控制來調(diào)節(jié)其閃爍的頻率。聲音主要由外接的耳機(jī)插槽作為輸出接口，接上耳機(jī)就可以聽到具有一定節(jié)拍和頻率的聲音，節(jié)拍由鍵盤輸入單片機(jī)控制，通過電位器來調(diào)節(jié)輸出音量的高低。人耳可識(shí)別的聲音頻率在20 kHz～20 kHz之間，但對(duì)于節(jié)拍的反應(yīng)很敏感，在程序編寫是主要利用α頻率的節(jié)拍對(duì)受試者進(jìn)行聲音刺激，頻率集中在200 Hz左右。實(shí)驗(yàn)過程如圖9所示，平靜和刺激狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間分別為2 min和3 min，直到4個(gè)實(shí)驗(yàn)周期的采集完成。

圖9 實(shí)驗(yàn)過程示意圖

3 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)主程序流程如圖10所示。在系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括液晶、中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)定，給系統(tǒng)變量賦初值。然后掃描獲取鍵值，判斷啟動(dòng)鍵是否按下，按下后再進(jìn)入系統(tǒng)掃描各個(gè)功能鍵繼而執(zhí)行相應(yīng)子程序。圖中的鍵盤掃描有兩種狀態(tài)，用r來表示，當(dāng)r=0時(shí)，鍵盤是各個(gè)功能鍵;當(dāng)r=1時(shí)進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，掃描數(shù)字鍵0～9并做相應(yīng)計(jì)算后輸出。

圖10 軟件流程圖

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)符合實(shí)際需要的腦電刺激器裝置?？赏ㄟ^操作界面(16個(gè)按鍵和液晶顯示器)的控制，實(shí)現(xiàn)默認(rèn)設(shè)置程序的運(yùn)行，或者進(jìn)行設(shè)置參數(shù)后再執(zhí)行按一定時(shí)序變化的程序。程序執(zhí)行后，能輸出特定頻率的聲光刺激脈沖，誘發(fā)相應(yīng)的腦電波。

鍵盤按鍵說明:鍵盤編號(hào)從上到下、從左往右依次編號(hào)為 1，2，…，16，按13 鍵進(jìn)入系統(tǒng)，14 退出，15進(jìn)入設(shè)置模式，16為確認(rèn)鍵。未進(jìn)入系統(tǒng)前按鍵無任何反應(yīng)，按13鍵進(jìn)入系統(tǒng)后按前四個(gè)鍵(1-4)分別進(jìn)入δθαβ波光刺激模式，5-8鍵為δθαβ波變頻光刺激模式，9鍵為α節(jié)拍聲音刺激模式。LED上顯示鍵盤操作的數(shù)據(jù)，液晶屏上顯示相關(guān)文字信息及操作提示等。進(jìn)入設(shè)置模式后前10個(gè)鍵為0-9數(shù)字鍵，可以設(shè)置閃光和聲音的頻率。還有幾個(gè)鍵可設(shè)定其他功能，由相應(yīng)軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)。

圖11 輸出波形(黃色)和放大后波形(綠色)

通過示波器觀察輸出信號(hào)，并經(jīng)過放大模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，二者波形如圖11所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)一致，信號(hào)放大了5倍。能通過鍵盤控制刺激模式和設(shè)置刺激頻率，達(dá)到理想的效果。系統(tǒng)實(shí)物如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)硬件電路

5 結(jié)論

本文介紹了腦電頻率調(diào)節(jié)及方法，腦電信號(hào)根據(jù)其頻率的不同有規(guī)定的分類，不同頻率的腦電波反映了人不同的精神狀態(tài)，腦電頻率調(diào)節(jié)是基于腦電的節(jié)律同步化效應(yīng)，通過外界不同頻率的聲光等刺激來改變腦電信號(hào)頻率，可以達(dá)到使人處于不同精神狀態(tài)的目的。文中給出一種腦電刺激器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的詳細(xì)方案，硬件選用和原理圖等。通過系統(tǒng)硬件和軟件的共同作用實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果，該電路經(jīng)過實(shí)物樣機(jī)測(cè)試，完全達(dá)到實(shí)際使用要求，同時(shí)該系統(tǒng)具有成本低、精度高的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過程通過非接觸式的聲光刺激，具有無創(chuàng)傷性的特點(diǎn)。

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