基于tACS-EEG平臺(tái)的多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱交流刺激器的研制

劉光啟

河南省洛陽(yáng)正骨醫(yī)院（河南省骨科醫(yī)院）放射科，河南 鄭州 450016

基于tACS-EEG平臺(tái)的多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱交流刺激器的研制

劉光啟

河南省洛陽(yáng)正骨醫(yī)院（河南省骨科醫(yī)院）放射科，河南 鄭州 450016

目的基于tACS-EEG實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研制用于研究和分析運(yùn)動(dòng)想象康復(fù)療法的一種定制的多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱電刺激器。方法選用低功耗芯片MSP430FR5739作為主MCU，再加上相關(guān)精確的輔助芯片，能夠高速的、精確地控制刺激器的輸出波形和電流，從而達(dá)到經(jīng)顱交流刺激器的設(shè)計(jì)要求。結(jié)果通過(guò)輸出波形和電流的重復(fù)驗(yàn)證和計(jì)算，研制的多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱交流刺激器符合設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原則。結(jié)論該多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱交流刺激器各項(xiàng)指標(biāo)和參數(shù)，和主流的經(jīng)顱電刺激器基本一樣。同時(shí)，其便攜性和智能化的特征使得其能夠更好地滿足后續(xù)的研究和實(shí)驗(yàn)。

多參數(shù)；交流電刺激；任意波形；低功耗；可定制

引言

經(jīng) 顱 交 流 電 刺 激（Transcranial Alternating Current Stimulation，tACS）是一種非侵入式神經(jīng)刺激技術(shù)，它通過(guò)電極將低強(qiáng)度的周期性交流電作用于特定腦區(qū)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)活動(dòng)的目的，從而能夠改善受刺激腦部區(qū)域的功能，因此愈來(lái)愈受到學(xué)界重視。近年來(lái)，諸如tACS的經(jīng)顱電刺激技術(shù)已被應(yīng)用于腦認(rèn)知功能增強(qiáng)和神經(jīng)精神類(lèi)疾病康復(fù)，并受到學(xué)術(shù)界和醫(yī)療界的廣泛關(guān)注[1–11]。經(jīng)顱交流電刺激結(jié)合腦電（tACS-EEG）是研究經(jīng)顱交流電刺激效應(yīng)和作用機(jī)制的一種重要途徑和方法。目前，現(xiàn)有刺激器參數(shù)相對(duì)單一，對(duì)經(jīng)顱交流電刺激技術(shù)研究的開(kāi)展存在一定制約。該文的目標(biāo)就是研制適用于tACS-EEG平臺(tái)的、特定的多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱交流刺激器。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)

經(jīng)顱交流電刺激波形有正弦波、對(duì)稱方波、非對(duì)稱方波、脈沖波形等，雖然尚未有報(bào)道系統(tǒng)闡述刺激波形是否對(duì)生物效應(yīng)、組織舒適度等有顯著影響，但已有多種刺激波形的經(jīng)顱交流電刺激設(shè)備用于各類(lèi)神經(jīng)精神疾病治療的探索中，刺激效應(yīng)與刺激波形之間可能相關(guān)[12-16]。已有經(jīng)顱電刺激設(shè)備提供的刺激波形相對(duì)單一，給研究帶來(lái)一定局限性。此外，已有設(shè)備相對(duì)較高的成本在一定程度上也限制了經(jīng)顱交流電刺激研究的開(kāi)展。因此，該研究設(shè)計(jì)了可輸出任意波形的多參數(shù)經(jīng)顱交流電刺激器，設(shè)備提供經(jīng)顱電刺激典型的參數(shù)范圍并且可根據(jù)研究需要設(shè)置任意刺激波形，與現(xiàn)有經(jīng)顱電刺激儀器相比，更利于刺激波形與作用效應(yīng)之間的關(guān)系研究。同時(shí)，該儀器的研制遵循了可控性、有效性、生物安全性等原則。

刺激器整體方案，見(jiàn)圖1。在控制器界面設(shè)置波形以及頻率、幅度、時(shí)間等刺激參數(shù)，控制器將參數(shù)信息按設(shè)計(jì)的通信協(xié)議發(fā)送至刺激器端，控制其輸出相應(yīng)的參數(shù)的刺激波形。

1.1 刺激器控制模塊的硬件設(shè)計(jì)

控制模塊是刺激器主要硬件組成部分，主要功能為：① 與上位機(jī)通信，接收刺激參數(shù)；② 根據(jù)上位機(jī)指令控制輸出相應(yīng)的恒流刺激；③ 對(duì)刺激電流大小、接觸阻抗進(jìn)行檢測(cè)，保證設(shè)備安全性；④ 對(duì)回路電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證刺激安全性。綜合考慮功耗和性能需求，選用Texas Instrument公司的低功耗芯片MSP430FR5739作為主MCU，最高運(yùn)行頻率可達(dá)24 MHz，睡眠模式下最小電流為10 μA。為了使刺激系統(tǒng)按照上位機(jī)要求精確輸出波形，需要采用高速DAC，DAC速度越快，一個(gè)波形周期內(nèi)可以設(shè)置的波形數(shù)據(jù)點(diǎn)就越多，波形就越精確?？紤]到體積、功耗和速度，選擇Texas Instrument公司的DAC7311，系統(tǒng)采用4.7 V電池供電，經(jīng)過(guò)線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換成3.3 V的系統(tǒng)電壓，3.3 V電壓經(jīng)過(guò)Linear Technology公司的LT1615升壓后轉(zhuǎn)換成±18 V給系統(tǒng)放大器供電。

圖1 多參數(shù)可調(diào)刺激器方案示意圖

經(jīng)顱交流電刺激一般采用雙相電流波形。雙極性恒流源電路，見(jiàn)圖2。

由低失調(diào)電壓和低偏置電流的運(yùn)輸放大器OP2177以及儀表放大器AD8422組成，從DAC出來(lái)的電壓經(jīng)過(guò)偏置放大器和一系列計(jì)算。可得到負(fù)載電流I為：

電流與負(fù)載無(wú)關(guān)，取Vref30=3 V，R34=3.1 kΩ，R35=5 kΩ，Vdac的范圍為1～2 V，因此電流I的范圍為-1500～+1500 μA，符合經(jīng)顱電刺激電流幅值要求，并且在與皮膚接觸阻抗不大于12 kΩ情況下，輸出電流與Vdac成線性關(guān)系，可通過(guò)DAC線性控制刺激電流的輸出。為保證安全性，刺激器采用電池供電。同時(shí)，加入電流監(jiān)測(cè)電路，監(jiān)測(cè)刺激電流大小。在刺激電路回路中串入100 Ω精度為1%的采樣電阻，采樣電壓通過(guò)檢波電路變換成單極性后，進(jìn)行積分成直流輸出，送入MCU的ADC中，此幅度值代表了平均電刺激強(qiáng)度。當(dāng)MCU監(jiān)測(cè)到平均電流強(qiáng)度大于閾值（本刺激器閾值設(shè)置為2 mA）時(shí)，中斷刺激輸出，以保證安全。

1.2 通信協(xié)議和軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)波形可任意定制，設(shè)計(jì)表1的協(xié)議。上位機(jī)根據(jù)通信協(xié)議將波形數(shù)據(jù)、頻率等參數(shù)發(fā)送給控制模塊，波形數(shù)據(jù)用8位字節(jié)表示。在經(jīng)顱交流電刺激對(duì)認(rèn)知功能影響研究中，一般采用腦電節(jié)律所在頻段范圍刺激，本刺激器提供輸出的頻率范圍是f=0～99.9 Hz，覆蓋絕大部分腦電節(jié)律，頻率調(diào)節(jié)精度0.1 Hz。由于一個(gè)周期內(nèi)的波形數(shù)據(jù)量為512 Byte，在最大輸出頻率情況下，最小輸出脈寬約0.2 μs，滿足最小刺激脈寬要求[5]。

表1 定制波形輸出通信協(xié)議

刺激器收到數(shù)據(jù)W(i)(i = 1, 2, ..., 512)并校驗(yàn)后，根據(jù)頻率設(shè)定定時(shí)器的中斷周期并在定時(shí)中斷內(nèi)通過(guò)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）控制DAC輸出電壓Vdac(i)，由512個(gè)定時(shí)中斷完成一個(gè)周期的波形輸出。刺激電流是交變電流，根據(jù)刺激波形的產(chǎn)生原理，波形數(shù)據(jù)i 對(duì)應(yīng)的刺激電流I(i)與波形數(shù)據(jù)W(i)成線性關(guān)系：

圖2 恒流源發(fā)生電路

D為輸出電流相關(guān)系數(shù)。根據(jù)電流產(chǎn)生原理，輸出電流的有效電流（RMS Current）Irms為：

當(dāng)設(shè)定Irms后，系數(shù)D可以按照如下公式計(jì)算：

再根據(jù)公式(1)，得到每次定時(shí)中斷DAC的輸出值Vdac(i)：

根據(jù)協(xié)議，上位機(jī)向控制模塊發(fā)送任意512 Byte的波形數(shù)據(jù)和頻率數(shù)據(jù)以控制控制模塊端輸出相應(yīng)頻率的刺激波形。

2 儀器的指標(biāo)及功能測(cè)試

最終研制的多參數(shù)刺激器，見(jiàn)圖3。為驗(yàn)證刺激器是否符合設(shè)計(jì)預(yù)期，對(duì)刺激器輸出波形一致性、電流精度及輸出電流線性度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

圖3 多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱交流電刺激器實(shí)物圖。

2.1 波形輸出控制檢驗(yàn)

在上位機(jī)端任意設(shè)定512 Byte波形數(shù)據(jù)，負(fù)載用40 kΩ 1%精度的電阻，用示波器采集電阻兩端電壓，理論波形和輸出波形，見(jiàn)圖4，系統(tǒng)輸出波形與理論波形一致，符合可定制輸出刺激波形的設(shè)計(jì)預(yù)期。

2.2 電流輸出精度及線性度測(cè)量

由于系統(tǒng)的使用場(chǎng)合為常溫場(chǎng)合，因此關(guān)注系統(tǒng)在常溫下的輸出電流線性度和控制精度。這些指標(biāo)受DAC位數(shù)、恒流源電路電阻精度以及系統(tǒng)的分布參數(shù)等影響。為測(cè)試刺激電流精度，在控制端設(shè)定波形數(shù)據(jù)為恒定值，負(fù)載為40 kΩ 1%精度的電阻，電壓采集儀器為RIGOL DM3058，將采集電壓經(jīng)歐姆定律換算回電流。設(shè)置3個(gè)不同的輸出電流值20、200和360 μA，然后各重復(fù)測(cè)量10次。統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表2。在所測(cè)試的電流值上輸出電流的控制精度在5%以內(nèi)并具有較小的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4 512 Byte 理論數(shù)據(jù)波形（a）和刺激器輸出的實(shí)際波形（b）

表2 電流控制精度

在控制端設(shè)定波形數(shù)據(jù)為恒定值，通過(guò)設(shè)置不同的輸出電流值（0～400 μA，每20 μA一個(gè)點(diǎn)）并時(shí)測(cè)量實(shí)際的輸出電流值，對(duì)儀器的輸出線性度進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量電流值關(guān)系，見(jiàn)圖5。對(duì)實(shí)際輸出電流值進(jìn)行線性擬合后，得到線性系數(shù)接近于1，證明刺激器輸出電流具有良好的線性度。

3 結(jié)果與討論

綜上所述，研制的該多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱交流電刺激器經(jīng)過(guò)一系列性能指標(biāo)的測(cè)試，基本符合當(dāng)初的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)要求，而且調(diào)試的結(jié)果在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。而且，設(shè)備與目前主流經(jīng)顱電刺激設(shè)備主要指標(biāo)參數(shù)[1-2,17-20]，見(jiàn)表3。最大輸出電流、最大輸出電壓等主要參數(shù)與主流設(shè)備基本處于同一水平。

圖5 輸出電流線性度

表3 經(jīng)顱電刺激設(shè)備功能參數(shù)比較

另外，該多參數(shù)可調(diào)刺激器提供可定制的刺激波形，便于研究經(jīng)顱交流電刺激刺激效應(yīng)與波形之間的關(guān)系。

運(yùn)動(dòng)想象療法作為一種新興的運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)手段越來(lái)越受到關(guān)注，逐漸成為研究熱點(diǎn)。經(jīng)顱交流電刺激作為重新興起的神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，具有提升運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)能力，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)想象康復(fù)療法效果的可能性。本文為后續(xù)基于tACS-EEG平臺(tái)的對(duì)運(yùn)動(dòng)想象康復(fù)療法的研究和分析提供了特定的、有效的硬件工具和條件。也是為進(jìn)一步揭示經(jīng)顱交流電刺激對(duì)運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)能力的影響，并通過(guò)EEG量化經(jīng)顱交流電刺激引起的腦活動(dòng)特征變化探索刺激的作用機(jī)制提供了硬件基礎(chǔ)。

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本文編輯 袁雋玲

Development of Multi-parameters Adjustable Transcranial Alternating Electrical Stimulator Based on tACS-EEG

LIU Guang-qi

Department of Radiology, Luoyang Orthopedic Hospital of Henan Province (Orthopedic Hospital of Henan Province), Zhengzhou Henan 450016, China

ObjectiveTo develop a kind of customized multi-parameters adjustable transcranial alternating stimulator to perform research and analysis on motor imagery rehabilitation therapy based on experiment platform of tACS-EEG.MethodsLow power chip (MSP430FR5739) was used to be host MCU, and some related accurately auxiliary chips were added to control the output waveform and current of stimulator high-speedily and accurately. In this case, the designed requirement of transcranial alternating stimulator could be reached.ResultsAccording to repeatability verification and calculation, the multi-parameters adjustable transcranial alternating stimulator was accorded with design requirement and principle.ConclusionVarious indexes and parameters of the multi-parameters adjustable transcranial alternating stimulator were essentially the same as the mainstream TCS. Meanwhile, its portability and intelligence characteristics make it satisfy the subsequent study and experiment better.

multi-parameters; alternating current stimulator; arbitrary waveform; low power; customizable

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.012

1674-1633(2017)08-0047-04

2016-12-22

2017-01-13

作者郵箱：15617928681@163.com