吳正平　王建鋒　朱壽羽　吳凡　貢旭彬　魏歡

摘要：文章介紹了經(jīng)顱直流電刺激器的作用原理、應(yīng)用范圍和安全性，并設(shè)計(jì)了一種經(jīng)顱直流電刺激器。其功能是利用一種為非侵入性，恒定的、低強(qiáng)度的直流電作用于人體大腦皮層，從而達(dá)到抑制人體過度興奮或者改善情緒低落的目的。該設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制刺激電流輸出的大小和刺激時(shí)間的長(zhǎng)短，具有控制精度高、定時(shí)功能、模式選擇多樣化等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：經(jīng)顱直流電；刺激器；tDCS；單片機(jī)；電流輸出 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：R318 文章編號(hào)：1009-2374（2016）26-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.012

1 概述

在現(xiàn)代快節(jié)奏的生活中，各種生活壓力、工作壓力困擾著大批人群，因此人們對(duì)精神世界的追求也越來(lái)越高，作為一種全新的技術(shù)，tDCS在調(diào)整人體精神狀態(tài)方面起著越來(lái)越大的作用，其可以通過微弱的電流刺激人腦，從而改變?nèi)梭w精神狀態(tài)。而目前面向市場(chǎng)的tDCS設(shè)備主要是來(lái)自于國(guó)外，如美國(guó)生產(chǎn)的Thync，國(guó)內(nèi)雖然有相關(guān)的研究但是并沒有產(chǎn)品推廣到市場(chǎng)中，隨著科學(xué)的發(fā)展和人們對(duì)腦神經(jīng)的認(rèn)知，tDCS擁有的獨(dú)特性能將在未來(lái)市場(chǎng)中擁有廣闊的發(fā)展前景。

本文設(shè)計(jì)一種高精度、多模式選擇、高性能、便攜式的經(jīng)顱直流電刺激器，其可以通過不同模式的選擇達(dá)到刺激效果的不同。選用低功耗、具有8K系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的8位AVR微控制器作為系統(tǒng)控制主芯片，通過5個(gè)具有獨(dú)立按鍵可以控制時(shí)間的增加減少、運(yùn)行模式的選擇、系統(tǒng)設(shè)置和復(fù)位功能。為了增加電源的穩(wěn)定性，系統(tǒng)選擇了LT1026和ASM1117穩(wěn)壓芯片對(duì)電壓進(jìn)行精確的控制。而且為了能更好地反映當(dāng)前系統(tǒng)輸出刺激電流的大小，系統(tǒng)還利用高精度電流計(jì)對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋顯示。其系統(tǒng)總框架圖如圖1所示：

2 tDCS作用原理

人體的細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)是存在一定的電位差的，一般在10～100mV之間，且細(xì)胞膜外的電位高于細(xì)胞內(nèi)的電位，該電位在未受到外界刺激，保持正常的新陳代謝時(shí)，膜內(nèi)外兩側(cè)的電位會(huì)維持在一個(gè)相對(duì)恒定的水平，我們將這個(gè)電位稱為靜息膜電位，而當(dāng)可興奮組織或細(xì)胞受到刺激時(shí)，靜息電位發(fā)生變化，當(dāng)膜內(nèi)負(fù)電位值增大的時(shí)候，此時(shí)稱為超極化，而膜內(nèi)負(fù)值電位減少的時(shí)候則稱為去極化。tDCS對(duì)皮質(zhì)興奮性的調(diào)節(jié)主要是依據(jù)極性不同電位引起靜息膜電位的超級(jí)化或者去極化，將電極置于頭皮，向人體大腦皮層輸入微小的電流來(lái)改變大腦的膜內(nèi)外兩側(cè)電位的狀態(tài)，使靜息電位發(fā)生超極化或者去極化現(xiàn)象，從而起到抑制興奮性或者提高興奮性的目的。

3 tDCS應(yīng)用范圍和安全性

tDCS使用的是已經(jīng)確定的安全協(xié)議，安全協(xié)議是指科研人員在對(duì)tDCS進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)之后，分析得出的刺激時(shí)間和刺激強(qiáng)度以及相關(guān)的刺激步驟，刺激點(diǎn)可能會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不適的地方。目前為止，這項(xiàng)協(xié)議并沒有完全地設(shè)置完整，目前業(yè)界普遍認(rèn)為的是刺激電流不能超過2毫安，刺激時(shí)間為20分鐘左右，同時(shí)刺激強(qiáng)度也被嚴(yán)格地限制。截至目前，尚未有tDCS對(duì)人體造成傷害的報(bào)道，tDCS這項(xiàng)技術(shù)被認(rèn)為是一種安全的經(jīng)顱刺激方式。目前這項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于以下三個(gè)領(lǐng)域：

3.1 臨床治療

作為一種全新的治療方式，tDCS不同于常規(guī)的治療方法，其獨(dú)特的治療方式在臨床治療上取得了顯著的效果，特別是在一些常規(guī)治療效果不佳的領(lǐng)域，如抑郁癥、帕金森、腦中風(fēng)等。

3.2 認(rèn)知功能

tDCS主要采用經(jīng)顱直流電刺激療法，通過微弱的直流電流，持續(xù)透過頭皮給予大腦刺激，通過刺激部位的不同，會(huì)提高各種認(rèn)知功能的表現(xiàn)，在試驗(yàn)中，志愿者被剝奪30個(gè)小時(shí)的睡眠時(shí)間，在使用tDCS刺激背側(cè)前額葉皮質(zhì)（負(fù)責(zé)注意力的關(guān)鍵區(qū)域）后進(jìn)行測(cè)試，覺醒度和反應(yīng)速度都比未接受刺激的志愿者高200%。在tDCS刺激下可以加快學(xué)習(xí)的過程，提高學(xué)習(xí)能力和記憶力。

3.3 調(diào)節(jié)情緒

生活壓力、工作壓力、亞健康都會(huì)影響情緒，提不起精神，甚至產(chǎn)生抑郁悲傷，使用tDCS可以讓人從低落的情緒中恢復(fù)過來(lái)；同樣情緒暴躁、精神過度興奮的時(shí)候，tDCS也可以讓患者迅速冷靜下來(lái)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心部分，高性能、低功耗的8位AVR微處理器芯片Atmega48控制的，外設(shè)5個(gè)獨(dú)立按鍵，分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)置、刺時(shí)間的增加和減少、停止運(yùn)行和復(fù)位功能。

4.2 電流模塊設(shè)計(jì)

電流模塊主要是由電壓轉(zhuǎn)換模塊LT1026和三端可調(diào)恒流源LM334組成，LT1026的輸出電壓是4～10V，電流的輸出穩(wěn)定在15mA左右，LM334是三端可調(diào)恒流源芯片，在工作電流內(nèi)恒流源可調(diào)范圍為1000∶1，并且具有1～40V寬的動(dòng)態(tài)電壓范圍，恒流特性非常好。

5 測(cè)試結(jié)果

5.1 波形顯示測(cè)試

如圖3和圖4所示，其顯示波形為非常規(guī)的波形。

5.2 電流顯示模塊測(cè)試

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了經(jīng)顱直流電刺激器的研究背景和現(xiàn)狀，深入探討了它作為一種改變?nèi)梭w精神狀態(tài)的功能用途。針對(duì)此類產(chǎn)品所具有的缺陷，本文也分析并提出具體的解決方法，以便更好地設(shè)計(jì)出功能更為齊全、更加實(shí)用的經(jīng)顱直流電刺激器。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）