劉光啟

河南省洛陽正骨醫(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實驗平臺，研制用于研究和分析運動想象康復(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)計要求。結(jié)果通過輸出波形和電流的重復(fù)驗證和計算，研制的多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱交流刺激器符合設(shè)計要求和設(shè)計原則。結(jié)論該多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱交流刺激器各項指標(biāo)和參數(shù)，和主流的經(jīng)顱電刺激器基本一樣。同時，其便攜性和智能化的特征使得其能夠更好地滿足后續(xù)的研究和實驗。

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)，它通過電極將低強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)活動的目的，從而能夠改善受刺激腦部區(qū)域的功能，因此愈來愈受到學(xué)界重視。近年來，諸如tACS的經(jīng)顱電刺激技術(shù)已被應(yīng)用于腦認(rèn)知功能增強和神經(jīng)精神類疾病康復(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)和作用機制的一種重要途徑和方法。目前，現(xiàn)有刺激器參數(shù)相對單一，對經(jīng)顱交流電刺激技術(shù)研究的開展存在一定制約。該文的目標(biāo)就是研制適用于tACS-EEG平臺的、特定的多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱交流刺激器。

1 系統(tǒng)設(shè)計方法與實現(xiàn)

經(jīng)顱交流電刺激波形有正弦波、對稱方波、非對稱方波、脈沖波形等，雖然尚未有報道系統(tǒng)闡述刺激波形是否對生物效應(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單一，給研究帶來一定局限性。此外，已有設(shè)備相對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展。因此，該研究設(shè)計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，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，見圖1。在控制器界面設(shè)置波形以及頻率、幅度、時間等刺激參數(shù)，控制器將參數(shù)信息按設(shè)計的通信協(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

控制模塊是刺激器主要硬件組成部分，主要功能為：① 與上位機通信，接收刺激參數(shù)；② 根據(jù)上位機指令控制輸出相應(yīng)的恒流刺激；③ 對刺激電流大小、接觸阻抗進(jìn)行檢測，保證設(shè)備安全性；④ 對回路電流進(jìn)行監(jiān)測，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)按照上位機要求精確輸出波形，需要采用高速DAC，DAC速度越快，一個波形周期內(nèi)可以設(shè)置的波形數(shù)據(jù)點就越多，波形就越精確。考慮到體積、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，見圖2。

由低失調(diào)電壓和低偏置電流的運輸放大器OP2177以及儀表放大器AD8422組成，從DAC出來的電壓經(jīng)過偏置放大器和一系列計算?？傻玫截?fù)載電流I為：

電流與負(fù)載無關(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，加入電流監(jiān)測電路，監(jiān)測刺激電流大小。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度。當(dāng)MCU監(jiān)測到平均電流強度大于閾值（本刺激器閾值設(shè)置為2 mA）時，中斷刺激輸出，以保證安全。

1.2 通信協(xié)議和軟件設(shè)計

為實現(xiàn)波形可任意定制，設(shè)計表1的協(xié)議。上位機根據(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)并校驗后，根據(jù)頻率設(shè)定定時器的中斷周期并在定時中斷內(nèi)通過串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）控制DAC輸出電壓Vdac(i)，由512個定時中斷完成一個周期的波形輸出。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算：

再根據(jù)公式(1)，得到每次定時中斷DAC的輸出值Vdac(i)：

根據(jù)協(xié)議，上位機向控制模塊發(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)及功能測試

最終研制的多參數(shù)刺激器，見圖3。為驗證刺激器是否符合設(shè)計預(yù)期，對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)行測試。

圖3 多參數(shù)可調(diào)經(jīng)顱交流電刺激器實物圖。

2.1 波形輸出控制檢驗

在上位機端任意設(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)計預(yù)期。

2.2 電流輸出精度及線性度測量

由于系統(tǒng)的使用場合為常溫場合，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個不同的輸出電流值20、200和360 μA，然后各重復(fù)測量10次。統(tǒng)計結(jié)果，見表2。在所測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，通過設(shè)置不同的輸出電流值（0～400 μA，每20 μA一個點）并時測量實際的輸出電流值，對儀器的輸出線性度進(jìn)行檢測。設(shè)定值與實際測量電流值關(guān)系，見圖5。對實際輸出電流值進(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)過一系列性能指標(biāo)的測試，基本符合當(dāng)初的設(shè)計理念和設(shè)計要求，而且調(diào)試的結(jié)果在設(shè)計的范圍內(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。

運動想象療法作為一種新興的運動功能康復(fù)手段越來越受到關(guān)注，逐漸成為研究熱點。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)，具有提升運動想象任務(wù)能力，促進(jìn)運動想象康復(fù)療法效果的可能性。本文為后續(xù)基于tACS-EEG平臺的對運動想象康復(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)顱交流電刺激對運動想象任務(wù)能力的影響，并通過EEG量化經(jīng)顱交流電刺激引起的腦活動特征變化探索刺激的作用機制提供了硬件基礎(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