邵碧欣，朱曉琪，李尤君，鄭良，李晨曦，王玨

1.西安交通大學生物醫(yī)學信息工程教育部重點實驗室，神經功能信息學與康復工程民政部重點實驗室，生命科學與技術學院，健康與康復科學研究所，陜西西安市710049；2.國家醫(yī)療保健器具工程技術研究中心，陜西西安市710049

目前，阿爾茨海默病(Alzheimer "s disease,AD)等神經類疾病的發(fā)病率有逐漸增高的趨勢[1-2]。經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)作為一種無創(chuàng)腦刺激技術[3]，可以通過經顱低強度電流誘導和調節(jié)谷氨酸能神經元可塑性[4-5]，對AD的治療效果顯著，得到廣泛應用[6-8]。

目前，國內還沒有專業(yè)的經顱直流電刺激儀器，臨床試驗主要使用德國NeuroConn公司研發(fā)的DCSTⅠMULATOR系列產品和美國Soterix公司的tDCS1×1等產品[9]，二者都存在不便攜帶、不能保存刺激信息、價格昂貴等缺點。這兩家公司聯合開發(fā)了一款用于大規(guī)模臨床試驗或家庭應用的便攜式tDCS MOBⅠLE和固定電極裝置，但刺激參數固定，只能通過連接電腦調節(jié)參數，不具有過流保護和阻抗檢測功能，且價格昂貴。

本研究設計并實現一種手機控制的低功耗、便攜式的經顱直流電刺激器，通過測試，刺激器和手機控制軟件的功能和性能達到設計要求。

1 總體設計

根據人類tDCS安全標準，tDCS刺激電流的合適強度為1～2 mA，刺激時間不超過30 min[10-12]，結合tDCS臨床試驗和患者家庭使用需求，本設計實現以下功能：輸出恒定、低強度(0.4～2 mA)的直流電；陽極刺激、陰極刺激、偽刺激三種刺激模式[13]；智能手機能夠設置刺激電流強度、刺激時間、漸入漸出時間、刺激模式等參數，檢測電極脫落，并可終止刺激；刺激過程中，手機實時顯示刺激狀態(tài)，刺激結束后保存刺激信息；過流保護功能和電量檢測功能。

經顱直流電刺激器分為刺激器和控制系統兩大部分(圖1)。用戶使用智能手機與刺激器交互，設置刺激參數；手機通過藍牙將參數信息發(fā)送至微處理器，微處理器控制刺激器輸出符合參數要求的直流電流，同時檢測刺激器在刺激過程中的狀態(tài)信息，并通過藍牙反饋至手機，刺激器則通過刺激電極提供刺激。

2 硬件

圖1 便攜式經顱直流電刺激器的總體設計

硬件設計的目標是實現可調恒定的電流輸出。使用tDCS時，人頭部阻抗約10～15 kΩ[14]，需實現的刺激電流0.4～2 mA，所以至少需要30Ⅴ刺激電壓。本項目選用36Ⅴ刺激電壓。為了實現簡易性和便攜性，采用9Ⅴ可充電電池為電路供電，利用升壓芯片MC34063，實現9Ⅴ到36Ⅴ升壓[15-16]，作為刺激電壓。利用穩(wěn)壓芯片TL783接9Ⅴ電源，實現5Ⅴ和3.3Ⅴ穩(wěn)壓，分別為場效應管2N7000門極穩(wěn)壓以及單片機提供電源。再利用可調穩(wěn)壓芯片TL431實現效應管源極電壓穩(wěn)定且可調[17]，因此場效應管源極與門極的電壓差穩(wěn)定可調。由于場效應管在放大區(qū)的轉移特性，可實現場效應管輸出電流恒定且可調[18]。總之，恒流電路總體設計為：通過兩個穩(wěn)壓器實現場效應管門極電壓恒定、源極電壓恒定且可調，實現刺激電流的恒定和可調(圖 2)。

刺激器外圍電路設計了阻抗檢測電路和過流保護電路，以保證刺激的有效性和安全性。硬件電路通過測試后印制電路板制板，提升硬件電路的穩(wěn)定性，并保證系統的便攜性。

3 控制系統

控制系統包括硬件下位機微控制器(Microcontroller Unit,MCU)的設計和手機安卓軟件的設計。

MCU采用MSP430F149作為控制芯片[19]，實現的功能包括刺激信息顯示、定時器、過流保護、藍牙收發(fā)數據等。刺激信息顯示采用有機發(fā)光二極管顯示屏[20]，通過串行外設接口通信[21]，顯示當前的刺激電流、接觸阻抗、刺激時間等信息。定時器使用外部晶振產生的精確時間確定刺激時間，并為藍牙通信提供時鐘信號。過流保護通過MCU的模數轉換器(Analogto-Digital Converter,ADC)實現，通過在刺激電路中串聯較小的電阻進行分壓，并將分壓值通過ADC端口輸入MCU，計算當前刺激電流，若電流超過設定閾值，則驅動繼電器斷開刺激電路。阻抗檢測也通過ADC模塊實現，用ADC的另一個端口采樣刺激電壓，刺激電壓與刺激電流的比值為當前接觸阻抗，若該值大于閾值，則關斷刺激電路。藍牙通信通過低功耗藍牙芯片HC06實現[22]，接收手機軟件的控制信號，并將MCU的數據信息發(fā)送至手機。

圖2 硬件主要模塊電路圖

手機安卓軟件是刺激器控制模塊的核心，實現的功能為設定刺激參數、檢測電極與皮膚的連接質量、顯示實際刺激參數和保存刺激信息等。軟件運行中的主線程為主界面活動，完成刺激電流和接觸阻抗波形圖的繪制、刺激狀態(tài)的顯示，以及數據的SD卡存儲等功能；藍牙通信為獨立于主線程以外的子線程，在后臺自行完成藍牙連接，并為主界面的活動提供數據來源[23-24]。

用戶輸入tDCS參數后，按下刺激開始按鈕即可。原理是手機軟件通過藍牙將信息發(fā)送到MCU的藍牙端，MCU從藍牙端讀取刺激參數，并通過輸出端口控制刺激電路的刺激狀態(tài)，從而實現手機軟件控制刺激電路。手機軟件涉及四個界面：①主界面，包含倒計時刺激控制和電流、阻抗的實時顯示；②刺激參數設置界面；③藍牙連接界面；④歷史數據查看界面。

單片機和手機藍牙之間傳輸數據的通信協議設計，手機到MCU的控制信號(如刺激開始、停止等控制信號，刺激時間、刺激電流等數據信號)使用8位2進制數據表示，MCU到手機的數據(采集到的實際電流值、接觸阻抗值、刺激時間等)使用3字節(jié)數據包表示，保證傳輸的準確性?？刂颇K可實現刺激狀態(tài)的多源控制[25]、刺激信息的實時顯示等功能(圖3)。

圖3 控制模塊設計原理圖

組合以上兩個模塊并調整各模塊執(zhí)行時序，通過3D打印刺激器的外殼，實現整體功能。最終的刺激器及其配套軟件的實物圖如圖4。各模塊執(zhí)行時序如下：打開刺激器并連接刺激器藍牙和手機藍牙，手機軟件設定刺激參數，刺激電路按照設置參數輸出刺激，刺激過程中MCU監(jiān)控刺激狀態(tài)并將刺激信息發(fā)送到手機軟件實時顯示；達到設定的刺激時間后斷開刺激電路電源，停止刺激并報告手機軟件以保存刺激信息；出現刺激電流過大等異常情況時MCU自動發(fā)出控制信號，切斷刺激電路電源停止刺激并報警。

4 功能測試

硬件部分完成刺激器輸出電流測試、刺激器允許負載測試、刺激信息采集測試、定時器功能測試等，控制軟件部分完成設備連接測試、電極脫落測試、刺激模式測試等。測試過程使用接近真實頭部阻抗的10 kΩ電阻模擬人腦顱骨阻抗[26-27]，采用數字萬用表電流檔測量通過電阻的電流，并在控制軟件和示波器上分別觀察刺激電流波形，對比分析軟件采集值與實際測量值的誤差。經過測試，本設計實現的低功耗、便攜式經顱直流電刺激器能夠正常執(zhí)行設定時序，手機軟件能夠正常完成設備連接，檢測電極脫落狀態(tài)，并控制電路輸出與預期相符的刺激電流。見表1。

圖4 刺激器及配套軟件的實物圖

表1 tDCS各模塊功能測試結果

5 討論

本研究設計并實現了一種手機控制的低功耗、便攜式經顱直流電刺激器。實現的主要功能有輸出恒定刺激電流、刺激參數設置、刺激參數實時顯示并保存、過流保護等。

相較目前市場上的tDCS產品，本研究設計的刺激器具有以下特點：①手機控制刺激器的運行，刺激參數設置靈活，使用簡單方便，同時手機控制軟件可以實時監(jiān)測刺激器的運行狀態(tài)，還可保存刺激信息，為下一步臨床治療提供參考；②刺激器輸出電流精度高，阻抗檢測與過流保護功能保證了治療的有效性與安全性，且可輸出陽極刺激、陰極刺激和偽刺激三種刺激模式，可滿足規(guī)?；R床試驗和家庭治療使用；③刺激器有體積小、低功耗、便攜、低成本的優(yōu)點。

綜上所述，本刺激器實現了預期的設定目標，能夠實現大規(guī)模生產并且面向家庭使用，降低治療成本，提高治療效果，使更多AD患者享受更好的康復治療與護理。