賈鑫，李小俚

1. 燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2. 北京師范大學(xué) 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875

引言

經(jīng)顱直流電刺激（Transcranial Direct Current Stimulation，tDCS）是一種非侵入性的，利用恒定、低強(qiáng)度直流電調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元活動(dòng)的技術(shù)。tDCS一般由包含陽(yáng)極和陰極兩個(gè)表面電極，以微弱極化直流電作用于大腦皮質(zhì)。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，tDCS對(duì)耳鳴、阿茲海默癥[1]、腦卒中[2-3]、失語(yǔ)癥[4]、抑郁癥[5]和認(rèn)知功能障礙[6]等神經(jīng)精神類(lèi)疾病的臨床治療具有巨大的潛在價(jià)值[7-8]。另外tDCS應(yīng)用的范圍還包括正常的健康人群。對(duì)健康成年人群研究表明，經(jīng)顱電刺激技術(shù)能夠提高多種任務(wù)下的認(rèn)知能力，如增強(qiáng)語(yǔ)言和數(shù)學(xué)能力[9-10]、空間敏銳度[11]、言語(yǔ)表達(dá)[12]、記憶力和解決問(wèn)題的能力[13-14]。tDCS作為一種便捷、無(wú)痛、低成本、安全、長(zhǎng)效的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在神經(jīng)康復(fù)和改善領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸得到推廣[15-16]。

國(guó)外研制tDCS儀的公司主要是德國(guó)Neuro Conn公司和美國(guó)Soterix公司。德國(guó)Neuro Conn公司的DCSTIMULATOR系列，經(jīng)過(guò)許可和認(rèn)證可以面向臨床銷(xiāo)售，安全性有一定的保障。美國(guó)Soterix公司也開(kāi)發(fā)出一系列tDCS產(chǎn)品，其大多數(shù)都是完全以臨床標(biāo)準(zhǔn)研制的設(shè)備，其刺激精度與安全性可以得到充分保障。然而，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專(zhuān)業(yè)的tDCS設(shè)備，實(shí)驗(yàn)的儀器大多是由于研究需求，自己研發(fā)的簡(jiǎn)易設(shè)備。雖然它們基本可以滿(mǎn)足研究的需要，但是在人體實(shí)驗(yàn)時(shí)存在的安全性和可靠性還尚未可知。

研究表明，人體阻抗是由內(nèi)阻抗和皮膚阻抗構(gòu)成，它是由數(shù)值不同的電阻和電容構(gòu)成的復(fù)雜串并聯(lián)電路。頭皮層是人腦的最外層，導(dǎo)電能力較差，在皮下層中主要包含大量血管和神經(jīng)，導(dǎo)電能力較強(qiáng)。另外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)人體阻抗大小會(huì)隨電流變化，但是每個(gè)人的阻抗隨電流的變化情況又不相同，統(tǒng)一的人為設(shè)定阻抗閾值會(huì)使阻抗檢測(cè)缺乏客觀(guān)性且造成結(jié)果不準(zhǔn)確?，F(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外設(shè)備也無(wú)法做到個(gè)性化的人體阻抗檢測(cè)，如何實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的人體阻抗檢測(cè)是目前需要解決的問(wèn)題。

本實(shí)驗(yàn)中阻抗檢測(cè)包括人體阻抗與接觸阻抗的測(cè)量。由于本文中使用0.9%生理鹽水浸濕的電極，實(shí)驗(yàn)均在電極與皮膚接觸良好的情況下進(jìn)行，接觸阻抗的數(shù)量級(jí)很小，與人體阻抗值相比可以忽略，所以對(duì)阻抗檢測(cè)影響很小。這里只考慮人體阻抗隨電流變化的情況。

針對(duì)現(xiàn)有阻抗檢測(cè)技術(shù)的存在的問(wèn)題，本文對(duì)人體阻抗特性進(jìn)行研究，考察不同個(gè)體阻抗隨電流變化情況。首先應(yīng)用tDCS對(duì)人體兩端電壓和電流值進(jìn)行采集，繪制電流和校正后的人體阻抗的關(guān)系曲線(xiàn)，建立阻抗與電流的個(gè)性化參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。然后在阻抗檢測(cè)前對(duì)每個(gè)人進(jìn)行個(gè)性化的阻抗標(biāo)定，當(dāng)不同個(gè)體阻抗檢測(cè)時(shí)，針對(duì)不同的刺激方案選擇不同的阻抗閾值作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，提高了刺激的靈活性和準(zhǔn)確性。

1 研究方法

我們進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同個(gè)體的人體阻抗特性進(jìn)行了探討，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)阻抗與電流存在非線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)繪制電流與阻抗的關(guān)系曲線(xiàn)，建立數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化人體阻抗檢測(cè)。

1.1 被試信息

本文共對(duì)6名成年人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，3名男性（男1，24歲；男2，40歲；男3，58歲）和3名女性（女1，20歲；女2，24歲；女3，55歲），在此期間調(diào)查了被試者信息，沒(méi)有人存在皮膚過(guò)敏或相關(guān)病理性皮膚病史。

本研究經(jīng)北京師范大學(xué)心理學(xué)研究倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有參與者均獲得書(shū)面同意。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

電極帽（電極固定），0.9%的氯化鈉溶液，海綿電極。海綿電極包括一對(duì)50 mm電極外殼和1對(duì)10 mm×36 mm海綿，通過(guò)將海綿電極放到需要的刺激靶點(diǎn)上，用電極帽固定即可。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)對(duì)6個(gè)受試者進(jìn)行刺激實(shí)驗(yàn)，研究電流在0.05～2 mA，步長(zhǎng)為24 μA變化時(shí)，人體阻抗變化的情況。實(shí)驗(yàn)首先將0.9%氯化鈉溶液浸濕海綿電極，用電極帽將海綿電極固定在人腦上，陽(yáng)極放置在大腦左背外側(cè)前額葉，陰極放置在右眼眶上方，并且確保電極與人腦接觸良好。其次通過(guò)C#編寫(xiě)的上位機(jī)串口調(diào)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要包括對(duì)高端電壓，低端電壓，電流和人體阻抗進(jìn)行采集，最后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為文本格式供MATLAB（The MathWorks, Inc，Natick, MA，US）調(diào)用。

計(jì)算過(guò)程如下：① 參數(shù)選擇：包括串口號(hào)、波特率、發(fā)送選擇、電流和阻抗獲取等；② 分段：實(shí)驗(yàn)需設(shè)定初始值和終止值，對(duì)應(yīng)電流從0.05～2 mA范圍內(nèi)變化，在本文中我們選取81個(gè)點(diǎn)對(duì)區(qū)間進(jìn)行劃分，這里步長(zhǎng)為24 μA，得到采集的電壓和電流值。

1.4 采集電壓的校準(zhǔn)

由于A(yíng)D等采集器件本身存在的工藝問(wèn)題，會(huì)使得采集的電壓和電流偏離真實(shí)值。如果想獲得高精度的阻抗值，一種簡(jiǎn)單的方案是使用高成本的器件來(lái)提高它的采樣精度；另外一種是對(duì)阻抗檢測(cè)電路中的電壓和電流進(jìn)行校準(zhǔn)，提高采集電壓和電流的精度，這樣使低成本器件擁有更高的檢測(cè)精度。為了控制硬件成本，我們采用了第二種方法。

本實(shí)驗(yàn)中采集的電流閾值變化幅度很小，這里我們只對(duì)采集到的電壓進(jìn)行校正，通過(guò)線(xiàn)性回歸分析的方法對(duì)電壓進(jìn)行校準(zhǔn)來(lái)提高檢測(cè)精度。建立模型如下：

1.5 擬合曲線(xiàn)的計(jì)算

2 結(jié)果

2.1 電壓校正后和阻抗校正后誤差對(duì)比結(jié)果

圖1給出了校正前后電壓誤差分布的情況，可以看出校正后的電壓誤差更集中分布在0附近，說(shuō)明校正后的電壓更接近理想電壓，校正效果較好。

圖2給出了校正后阻抗與真實(shí)阻抗誤差分布情況，我們發(fā)現(xiàn)隨著電流增大時(shí)，阻抗誤差百分比逐漸減小。綜合歐姆定律可知，由于電流充當(dāng)分母時(shí)，阻抗值會(huì)受到電流的影響。所以阻抗誤差在低電流檢測(cè)時(shí)影響較大，在高電流檢測(cè)時(shí)影響較小。實(shí)驗(yàn)設(shè)備通過(guò)這一校正方法使阻抗誤差限制在7%以下，具有很高的精度。在常見(jiàn)的使用場(chǎng)景下（高于0.5 mA）時(shí)，誤差甚至控制在了0.23%左右。由于在科學(xué)研究和臨床應(yīng)用中，電流強(qiáng)度的選擇一般在0.5～2 mA之間。本文將阻抗檢測(cè)誤差限制在0.23%以下，目的是在刺激過(guò)程中，提高實(shí)時(shí)阻抗檢測(cè)的準(zhǔn)確性，同時(shí)增強(qiáng)設(shè)備的安全性與可靠性。

圖1 校正前后的電壓誤差對(duì)比圖

圖2 校正后阻抗與真實(shí)阻抗誤差的百分比

2.2 組受試者阻抗與電流關(guān)系曲線(xiàn)擬合與比較

本研究按上述計(jì)算過(guò)程提取了校正后人體阻抗和采集電流值，結(jié)果如圖3所示。

圖3 6組受試者人體阻抗與電流關(guān)系變化散點(diǎn)圖

圖3給出了6組受試者人體阻抗與電流關(guān)系變化散點(diǎn)情況，黑色離散點(diǎn)代表電流在0.05～2 mA內(nèi)變化時(shí)，阻抗值的變化規(guī)律。圖中可以看出不同個(gè)體阻抗大小存在差異，男受試者1和男受試者3最大差異可達(dá)到10 kΩ以上；這是由于年齡，性別以及皮膚的老化等原因引起的。

根據(jù)阻抗和電流的變化關(guān)系利用工具箱建立數(shù)學(xué)模型，初步選取指數(shù)函數(shù)或冪函數(shù)兩種模型對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，下面分別是冪函數(shù)與指數(shù)函數(shù)兩種函數(shù)模型擬合曲線(xiàn)的結(jié)果。其中x為電流（單位：mA），y為阻抗（單位：kΩ）。

2.3 指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)模型對(duì)人體阻抗模型擬合結(jié)果

本研究按上述計(jì)算過(guò)程得到了校正后人體阻抗和采集電流值，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 6組指數(shù)模型對(duì)電流與阻抗關(guān)系的擬合曲線(xiàn)

在圖4和圖5中，黑色的離散點(diǎn)代表數(shù)據(jù)的分布情況，藍(lán)色的曲線(xiàn)是利用函數(shù)模型對(duì)數(shù)據(jù)擬合后的結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)離散點(diǎn)在后者（冪函數(shù)）擬合曲線(xiàn)上分布更為其中，擬合情況更好，所以我們選用冪函數(shù)模型作為個(gè)性化的阻抗檢測(cè)參考模型。

由上述6組關(guān)系曲線(xiàn)可以看出不同受試者的阻抗隨電流變化的特性不同。盡管刺激的電流相同時(shí)，得到的人體阻抗也會(huì)不同。例如男受試者1在0.5 mA電流刺激前后，阻抗的差異有明顯區(qū)別；其次，在同一電流下刺激時(shí)，男受試者1和男受試者2的阻抗差異也較為顯著。這樣在阻抗檢測(cè)時(shí)設(shè)定統(tǒng)一的阻抗閾值就會(huì)缺乏客觀(guān)性和準(zhǔn)確性，也可能影響到治療的效果。本文提出了個(gè)性化阻抗檢測(cè)的技術(shù)，即將需要刺激的電流值代入冪函數(shù)模型，就可以得到對(duì)應(yīng)每個(gè)人的個(gè)性化的阻抗閾值。從而保證了tDCS不同電流下在阻抗檢測(cè)前阻抗閾值的準(zhǔn)確性，提高經(jīng)顱直流電刺激的治療效果。此外，基于此發(fā)現(xiàn)我們開(kāi)發(fā)出了對(duì)應(yīng)的tDCS設(shè)備，促進(jìn)個(gè)性化自適應(yīng)阻抗檢測(cè)的普及和實(shí)用性。

圖5 6組冪函數(shù)模型對(duì)電流與阻抗關(guān)系的擬合曲線(xiàn)

3 設(shè)備介紹

3.1 設(shè)備功能

本文所使用的是自行設(shè)計(jì)的一種便攜式家用經(jīng)顱電刺激設(shè)備，設(shè)備包含一個(gè)控制按鍵，在刺激參數(shù)確定后，調(diào)節(jié)旋鈕會(huì)被隱藏，只要按下按鍵就能啟動(dòng)設(shè)備，自動(dòng)檢測(cè)阻抗并開(kāi)始刺激。其功能主要包括刺激參數(shù)選擇和實(shí)時(shí)阻抗檢測(cè)。

（1）刺激參數(shù)選擇。包括刺激強(qiáng)度和刺激時(shí)間，各分為五檔，刺激時(shí)間分別為5、10、15、20、25 min，電流強(qiáng)度分別為0.5、1、1.5、2、2.5 mA，每一檔對(duì)應(yīng)一個(gè)指示燈，用戶(hù)通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)刺激參數(shù)，直觀(guān)清晰地看到指示狀態(tài)，另外該裝置通過(guò)條形LED可實(shí)時(shí)顯示電流的強(qiáng)度，方便用戶(hù)知道目前刺激狀態(tài)。

（2）實(shí)時(shí)阻抗檢測(cè)。刺激過(guò)程中若阻抗過(guò)高，指示燈變?yōu)榧t色，蜂鳴器間隔0.5 s報(bào)警一次，共兩次，并立即切斷輸出，保證刺激的安全性。

3.2 個(gè)性化阻抗檢測(cè)工作方式

工作方式流程圖如圖6所示。

圖6 個(gè)性化阻抗檢測(cè)工作流程

圖6中給出了個(gè)性化阻抗檢測(cè)工作方式流程圖，在阻抗檢測(cè)前，我們通過(guò)校正電壓和阻抗，帶入函數(shù)模型得到個(gè)性化阻抗閾值，達(dá)到個(gè)性化阻抗檢測(cè)的目的。

4 討論與總結(jié)

本文研究了電流在0.05～2 mA之間變化時(shí)，不同個(gè)體的人體阻抗的變化特性，并利用個(gè)體化的阻抗變化曲線(xiàn)，設(shè)置個(gè)性化的阻抗檢測(cè)閾值，以保證經(jīng)顱電刺激的有效性和安全性。

由于tDCS是利用恒定電流對(duì)人腦進(jìn)行持續(xù)刺激，所以在小電流刺激時(shí)阻抗檢測(cè)的誤差較大。我們應(yīng)用線(xiàn)性回歸的方法對(duì)采集的電壓進(jìn)行校正，得到了更為真實(shí)的電壓值。通過(guò)校正后電壓與電流的比值，可以得到更接近真實(shí)值的人體阻抗，這樣為人體阻抗閾值的選擇提供更精確合理的范圍。實(shí)驗(yàn)設(shè)備通過(guò)這一校正方法使阻抗誤差限制在7%以下，具有很高的精度。在常見(jiàn)的使用場(chǎng)景下（高于0.5 mA）時(shí)，誤差甚至控制在了0.23%左右。這樣不僅提高了設(shè)備在阻抗檢測(cè)中的準(zhǔn)確性，而且增強(qiáng)了設(shè)備的安全性與可靠性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在6組受試者在電極和人體接觸良好的情況下，人體阻抗和電流關(guān)系變化趨勢(shì)基本一致。且冪函數(shù)模型更符合人體阻抗變化的規(guī)律。當(dāng)然不同的治療方案采用的電流也不相同，所以在特定的電流下，每個(gè)人的人體阻抗也不相同。所以針對(duì)不同的個(gè)體及治療方案，我們會(huì)得到個(gè)性化的人體阻抗閾值。

目前國(guó)內(nèi)外tDCS的阻抗檢測(cè)大多數(shù)是設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)閾值，當(dāng)阻抗檢測(cè)值大于該閾值時(shí)，檢測(cè)未通過(guò)，重新進(jìn)行檢測(cè)；相反，檢測(cè)值小于該閾值時(shí)，阻抗檢測(cè)通過(guò)并進(jìn)行刺激，這樣很可能會(huì)存在小電流阻抗檢測(cè)時(shí)不會(huì)通過(guò)的情況。另外這樣人為地劃分阻抗閾值缺乏客觀(guān)性和準(zhǔn)確性，這樣也會(huì)影響到治療的效果。另一方面，由于皮膚灼傷與阻抗的大小有直接的聯(lián)系，所以劃定合理的阻抗閾值也會(huì)防止皮膚灼傷的效應(yīng)?？偠灾?，通過(guò)個(gè)體化的阻抗檢測(cè)，能夠保證tDCS的有效性和安全性。

本文通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型研究電流與阻抗的變化關(guān)系，提出了個(gè)性化阻抗檢測(cè)的技術(shù)，保證了每個(gè)不同個(gè)體在阻抗檢測(cè)前阻抗閾值的準(zhǔn)確性，提高tDCS的治療效果。針對(duì)這一技術(shù)我們開(kāi)發(fā)出對(duì)應(yīng)的tDCS設(shè)備，在阻抗檢測(cè)前對(duì)不同個(gè)體劃分不同的阻抗閾值，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)阻抗檢測(cè)，刺激過(guò)程中若阻抗過(guò)高則立即切斷輸出，保證刺激的安全性。本研究的目的是將個(gè)性化阻抗檢測(cè)技術(shù)得到普及，同時(shí)增強(qiáng)tDCS設(shè)備的臨床實(shí)用性。