一種腦電刺激器電路設計

周樟偉，朱丹峰，陶大錦

(溫州醫學院生物醫學工程系，浙江溫州325035)

當前，我國人民已進入市場經濟的大潮之中，激烈的市場競爭使人們處于過度的精神緊張狀態，這種不良的情緒使人容易產生疲勞、失眠、頭痛及精神衰弱。各個年段學生們的壓力也越來越大，這就需要有一種方便而舒適的治療手段來緩解壓力。

醫學研究表明，人腦會自發輻射腦電波，腦電信號可以反映精神狀態的變化［1-5］，當人在收到特定外部誘發刺激時，腦電信號也會出現與外部刺激頻率保持一致“節律同步”的現象。本設計正是基于腦電信號對外部刺激的同步化效應，設計一套光聲刺激腦電誘發裝置，迅速調節人們的精神狀態，起到放松或催眠的效果。其研究的意義在于利用腦電誘發裝置根據需要輸出刺激來調節人體狀態用于臨床和日常生活。

1 腦電信號的分類及含義

按頻帶定義，一般可將腦電分為下面幾種［6］:

(1)δ波 頻帶范圍0.5 Hz～3 Hz，振幅為10 μV～20 μV，常在額部出現，其指數不超過5% ～8%，見于兒童和成年人的睡眠時，在正常清醒的成人腦波中很少見。

(2)θ波 頻帶范圍4 Hz～7 Hz，振幅20 μV～40 μV，在顳葉、頂葉較明顯，一般倦時出現，是中樞神經系統抑制狀態的表現［7］。

(3)α波 頻帶范圍8 Hz～13 Hz，85%的成人在 9.5 Hz～10.5 Hz之間，振幅 1 μV-10 μV，是成人腦電信號的基本節律。α節律呈正弦形，安靜及閉眼時出現最多，睜眼、光刺激或精神活動時，α波會受到影響，這是正常腦電圖的重要標志之一［8-10］。

(4)β波 頻帶范圍14 Hz～30 Hz，電壓幅度低于5 μV ～30 μV，在注意力集中或情緒緊張時出現較多。

(5)γ波 頻帶范圍30 Hz～100 Hz及以上，它與β波同屬快波，快波增多，波幅增高是神經細胞興奮型增高的表現。

2 系統方案

2.1 系統總體結構設計

該系統的功能就是產生各種與上述腦電頻率相適應外部刺激來調節腦電頻率。系統由51單片機(CPU)、時鐘電路、控制鍵盤、LCD、AD9851(信號發生)、低通濾波器、放大電路和聲光輸出模塊組成。如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

2.2 系統硬件

2.2.1 單片機最小系統

選用STC89C52RC型號單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。工作電壓3.3～5.5V，工作頻率范圍0～40 MHz，片上集成512 byte RAM，具有看門狗功能。

圖2 單片機及其時鐘和復位電路

時鐘電路和復位電路如圖2所示。復位電路由按鍵和上電復位兩部分組成。STC89C52RC單片機為高電平復位，通常在復位引腳上通過一個22 μF電容接到VCC，另一端再連接一個400 Ω電阻到地，電源經過2 kΩ電阻和開關連接到復位端，由此形成一個RC充放電回路，保證單片機在上電時有足夠時間的高電平進行復位，隨后到低電平進入正常工作狀態。STC89C52RC使用外部12 MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機內部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容選為30 pF。

2.2.2 控制鍵盤和數碼管

由于MCU的I/O資源有限，選用ZLG7290擴展鍵盤和數碼管，其與MCU之間采用I2C串行總線接口，只需兩根信號線，節省I/O資源，工作電壓范圍為3.3 V～5.5 V。ZLG7290能夠管理多達64只按鍵，其中有8只可以作為功能鍵使用;利用功率電路可以方便的驅動1 inch以上的大型數碼管;可提供10種數字和21字母譯碼顯示功能。本系統采用其中的16個按鍵和8位數碼管。16個按鍵為數字0-9及確定和其他功能鍵，可由軟件編寫實現。數字鍵用來設定閃光頻率及音頻信號的節拍等，數碼管顯示鍵盤操作時的數據。

ZLG7290芯片為低電平復位，在復位引腳上通過一個47 kΩ的電阻接電源，另一端再連接一個0.1 μF的電容到地。因此形成一個RC充放電回路保證在上電時有足夠時間的低電平進行復位，隨后到高電平進入正常工作狀態。其工作電路如圖3～圖5所示。

圖3 ZLG7290及其時鐘和復位電路

圖4 數碼管

2.2.3 AD9851信號發生模塊

AD9851是ADI公司采用先進的DDS技術推出的高集成度DDS頻率合成器，能實現全數字編程控制的頻率合成和時鐘發生。具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉換時間等優點。

AD9851接口功能控制簡單，可以用8 bit并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數據。AD9851采用先進的CMOS工藝，功耗低，3.3 V供電時，功耗為155 mW。內置32位頻率累加器、高速D/A轉換器、高速比較器和可選通的時鐘電路。通過控制內部5個輸入數據寄存器的控制字實現其可編程功能，數據總線D0～D7完成并行工作［11-12］。其與單片機的接口如圖6所示。

圖5 鍵盤電路

圖6 AD9851基本時鐘發生器構造及與單片機的接口

2.2.4 放大模塊

主要是對輸出的正弦信號和方波信號進行放大處理。AD9851輸出正弦波信號的幅值為0～1 V，所以利用同相比例運算電路對其放大5倍來驅動發光二極管和耳機。在放大電路中利用反饋電阻的可調性來調節輸出幅值的大小，如圖7所示。

圖7 放大電路

2.2.5 液晶顯示電路

液晶顯示電路用于顯示漢字、圖形等，其與單片機的接口如圖8所示。該電路采用的JM12864M是漢字圖形點陣液晶顯示模塊，它可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字(16×16點陣)、128字符(8×16點陣)及64×256點陣顯示RAM(GDRAM)。具有單工作電壓(+5 V，內置升壓電路，無需負壓)，與MCU多種連接方式(8位或4位并行、3位串行)、多種軟件功能(光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等)等優點［13-14］。

圖8 液晶與單片機的接口

液晶的數據傳輸端接單片機的P1口，寄存器選擇端RS接P3.7，寫控制端接P3.6，讀控制端接P3.0，液晶使能端接P3.1。

2.2.6 聲光輸出模塊

該部分主要是由控制閃光刺激的數據線和耳機接口組成。閃光刺激的實現是靠紅、綠顏色的亮度LED實現。LED是電流驅動元件，為了保證LED的正常工作，在LED上加限流電阻，LED的點亮與熄滅由經過放大的正弦電壓信號控制，通過單片機的程序控制來調節其閃爍的頻率。聲音主要由外接的耳機插槽作為輸出接口，接上耳機就可以聽到具有一定節拍和頻率的聲音，節拍由鍵盤輸入單片機控制，通過電位器來調節輸出音量的高低。人耳可識別的聲音頻率在20 kHz～20 kHz之間，但對于節拍的反應很敏感，在程序編寫是主要利用α頻率的節拍對受試者進行聲音刺激，頻率集中在200 Hz左右。實驗過程如圖9所示，平靜和刺激狀態的持續時間分別為2 min和3 min，直到4個實驗周期的采集完成。

圖9 實驗過程示意圖

3 系統軟件流程

系統主程序流程如圖10所示。在系統加電后，主程序首先完成系統初始化，其中包括液晶、中斷、定時/計數器等工作狀態的設定，給系統變量賦初值。然后掃描獲取鍵值，判斷啟動鍵是否按下，按下后再進入系統掃描各個功能鍵繼而執行相應子程序。圖中的鍵盤掃描有兩種狀態，用r來表示，當r=0時，鍵盤是各個功能鍵;當r=1時進入設置狀態，掃描數字鍵0～9并做相應計算后輸出。

圖10 軟件流程圖

4 系統運行結果

設計并制作了一個符合實際需要的腦電刺激器裝置。可通過操作界面(16個按鍵和液晶顯示器)的控制，實現默認設置程序的運行，或者進行設置參數后再執行按一定時序變化的程序。程序執行后，能輸出特定頻率的聲光刺激脈沖，誘發相應的腦電波。

鍵盤按鍵說明:鍵盤編號從上到下、從左往右依次編號為 1，2，…，16，按13 鍵進入系統，14 退出，15進入設置模式，16為確認鍵。未進入系統前按鍵無任何反應，按13鍵進入系統后按前四個鍵(1-4)分別進入δθαβ波光刺激模式，5-8鍵為δθαβ波變頻光刺激模式，9鍵為α節拍聲音刺激模式。LED上顯示鍵盤操作的數據，液晶屏上顯示相關文字信息及操作提示等。進入設置模式后前10個鍵為0-9數字鍵，可以設置閃光和聲音的頻率。還有幾個鍵可設定其他功能，由相應軟件結合實現。

圖11 輸出波形(黃色)和放大后波形(綠色)

通過示波器觀察輸出信號，并經過放大模塊對信號進行放大，二者波形如圖11所示，實驗結果與設計一致，信號放大了5倍。能通過鍵盤控制刺激模式和設置刺激頻率，達到理想的效果。系統實物如圖12所示。

圖12 系統硬件電路

5 結論

本文介紹了腦電頻率調節及方法，腦電信號根據其頻率的不同有規定的分類，不同頻率的腦電波反映了人不同的精神狀態，腦電頻率調節是基于腦電的節律同步化效應，通過外界不同頻率的聲光等刺激來改變腦電信號頻率，可以達到使人處于不同精神狀態的目的。文中給出一種腦電刺激器系統設計的詳細方案，硬件選用和原理圖等。通過系統硬件和軟件的共同作用實現了預期的效果，該電路經過實物樣機測試，完全達到實際使用要求，同時該系統具有成本低、精度高的優點。實驗過程通過非接觸式的聲光刺激，具有無創傷性的特點。

［1］Andrew A B.Schwartz X，Tracy C，et al.Brain-Controlled Interfaces:Movement Restoration with Neural Prosthetics［J］.Neuron，2006，52(1):205-220.

［2］周衛東，曹毅，胡中揖.聲、光、磁物理刺激對人體腦電影響的計算機分析和實驗結果［J］.生物醫學工程雜志，1991，8(2):155-160.

［3］Spronk M，Jonkman L M，Kemner C.Response Inhibition and Attention Processing in 5 to 7 Year Old Children with and without Symptoms of ADHD:An ERP study［J］.Clinical Neurophysiology，2008，119(12):2738-2752.

［4］謬育平，戴桂平，邱義，等.單次單道電刺激腦電模式識別方法研究［J］.傳感技術學報，2010，23(3):303-306.

［5］伍國鋒，張文淵.腦電波產生的神經生理機制［J］.臨床腦電學雜志，2000，9(3):188-190.

［6］Johnstone S J，Clarke A R.Dysfunctional Response Preparation and Inhibition During a Visual Go/Nogo Task in Children with Two Subtypes of Attention-Deficit Hyperactivity Disorder［J］.Psychiatry Research，2009，166(2):223-237.

［7］Hermens F，Williams L，Lazzaro I，et al.Sex Differences in Adult ADHD:A Double Dissociation in Brain Activity and Autonomic A-rousal［J］.Biol Psychol，2004，66(3):221-233.

［8］張羽，錢志余，李韙韜，等.α頻率光刺激腦電信號同步化的初步研究［J］.生物醫學工程研究，2009，28(3):183-187.

［9］孫宇舸，李麗，葉檸，等.基于不同頻率聲音刺激的腦電信號分析方法研究［J］.生命科學儀器，2007，5(7):23-27.

［10］童曉欣.腦電圖光刺激的光驅反應頻譜研究［J］.中國臨床康復，2003，7(19):2684-2685.

［11］HSIN Wenting，CHENG Wulin，BIN Daliu.Oscillator-Based Reconfigurable Sinusoidal Signal Generator for ADC BIST［J］.E-lectron Test，2007，23:549-558.

［12］劉昱，史玉玲，柳瑩，等.基于AD9851的正弦信號發生器設計［J］.電子設計工程，2009，17(7).14-16.

［13］鄭萬挺，陳付毅.光電脈搏血氧心率儀電路設計［J］.電子器件，2010，33(6):786-789.

［14］陳亮亮，陳付毅.一種低成本的光電式血氧飽和度Q值測量電路的設計［J］.電子器件，2008，31(4):1384-1386.