經顱直流電刺激器設計探討

吳正平　王建鋒　朱壽羽　吳凡　貢旭彬　魏歡

摘要：文章介紹了經顱直流電刺激器的作用原理、應用范圍和安全性，并設計了一種經顱直流電刺激器。其功能是利用一種為非侵入性，恒定的、低強度的直流電作用于人體大腦皮層，從而達到抑制人體過度興奮或者改善情緒低落的目的。該設計采用單片機控制刺激電流輸出的大小和刺激時間的長短，具有控制精度高、定時功能、模式選擇多樣化等優點。

關鍵詞：經顱直流電；刺激器；tDCS；單片機；電流輸出 文獻標識碼：A

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

1 概述

在現代快節奏的生活中，各種生活壓力、工作壓力困擾著大批人群，因此人們對精神世界的追求也越來越高，作為一種全新的技術，tDCS在調整人體精神狀態方面起著越來越大的作用，其可以通過微弱的電流刺激人腦，從而改變人體精神狀態。而目前面向市場的tDCS設備主要是來自于國外，如美國生產的Thync，國內雖然有相關的研究但是并沒有產品推廣到市場中，隨著科學的發展和人們對腦神經的認知，tDCS擁有的獨特性能將在未來市場中擁有廣闊的發展前景。

本文設計一種高精度、多模式選擇、高性能、便攜式的經顱直流電刺激器，其可以通過不同模式的選擇達到刺激效果的不同。選用低功耗、具有8K系統內可編程Flash的8位AVR微控制器作為系統控制主芯片，通過5個具有獨立按鍵可以控制時間的增加減少、運行模式的選擇、系統設置和復位功能。為了增加電源的穩定性，系統選擇了LT1026和ASM1117穩壓芯片對電壓進行精確的控制。而且為了能更好地反映當前系統輸出刺激電流的大小，系統還利用高精度電流計對電流進行實時的反饋顯示。其系統總框架圖如圖1所示：

2 tDCS作用原理

人體的細胞膜內外兩側是存在一定的電位差的，一般在10～100mV之間，且細胞膜外的電位高于細胞內的電位，該電位在未受到外界刺激，保持正常的新陳代謝時，膜內外兩側的電位會維持在一個相對恒定的水平，我們將這個電位稱為靜息膜電位，而當可興奮組織或細胞受到刺激時，靜息電位發生變化，當膜內負電位值增大的時候，此時稱為超極化，而膜內負值電位減少的時候則稱為去極化。tDCS對皮質興奮性的調節主要是依據極性不同電位引起靜息膜電位的超級化或者去極化，將電極置于頭皮，向人體大腦皮層輸入微小的電流來改變大腦的膜內外兩側電位的狀態，使靜息電位發生超極化或者去極化現象，從而起到抑制興奮性或者提高興奮性的目的。

3 tDCS應用范圍和安全性

tDCS使用的是已經確定的安全協議，安全協議是指科研人員在對tDCS進行了大量的實驗之后，分析得出的刺激時間和刺激強度以及相關的刺激步驟，刺激點可能會對人體產生不適的地方。目前為止，這項協議并沒有完全地設置完整，目前業界普遍認為的是刺激電流不能超過2毫安，刺激時間為20分鐘左右，同時刺激強度也被嚴格地限制。截至目前，尚未有tDCS對人體造成傷害的報道，tDCS這項技術被認為是一種安全的經顱刺激方式。目前這項技術主要應用于以下三個領域：

3.1 臨床治療

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

3.2 認知功能

tDCS主要采用經顱直流電刺激療法，通過微弱的直流電流，持續透過頭皮給予大腦刺激，通過刺激部位的不同，會提高各種認知功能的表現，在試驗中，志愿者被剝奪30個小時的睡眠時間，在使用tDCS刺激背側前額葉皮質（負責注意力的關鍵區域）后進行測試，覺醒度和反應速度都比未接受刺激的志愿者高200%。在tDCS刺激下可以加快學習的過程，提高學習能力和記憶力。

3.3 調節情緒

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

4 系統設計

4.1 主控系統的設計

主控系統是整個系統運行的核心部分，高性能、低功耗的8位AVR微處理器芯片Atmega48控制的，外設5個獨立按鍵，分別對應系統的設置、刺時間的增加和減少、停止運行和復位功能。

4.2 電流模塊設計

電流模塊主要是由電壓轉換模塊LT1026和三端可調恒流源LM334組成，LT1026的輸出電壓是4～10V，電流的輸出穩定在15mA左右，LM334是三端可調恒流源芯片，在工作電流內恒流源可調范圍為1000∶1，并且具有1～40V寬的動態電壓范圍，恒流特性非常好。

5 測試結果

5.1 波形顯示測試

如圖3和圖4所示，其顯示波形為非常規的波形。

5.2 電流顯示模塊測試

6 結語

本文介紹了經顱直流電刺激器的研究背景和現狀，深入探討了它作為一種改變人體精神狀態的功能用途。針對此類產品所具有的缺陷，本文也分析并提出具體的解決方法，以便更好地設計出功能更為齊全、更加實用的經顱直流電刺激器。

參考文獻

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（責任編輯：黃銀芳）