基于可變恒流源的經顱直流電刺激儀設計

馬忠民，劉柏欽，郭瑞澤，趙繼政

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 咸陽712100)

經顱直流電刺激(tDCS,transcranial direct current stimulation)是一種非侵入性的大腦神經干預技術，利用恒定直流電產生的低強度電場作用于大腦皮質以提高或降低神經元細胞的興奮性，調節大腦皮層神經元的活動[1]。經顱直流電刺激設備經過頭皮，采用電流的方式由電極端向顱內特定區域輸入電流，達到提高或降低神經元細胞興奮性的作用[2]，引起大腦功能性改變，實現大腦相關疾病的治療[3-5]。目前，基于恒定直流源的tDCS已經在臨床上廣泛應用[6]，但有關經顱直流電刺激技術的設備主要使用恒定電流的直流電刺激，或者使用脈沖波刺激，刺激模式單一[7-8]，且刺激參數是固定值，只能連接到電腦上調制其大小[4]，而且包括刺激時間、刺激電流強度和刺激頻率在內的刺激參數只能實現較大步進的檔位變換，不利于精確控制參數得到完善的實驗結果[9]。德國Neuro Conn公司的單通道經顱直流電刺激器(DC-STIMULATOR PLUS)除了支持tDCS模式外，還支持tACS和tRNS模式，很好地滿足了臨床及科研需要。美國Soterix公司也開發出了一系列經顱直流電刺激產品，但更專注于直流刺激模式的實現[10]。Neuro Conn公司和Soterix公司也在產品研發領域進行了合作，聯合開發了一款便攜式經顱直流電刺激裝置tDCS MOBILE和固定電極裝置，可以用于大規模臨床試驗，也可以在家庭日常醫療中使用，但該產品刺激參數必須連接電腦才可調，并且沒有充電接口，使用不方便。針對以上問題，本文擬研發一款基于單片機控制的具有不同電流波形刺激模式、刺激幅度和時間可調的便攜式經顱直流電刺激設備。

1 經顱直流電刺激系統總體設計方案

本文設計的便攜式經顱直流電刺激系統包括硬件模塊搭建與調試和軟件程序編寫。硬件電路主要包括單片機控制模塊、恒流源電流產生與調控模塊、電壓轉電流模塊。軟件程序設計包括輸出波形強度設定、輸出波形頻率設定、干預時間設定和中斷觸發。系統原理圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 系統原理圖Fig.1 Schematic system diagram

(a) 模塊搭建實物圖 (b) PCB制板實物圖圖2 系統實物圖Fig.2 Physical chart of system

1.1 主控芯片

選擇單片機AT89C51作為主控芯片，其具有128×8字節的RAM、32個可編程I/O口、2個16位定時計數器和6個中斷源，同時具有可編程串行UART通道、低功耗空閑和掉電模式。使用芯片的中斷和按鍵等功能完全可以滿足主控芯片的功能要求。

通過單片機控制按鍵實現以下功能：(1)輸出波形控制。通過外部中斷觸發程序確定輸出波形，由按鍵2～4控制實現正弦波、方波、三角波3種電流波形的模式轉換。(2)干預時間控制。本設計可以實現0～60 min的干預時間設定。(3)電流幅度控制。本設計可以實現電流0～2 mA連續調節，波形調幅0～0.2 mA連續調節。(4)波形頻率控制。按鍵1控制調頻模式，可以實現調節波形頻率為1～100 Hz，步進為10 Hz。本系統選擇低電平觸發模式，即當檢測到外部引腳為低電平時立即觸發中斷。當檢測波形轉換按鍵被按下時，發生外部中斷觸發完成波形切換。低電平觸發中斷的優勢在于中斷完成后，按鍵彈起、低電平信號消失，不會出現單片機不斷檢測引腳為低電平而導致不斷發生中斷的情況。

1.2 電流輸出和數模轉換電路

本系統電流輸出電路選用XTR111芯片實現。XTR111是一款精密電壓-電流轉換器，專為標準0～20 mA或4～20 mA模擬信號而設計，可提供高達36 mA的電流，非線性度為0.002%，精確度為0.015%。其較高的線性度和精確度可滿足本設計的需要。輸入電壓和輸出電流之間的比值由電阻率設定，電路也可以對輸出電壓進行修改。

本系統數模轉換電路采用MCP4725芯片，該芯片具有非易失性存儲器EEPROM的單通道和12位緩沖電壓輸出，其中非易失性功能使得DAC器件在斷電期間仍能保持DAC輸入代碼，且DAC輸出在上電后立即可用。該芯片還可以通過設置配置寄存器位的方法，把DAC配置成正常模式或關斷模式以節省功耗。另外該芯片具有可以實現軌到軌模擬輸出擺幅的片上精密輸出放大器，提供了低失調電壓和低噪聲，并通過精密的CMOS放大器對DAC輸出進行緩沖。單片機的數字信號經由MCP4725芯片后輸出0～5 V的電壓作為電流調控電路中波形幅度調節的輸入。

1.3 電流調控電路

本系統采用低功耗運算放大器MCP601作為DA轉換器的驅動放大器，該放大器具有偏置電流低、運行速度快、開環增益高以及滿幅輸出等特點，本系統選用ICL7660給兩個運放供電。電流調控電路實現基線電流輸出大小和波形幅度調節功能，通過兩個電位器分別調節電路電阻大小，獲得與輸入電壓成一定關系的輸出電壓進而實現電流調節的功能。電位器RV1端獲得由MCP4725輸出的0～5 V電壓，電位器RV2獲得來自電源的+5 V電壓，再通過同相加法器和反相器相加最終輸出0～5 V的電壓。可調電流設計為0～2 mA連續調節，波形調幅設計為0～0.2 mA連續調節。

1.4 功能實現流程及軟件設置

單片機作為核心控制電路要對各個電路模塊進行控制，包括對電路中的各個芯片進行初始化、按鍵檢測、通過觸發外部中斷進行波形轉換。當波形正常輸出時，可進行調頻、調幅程序的調用，從而實現各個功能。中斷觸發在按鍵被檢測為按下的一瞬間開始，使程序由前一個波形輸出進入下一個波形輸出，或者由波形輸出進入到調頻模式中。按鍵彈起的一瞬間，檢測到低電平消失，中斷觸發結束，返回，等待下次中斷。

本系統由程序控制正弦波、方波、三角波的輸出，由按鍵實現3種波形的轉換。其中，正弦波的輸出使用查表法依次輸出按正弦波規律變化的數字信號，通過數模芯片轉化為模擬正弦波電壓值；三角波的輸出是根據頻率、幅值等控制參數，計算出固定周期的幅值表，單片機根據幅值表數組，定時輸出數模轉換后的三角波形；方波的輸出使用轉換高低電平外加延時函數實現。波形輸出程序流程圖如圖3所示。

圖3 波形輸出程序流程圖Fig.3 Flow chart of waveform output program

2 經顱直流電刺激系統調試結果

首先完成MCP4725的數模轉換配置以及中斷優先級等配置初始化，然后對各個模塊初始化，按照硬件調試步驟，先調試電流源電路中波形輸出的程序，測試輸出電流的精度,然后調試外部中斷觸發的中斷程序。根據樣機設計的刺激模式和對應參數，對研制的樣機進行性能指標測試。

2.1 電流源負載能力測試

電流源負載能力就是在電流源電路最大電流2 mA時的帶負載能力。其測試步驟如下：

1)在經顱直流電刺激設備和陰極電極之間接入10 kΩ的滑動變阻器。

2)通過調整滑動變阻器的阻值調整相應電流，直到通過滑動變阻器的電流與前一組測試數據的誤差超過50 μA為止，此時記錄一次數據。

3)當電流源電路輸出2 mA電流時，用數字萬用表測試滑動變阻器兩端的電壓值，利用歐姆定律計算此時通過滑動變阻器的電流值，并記錄相應數據。

實驗測試負載阻值從2 000～3 920 Ω均勻變化時的實際電流值，并計算出電流源誤差的絕對值不超過50μA時，電流源的負載能力約為3 kΩ。因為電極和頭皮的接觸阻值一般在800 Ω～2.5 kΩ之間，所以本文研制的系統樣機電流源的負載能力滿足預期要求。

2.2 精度測試

精度是衡量儀器測量系統誤差的一個重要尺度。本系統的精度是指基線電流輸出的絕對誤差，即實際輸出電流與設定電流之間的接近程度，精度r的計算公式為

(1)

式中：I為設定電流；Ireal為實際輸出電流。測試方法是在系統樣機的陽極電極和陰極電極之間接入一個電阻，設定好要測量的基線電流值后，用萬用表 UT802 測量該電阻兩端的電壓值，然后利用歐姆定律計算出流經該電阻的實際電流值，再根據式(1)計算在每一個設定的基線電流值下相應的精度。當輸出電流為0～2 mA時，電流精度范圍為2%～10%，符合經顱直流電刺激的精度要求，滿足實驗要求。

2.3 輸出波形檢測

采用示波器分別測試樣機在正弦波、方波、三角波3種刺激模式下的輸出波形。由于示波器無法直接顯示電流的波形，因此在陽極和陰極電極間接入阻值為2 kΩ、精度為0.1%的電阻，此時示波器顯示的波形即可等效為電流波形。輸出的3種波形結果如圖4—圖6所示。

本系統預設電流輸出誤差不高于10%，在電流輸出精度測試實驗中，當輸出電流為0～2 mA時，基線電流輸出誤差為1.25%～10%，滿足實驗要求。如果想繼續提高電流輸出精度，則考慮使用程序算法補償精度。波形輸出實驗中，對于方波，當波形頻率大于20 Hz時，輸出波形出現較為嚴重的失真現象，引起失真的原因是電壓轉電流芯片XTR111的轉化速率跟不上程序運行的速度和DA轉換芯片的速率，導致調節頻率越快，失真越明顯；而正弦波、三角波在所有測試頻段均未出現失真。另外，調節頻率時，設定的頻率與示波器實際檢測到的頻率有5 Hz的偏差。

(a)基線電流1.1 mA,波形頻率20 Hz，波形幅度0.1 mA (b)基線電流1.1 mA,波形頻率20 Hz，波形幅度0.2 mA

(a)基線電流0.5 mA,波形頻率40 Hz，波形幅度0.1 mA (b)基線電流0.5 mA,波形頻率40 Hz，波形幅度0.05 mA

(a)基線電流1.1 mA,波形幅 度0.2 mA，波形頻率1 Hz (b)基線電流1.1 mA,波形幅 度0.2 mA，波形頻率20 Hz

3 結束語

本文根據經顱直流電刺激儀在神經性疾病臨床應用和發展中的需要，設計出便攜式經顱直流電刺激設備。該設備提供了多種刺激模式，其便攜和易調節的特點，可應用于更多非醫學專業人員和更多場景，為具有心理疾病或神經系統疾病的患者提供更多的幫助。

由于該設計以實現參數指標和預期功能為主要目的，因此今后還可以在設備的便攜性以及人機交互界面方面、縮小系統設備的體積、實現更加完善的系統集成方面及對tDCS系統的刺激聚焦性、刺激深度、定位控制等方面進行完善。