基于可变恒流源的经颅直流电刺激仪设计

2020-09-18马忠民刘柏钦郭瑞泽赵继政

山东理工大学学报（自然科学版） 2020年5期

马忠民，刘柏钦，郭瑞泽，赵继政

(西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西咸阳712100)

经颅直流电刺激(tDCS,transcranial direct current stimulation)是一种非侵入性的大脑神经干预技术，利用恒定直流电产生的低强度电场作用于大脑皮质以提高或降低神经元细胞的兴奋性，调节大脑皮层神经元的活动[1]。经颅直流电刺激设备经过头皮，采用电流的方式由电极端向颅内特定区域输入电流，达到提高或降低神经元细胞兴奋性的作用[2]，引起大脑功能性改变，实现大脑相关疾病的治疗[3-5]。目前，基于恒定直流源的tDCS已经在临床上广泛应用[6]，但有关经颅直流电刺激技术的设备主要使用恒定电流的直流电刺激，或者使用脉冲波刺激，刺激模式单一[7-8]，且刺激参数是固定值，只能连接到电脑上调制其大小[4]，而且包括刺激时间、刺激电流强度和刺激频率在内的刺激参数只能实现较大步进的档位变换，不利于精确控制参数得到完善的实验结果[9]。德国Neuro Conn公司的单通道经颅直流电刺激器(DC-STIMULATOR PLUS)除了支持tDCS模式外，还支持tACS和tRNS模式，很好地满足了临床及科研需要。美国Soterix公司也开发出了一系列经颅直流电刺激产品，但更专注于直流刺激模式的实现[10]。Neuro Conn公司和Soterix公司也在产品研发领域进行了合作，联合开发了一款便携式经颅直流电刺激装置tDCS MOBILE和固定电极装置，可以用于大规模临床试验，也可以在家庭日常医疗中使用，但该产品刺激参数必须连接电脑才可调，并且没有充电接口，使用不方便。针对以上问题，本文拟研发一款基于单片机控制的具有不同电流波形刺激模式、刺激幅度和时间可调的便携式经颅直流电刺激设备。

1 经颅直流电刺激系统总体设计方案

本文设计的便携式经颅直流电刺激系统包括硬件模块搭建与调试和软件程序编写。硬件电路主要包括单片机控制模块、恒流源电流产生与调控模块、电压转电流模块。软件程序设计包括输出波形强度设定、输出波形频率设定、干预时间设定和中断触发。系统原理图如图1所示，实物图如图2所示。

图1 系统原理图Fig.1 Schematic system diagram

(a) 模块搭建实物图 (b) PCB制板实物图图2 系统实物图Fig.2 Physical chart of system

1.1 主控芯片

选择单片机AT89C51作为主控芯片，其具有128×8字节的RAM、32个可编程I/O口、2个16位定时计数器和6个中断源，同时具有可编程串行UART通道、低功耗空闲和掉电模式。使用芯片的中断和按键等功能完全可以满足主控芯片的功能要求。

通过单片机控制按键实现以下功能：(1)输出波形控制。通过外部中断触发程序确定输出波形，由按键2～4控制实现正弦波、方波、三角波3种电流波形的模式转换。(2)干预时间控制。本设计可以实现0～60 min的干预时间设定。(3)电流幅度控制。本设计可以实现电流0～2 mA连续调节，波形调幅0～0.2 mA连续调节。(4)波形频率控制。按键1控制调频模式，可以实现调节波形频率为1～100 Hz，步进为10 Hz。本系统选择低电平触发模式，即当检测到外部引脚为低电平时立即触发中断。当检测波形转换按键被按下时，发生外部中断触发完成波形切换。低电平触发中断的优势在于中断完成后，按键弹起、低电平信号消失，不会出现单片机不断检测引脚为低电平而导致不断发生中断的情况。

1.2 电流输出和数模转换电路

本系统电流输出电路选用XTR111芯片实现。XTR111是一款精密电压-电流转换器，专为标准0～20 mA或4～20 mA模拟信号而设计，可提供高达36 mA的电流，非线性度为0.002%，精确度为0.015%。其较高的线性度和精确度可满足本设计的需要。输入电压和输出电流之间的比值由电阻率设定，电路也可以对输出电压进行修改。

本系统数模转换电路采用MCP4725芯片，该芯片具有非易失性存储器EEPROM的单通道和12位缓冲电压输出，其中非易失性功能使得DAC器件在断电期间仍能保持DAC输入代码，且DAC输出在上电后立即可用。该芯片还可以通过设置配置寄存器位的方法，把DAC配置成正常模式或关断模式以节省功耗。另外该芯片具有可以实现轨到轨模拟输出摆幅的片上精密输出放大器，提供了低失调电压和低噪声，并通过精密的CMOS放大器对DAC输出进行缓冲。单片机的数字信号经由MCP4725芯片后输出0～5 V的电压作为电流调控电路中波形幅度调节的输入。

1.3 电流调控电路

本系统采用低功耗运算放大器MCP601作为DA转换器的驱动放大器，该放大器具有偏置电流低、运行速度快、开环增益高以及满幅输出等特点，本系统选用ICL7660给两个运放供电。电流调控电路实现基线电流输出大小和波形幅度调节功能，通过两个电位器分别调节电路电阻大小，获得与输入电压成一定关系的输出电压进而实现电流调节的功能。电位器RV1端获得由MCP4725输出的0～5 V电压，电位器RV2获得来自电源的+5 V电压，再通过同相加法器和反相器相加最终输出0～5 V的电压。可调电流设计为0～2 mA连续调节，波形调幅设计为0～0.2 mA连续调节。

1.4 功能实现流程及软件设置

单片机作为核心控制电路要对各个电路模块进行控制，包括对电路中的各个芯片进行初始化、按键检测、通过触发外部中断进行波形转换。当波形正常输出时，可进行调频、调幅程序的调用，从而实现各个功能。中断触发在按键被检测为按下的一瞬间开始，使程序由前一个波形输出进入下一个波形输出，或者由波形输出进入到调频模式中。按键弹起的一瞬间，检测到低电平消失，中断触发结束，返回，等待下次中断。

本系统由程序控制正弦波、方波、三角波的输出，由按键实现3种波形的转换。其中，正弦波的输出使用查表法依次输出按正弦波规律变化的数字信号，通过数模芯片转化为模拟正弦波电压值；三角波的输出是根据频率、幅值等控制参数，计算出固定周期的幅值表，单片机根据幅值表数组，定时输出数模转换后的三角波形；方波的输出使用转换高低电平外加延时函数实现。波形输出程序流程图如图3所示。

图3 波形输出程序流程图Fig.3 Flow chart of waveform output program

2 经颅直流电刺激系统调试结果

首先完成MCP4725的数模转换配置以及中断优先级等配置初始化，然后对各个模块初始化，按照硬件调试步骤，先调试电流源电路中波形输出的程序，测试输出电流的精度,然后调试外部中断触发的中断程序。根据样机设计的刺激模式和对应参数，对研制的样机进行性能指标测试。

2.1 电流源负载能力测试

电流源负载能力就是在电流源电路最大电流2 mA时的带负载能力。其测试步骤如下：

1)在经颅直流电刺激设备和阴极电极之间接入10 kΩ的滑动变阻器。

2)通过调整滑动变阻器的阻值调整相应电流，直到通过滑动变阻器的电流与前一组测试数据的误差超过50 μA为止，此时记录一次数据。

3)当电流源电路输出2 mA电流时，用数字万用表测试滑动变阻器两端的电压值，利用欧姆定律计算此时通过滑动变阻器的电流值，并记录相应数据。

实验测试负载阻值从2 000～3 920 Ω均匀变化时的实际电流值，并计算出电流源误差的绝对值不超过50μA时，电流源的负载能力约为3 kΩ。因为电极和头皮的接触阻值一般在800 Ω～2.5 kΩ之间，所以本文研制的系统样机电流源的负载能力满足预期要求。

2.2 精度测试

精度是衡量仪器测量系统误差的一个重要尺度。本系统的精度是指基线电流输出的绝对误差，即实际输出电流与设定电流之间的接近程度，精度r的计算公式为

(1)

式中：I为设定电流；Ireal为实际输出电流。测试方法是在系统样机的阳极电极和阴极电极之间接入一个电阻，设定好要测量的基线电流值后，用万用表 UT802 测量该电阻两端的电压值，然后利用欧姆定律计算出流经该电阻的实际电流值，再根据式(1)计算在每一个设定的基线电流值下相应的精度。当输出电流为0～2 mA时，电流精度范围为2%～10%，符合经颅直流电刺激的精度要求，满足实验要求。

2.3 输出波形检测

采用示波器分别测试样机在正弦波、方波、三角波3种刺激模式下的输出波形。由于示波器无法直接显示电流的波形，因此在阳极和阴极电极间接入阻值为2 kΩ、精度为0.1%的电阻，此时示波器显示的波形即可等效为电流波形。输出的3种波形结果如图4—图6所示。

本系统预设电流输出误差不高于10%，在电流输出精度测试实验中，当输出电流为0～2 mA时，基线电流输出误差为1.25%～10%，满足实验要求。如果想继续提高电流输出精度，则考虑使用程序算法补偿精度。波形输出实验中，对于方波，当波形频率大于20 Hz时，输出波形出现较为严重的失真现象，引起失真的原因是电压转电流芯片XTR111的转化速率跟不上程序运行的速度和DA转换芯片的速率，导致调节频率越快，失真越明显；而正弦波、三角波在所有测试频段均未出现失真。另外，调节频率时，设定的频率与示波器实际检测到的频率有5 Hz的偏差。