一种脑电刺激器电路设计

2012-12-30 09:47:58周樟伟朱丹峰陶大锦
电子器件 2012年3期
关键词:数码管脑电电信号

周樟伟,朱丹峰,陶大锦

(温州医学院生物医学工程系,浙江温州325035)

当前,我国人民已进入市场经济的大潮之中,激烈的市场竞争使人们处于过度的精神紧张状态,这种不良的情绪使人容易产生疲劳、失眠、头痛及精神衰弱。各个年段学生们的压力也越来越大,这就需要有一种方便而舒适的治疗手段来缓解压力。

医学研究表明,人脑会自发辐射脑电波,脑电信号可以反映精神状态的变化[1-5],当人在收到特定外部诱发刺激时,脑电信号也会出现与外部刺激频率保持一致“节律同步”的现象。本设计正是基于脑电信号对外部刺激的同步化效应,设计一套光声刺激脑电诱发装置,迅速调节人们的精神状态,起到放松或催眠的效果。其研究的意义在于利用脑电诱发装置根据需要输出刺激来调节人体状态用于临床和日常生活。

1 脑电信号的分类及含义

按频带定义,一般可将脑电分为下面几种[6]:

(1)δ波 频带范围0.5 Hz~3 Hz,振幅为10 μV~20 μV,常在额部出现,其指数不超过5% ~8%,见于儿童和成年人的睡眠时,在正常清醒的成人脑波中很少见。

(2)θ波 频带范围4 Hz~7 Hz,振幅20 μV~40 μV,在颞叶、顶叶较明显,一般倦时出现,是中枢神经系统抑制状态的表现[7]。

(3)α波 频带范围8 Hz~13 Hz,85%的成人在 9.5 Hz~10.5 Hz之间,振幅 1 μV-10 μV,是成人脑电信号的基本节律。α节律呈正弦形,安静及闭眼时出现最多,睁眼、光刺激或精神活动时,α波会受到影响,这是正常脑电图的重要标志之一[8-10]。

(4)β波 频带范围14 Hz~30 Hz,电压幅度低于5 μV ~30 μV,在注意力集中或情绪紧张时出现较多。

(5)γ波 频带范围30 Hz~100 Hz及以上,它与β波同属快波,快波增多,波幅增高是神经细胞兴奋型增高的表现。

2 系统方案

2.1 系统总体结构设计

该系统的功能就是产生各种与上述脑电频率相适应外部刺激来调节脑电频率。系统由51单片机(CPU)、时钟电路、控制键盘、LCD、AD9851(信号发生)、低通滤波器、放大电路和声光输出模块组成。如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2.2 系统硬件

2.2.1 单片机最小系统

选用STC89C52RC型号单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。工作电压3.3~5.5V,工作频率范围0~40 MHz,片上集成512 byte RAM,具有看门狗功能。

图2 单片机及其时钟和复位电路

时钟电路和复位电路如图2所示。复位电路由按键和上电复位两部分组成。STC89C52RC单片机为高电平复位,通常在复位引脚上通过一个22 μF电容接到VCC,另一端再连接一个400 Ω电阻到地,电源经过2 kΩ电阻和开关连接到复位端,由此形成一个RC充放电回路,保证单片机在上电时有足够时间的高电平进行复位,随后到低电平进入正常工作状态。STC89C52RC使用外部12 MHz的晶体振荡器作为振荡源,由于单片机内部带有振荡电路,所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可,电容选为30 pF。

2.2.2 控制键盘和数码管

由于MCU的I/O资源有限,选用ZLG7290扩展键盘和数码管,其与MCU之间采用I2C串行总线接口,只需两根信号线,节省I/O资源,工作电压范围为3.3 V~5.5 V。ZLG7290能够管理多达64只按键,其中有8只可以作为功能键使用;利用功率电路可以方便的驱动1 inch以上的大型数码管;可提供10种数字和21字母译码显示功能。本系统采用其中的16个按键和8位数码管。16个按键为数字0-9及确定和其他功能键,可由软件编写实现。数字键用来设定闪光频率及音频信号的节拍等,数码管显示键盘操作时的数据。

ZLG7290芯片为低电平复位,在复位引脚上通过一个47 kΩ的电阻接电源,另一端再连接一个0.1 μF的电容到地。因此形成一个RC充放电回路保证在上电时有足够时间的低电平进行复位,随后到高电平进入正常工作状态。其工作电路如图3~图5所示。

图3 ZLG7290及其时钟和复位电路

图4 数码管

2.2.3 AD9851信号发生模块

AD9851是ADI公司采用先进的DDS技术推出的高集成度DDS频率合成器,能实现全数字编程控制的频率合成和时钟发生。具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点。

AD9851接口功能控制简单,可以用8 bit并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。AD9851采用先进的CMOS工艺,功耗低,3.3 V供电时,功耗为155 mW。内置32位频率累加器、高速D/A转换器、高速比较器和可选通的时钟电路。通过控制内部5个输入数据寄存器的控制字实现其可编程功能,数据总线D0~D7完成并行工作[11-12]。其与单片机的接口如图6所示。

图5 键盘电路

图6 AD9851基本时钟发生器构造及与单片机的接口

2.2.4 放大模块

主要是对输出的正弦信号和方波信号进行放大处理。AD9851输出正弦波信号的幅值为0~1 V,所以利用同相比例运算电路对其放大5倍来驱动发光二极管和耳机。在放大电路中利用反馈电阻的可调性来调节输出幅值的大小,如图7所示。

图7 放大电路

2.2.5 液晶显示电路

液晶显示电路用于显示汉字、图形等,其与单片机的接口如图8所示。该电路采用的JM12864M是汉字图形点阵液晶显示模块,它可显示汉字及图形,内置8192个中文汉字(16×16点阵)、128字符(8×16点阵)及64×256点阵显示RAM(GDRAM)。具有单工作电压(+5 V,内置升压电路,无需负压),与MCU多种连接方式(8位或4位并行、3位串行)、多种软件功能(光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等)等优点[13-14]。

图8 液晶与单片机的接口

液晶的数据传输端接单片机的P1口,寄存器选择端RS接P3.7,写控制端接P3.6,读控制端接P3.0,液晶使能端接P3.1。

2.2.6 声光输出模块

该部分主要是由控制闪光刺激的数据线和耳机接口组成。闪光刺激的实现是靠红、绿颜色的亮度LED实现。LED是电流驱动元件,为了保证LED的正常工作,在LED上加限流电阻,LED的点亮与熄灭由经过放大的正弦电压信号控制,通过单片机的程序控制来调节其闪烁的频率。声音主要由外接的耳机插槽作为输出接口,接上耳机就可以听到具有一定节拍和频率的声音,节拍由键盘输入单片机控制,通过电位器来调节输出音量的高低。人耳可识别的声音频率在20 kHz~20 kHz之间,但对于节拍的反应很敏感,在程序编写是主要利用α频率的节拍对受试者进行声音刺激,频率集中在200 Hz左右。实验过程如图9所示,平静和刺激状态的持续时间分别为2 min和3 min,直到4个实验周期的采集完成。

图9 实验过程示意图

3 系统软件流程

系统主程序流程如图10所示。在系统加电后,主程序首先完成系统初始化,其中包括液晶、中断、定时/计数器等工作状态的设定,给系统变量赋初值。然后扫描获取键值,判断启动键是否按下,按下后再进入系统扫描各个功能键继而执行相应子程序。图中的键盘扫描有两种状态,用r来表示,当r=0时,键盘是各个功能键;当r=1时进入设置状态,扫描数字键0~9并做相应计算后输出。

图10 软件流程图

4 系统运行结果

设计并制作了一个符合实际需要的脑电刺激器装置。可通过操作界面(16个按键和液晶显示器)的控制,实现默认设置程序的运行,或者进行设置参数后再执行按一定时序变化的程序。程序执行后,能输出特定频率的声光刺激脉冲,诱发相应的脑电波。

键盘按键说明:键盘编号从上到下、从左往右依次编号为 1,2,…,16,按13 键进入系统,14 退出,15进入设置模式,16为确认键。未进入系统前按键无任何反应,按13键进入系统后按前四个键(1-4)分别进入δθαβ波光刺激模式,5-8键为δθαβ波变频光刺激模式,9键为α节拍声音刺激模式。LED上显示键盘操作的数据,液晶屏上显示相关文字信息及操作提示等。进入设置模式后前10个键为0-9数字键,可以设置闪光和声音的频率。还有几个键可设定其他功能,由相应软件结合实现。

图11 输出波形(黄色)和放大后波形(绿色)

通过示波器观察输出信号,并经过放大模块对信号进行放大,二者波形如图11所示,实验结果与设计一致,信号放大了5倍。能通过键盘控制刺激模式和设置刺激频率,达到理想的效果。系统实物如图12所示。

图12 系统硬件电路

5 结论

本文介绍了脑电频率调节及方法,脑电信号根据其频率的不同有规定的分类,不同频率的脑电波反映了人不同的精神状态,脑电频率调节是基于脑电的节律同步化效应,通过外界不同频率的声光等刺激来改变脑电信号频率,可以达到使人处于不同精神状态的目的。文中给出一种脑电刺激器系统设计的详细方案,硬件选用和原理图等。通过系统硬件和软件的共同作用实现了预期的效果,该电路经过实物样机测试,完全达到实际使用要求,同时该系统具有成本低、精度高的优点。实验过程通过非接触式的声光刺激,具有无创伤性的特点。

[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]周卫东,曹毅,胡中揖.声、光、磁物理刺激对人体脑电影响的计算机分析和实验结果[J].生物医学工程杂志,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]谬育平,戴桂平,邱义,等.单次单道电刺激脑电模式识别方法研究[J].传感技术学报,2010,23(3):303-306.

[5]伍国锋,张文渊.脑电波产生的神经生理机制[J].临床脑电学杂志,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]张羽,钱志余,李韪韬,等.α频率光刺激脑电信号同步化的初步研究[J].生物医学工程研究,2009,28(3):183-187.

[9]孙宇舸,李丽,叶柠,等.基于不同频率声音刺激的脑电信号分析方法研究[J].生命科学仪器,2007,5(7):23-27.

[10]童晓欣.脑电图光刺激的光驱反应频谱研究[J].中国临床康复,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]刘昱,史玉玲,柳莹,等.基于AD9851的正弦信号发生器设计[J].电子设计工程,2009,17(7).14-16.

[13]郑万挺,陈付毅.光电脉搏血氧心率仪电路设计[J].电子器件,2010,33(6):786-789.

[14]陈亮亮,陈付毅.一种低成本的光电式血氧饱和度Q值测量电路的设计[J].电子器件,2008,31(4):1384-1386.

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