经颅直流电刺激器设计探讨

吴正平　王建锋　朱寿羽　吴凡　贡旭彬　魏欢

摘要：文章介绍了经颅直流电刺激器的作用原理、应用范围和安全性，并设计了一种经颅直流电刺激器。其功能是利用一种为非侵入性，恒定的、低强度的直流电作用于人体大脑皮层，从而达到抑制人体过度兴奋或者改善情绪低落的目的。该设计采用单片机控制刺激电流输出的大小和刺激时间的长短，具有控制精度高、定时功能、模式选择多样化等优点。

关键词：经颅直流电；刺激器；tDCS；单片机；电流输出 文献标识码：A

中图分类号：R318 文章编号：1009-2374（2016）26-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.012

1 概述

在现代快节奏的生活中，各种生活压力、工作压力困扰着大批人群，因此人们对精神世界的追求也越来越高，作为一种全新的技术，tDCS在调整人体精神状态方面起着越来越大的作用，其可以通过微弱的电流刺激人脑，从而改变人体精神状态。而目前面向市场的tDCS设备主要是来自于国外，如美国生产的Thync，国内虽然有相关的研究但是并没有产品推广到市场中，随着科学的发展和人们对脑神经的认知，tDCS拥有的独特性能将在未来市场中拥有广阔的发展前景。

本文设计一种高精度、多模式选择、高性能、便携式的经颅直流电刺激器，其可以通过不同模式的选择达到刺激效果的不同。选用低功耗、具有8K系统内可编程Flash的8位AVR微控制器作为系统控制主芯片，通过5个具有独立按键可以控制时间的增加减少、运行模式的选择、系统设置和复位功能。为了增加电源的稳定性，系统选择了LT1026和ASM1117稳压芯片对电压进行精确的控制。而且为了能更好地反映当前系统输出刺激电流的大小，系统还利用高精度电流计对电流进行实时的反馈显示。其系统总框架图如图1所示：

2 tDCS作用原理

人体的细胞膜内外两侧是存在一定的电位差的，一般在10～100mV之间，且细胞膜外的电位高于细胞内的电位，该电位在未受到外界刺激，保持正常的新陈代谢时，膜内外两侧的电位会维持在一个相对恒定的水平，我们将这个电位称为静息膜电位，而当可兴奋组织或细胞受到刺激时，静息电位发生变化，当膜内负电位值增大的时候，此时称为超极化，而膜内负值电位减少的时候则称为去极化。tDCS对皮质兴奋性的调节主要是依据极性不同电位引起静息膜电位的超级化或者去极化，将电极置于头皮，向人体大脑皮层输入微小的电流来改变大脑的膜内外两侧电位的状态，使静息电位发生超极化或者去极化现象，从而起到抑制兴奋性或者提高兴奋性的目的。

3 tDCS应用范围和安全性

tDCS使用的是已经确定的安全协议，安全协议是指科研人员在对tDCS进行了大量的实验之后，分析得出的刺激时间和刺激强度以及相关的刺激步骤，刺激点可能会对人体产生不适的地方。目前为止，这项协议并没有完全地设置完整，目前业界普遍认为的是刺激电流不能超过2毫安，刺激时间为20分钟左右，同时刺激强度也被严格地限制。截至目前，尚未有tDCS对人体造成伤害的报道，tDCS这项技术被认为是一种安全的经颅刺激方式。目前这项技术主要应用于以下三个领域：

3.1 临床治疗

作为一种全新的治疗方式，tDCS不同于常规的治疗方法，其独特的治疗方式在临床治疗上取得了显著的效果，特别是在一些常规治疗效果不佳的领域，如抑郁症、帕金森、脑中风等。

3.2 认知功能

tDCS主要采用经颅直流电刺激疗法，通过微弱的直流电流，持续透过头皮给予大脑刺激，通过刺激部位的不同，会提高各种认知功能的表现，在试验中，志愿者被剥夺30个小时的睡眠时间，在使用tDCS刺激背侧前额叶皮质（负责注意力的关键区域）后进行测试，觉醒度和反应速度都比未接受刺激的志愿者高200%。在tDCS刺激下可以加快学习的过程，提高学习能力和记忆力。

3.3 调节情绪

生活压力、工作压力、亚健康都会影响情绪，提不起精神，甚至产生抑郁悲伤，使用tDCS可以让人从低落的情绪中恢复过来；同样情绪暴躁、精神过度兴奋的时候，tDCS也可以让患者迅速冷静下来。

4 系统设计

4.1 主控系统的设计

主控系统是整个系统运行的核心部分，高性能、低功耗的8位AVR微处理器芯片Atmega48控制的，外设5个独立按键，分别对应系统的设置、刺时间的增加和减少、停止运行和复位功能。

4.2 电流模块设计

电流模块主要是由电压转换模块LT1026和三端可调恒流源LM334组成，LT1026的输出电压是4～10V，电流的输出稳定在15mA左右，LM334是三端可调恒流源芯片，在工作电流内恒流源可调范围为1000∶1，并且具有1～40V宽的动态电压范围，恒流特性非常好。

5 测试结果

5.1 波形显示测试

如图3和图4所示，其显示波形为非常规的波形。

5.2 电流显示模块测试

6 结语

本文介绍了经颅直流电刺激器的研究背景和现状，深入探讨了它作为一种改变人体精神状态的功能用途。针对此类产品所具有的缺陷，本文也分析并提出具体的解决方法，以便更好地设计出功能更为齐全、更加实用的经颅直流电刺激器。

参考文献

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[2] Nitsche M A，Paulus W.Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation[J].The Journal of physiology，2000，527（3）.

[3] Nitsche M A，Cohen L G，Wassermann E M，et al.Transcranial direct current stimulation：state of the art 2008[J].Brain stimulation，2008，1（3）.

（责任编辑：黄银芳）