基于tACS-EEG平台的多参数可调经颅交流刺激器的研制

刘光启

河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院）放射科，河南 郑州 450016

基于tACS-EEG平台的多参数可调经颅交流刺激器的研制

刘光启

河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院）放射科，河南 郑州 450016

目的基于tACS-EEG实验平台，研制用于研究和分析运动想象康复疗法的一种定制的多参数可调经颅电刺激器。方法选用低功耗芯片MSP430FR5739作为主MCU，再加上相关精确的辅助芯片，能够高速的、精确地控制刺激器的输出波形和电流，从而达到经颅交流刺激器的设计要求。结果通过输出波形和电流的重复验证和计算，研制的多参数可调经颅交流刺激器符合设计要求和设计原则。结论该多参数可调经颅交流刺激器各项指标和参数，和主流的经颅电刺激器基本一样。同时，其便携性和智能化的特征使得其能够更好地满足后续的研究和实验。

多参数；交流电刺激；任意波形；低功耗；可定制

引言

经 颅 交 流 电 刺 激（Transcranial Alternating Current Stimulation，tACS）是一种非侵入式神经刺激技术，它通过电极将低强度的周期性交流电作用于特定脑区，从而达到调节大脑皮层神经活动的目的，从而能够改善受刺激脑部区域的功能，因此愈来愈受到学界重视。近年来，诸如tACS的经颅电刺激技术已被应用于脑认知功能增强和神经精神类疾病康复，并受到学术界和医疗界的广泛关注[1–11]。经颅交流电刺激结合脑电（tACS-EEG）是研究经颅交流电刺激效应和作用机制的一种重要途径和方法。目前，现有刺激器参数相对单一，对经颅交流电刺激技术研究的开展存在一定制约。该文的目标就是研制适用于tACS-EEG平台的、特定的多参数可调经颅交流刺激器。

1 系统设计方法与实现

经颅交流电刺激波形有正弦波、对称方波、非对称方波、脉冲波形等，虽然尚未有报道系统阐述刺激波形是否对生物效应、组织舒适度等有显著影响，但已有多种刺激波形的经颅交流电刺激设备用于各类神经精神疾病治疗的探索中，刺激效应与刺激波形之间可能相关[12-16]。已有经颅电刺激设备提供的刺激波形相对单一，给研究带来一定局限性。此外，已有设备相对较高的成本在一定程度上也限制了经颅交流电刺激研究的开展。因此，该研究设计了可输出任意波形的多参数经颅交流电刺激器，设备提供经颅电刺激典型的参数范围并且可根据研究需要设置任意刺激波形，与现有经颅电刺激仪器相比，更利于刺激波形与作用效应之间的关系研究。同时，该仪器的研制遵循了可控性、有效性、生物安全性等原则。

刺激器整体方案，见图1。在控制器界面设置波形以及频率、幅度、时间等刺激参数，控制器将参数信息按设计的通信协议发送至刺激器端，控制其输出相应的参数的刺激波形。

1.1 刺激器控制模块的硬件设计

控制模块是刺激器主要硬件组成部分，主要功能为：① 与上位机通信，接收刺激参数；② 根据上位机指令控制输出相应的恒流刺激；③ 对刺激电流大小、接触阻抗进行检测，保证设备安全性；④ 对回路电流进行监测，保证刺激安全性。综合考虑功耗和性能需求，选用Texas Instrument公司的低功耗芯片MSP430FR5739作为主MCU，最高运行频率可达24 MHz，睡眠模式下最小电流为10 μA。为了使刺激系统按照上位机要求精确输出波形，需要采用高速DAC，DAC速度越快，一个波形周期内可以设置的波形数据点就越多，波形就越精确。考虑到体积、功耗和速度，选择Texas Instrument公司的DAC7311，系统采用4.7 V电池供电，经过线性稳压器转换成3.3 V的系统电压，3.3 V电压经过Linear Technology公司的LT1615升压后转换成±18 V给系统放大器供电。

图1 多参数可调刺激器方案示意图

经颅交流电刺激一般采用双相电流波形。双极性恒流源电路，见图2。

由低失调电压和低偏置电流的运输放大器OP2177以及仪表放大器AD8422组成，从DAC出来的电压经过偏置放大器和一系列计算。可得到负载电流I为：

电流与负载无关，取Vref30=3 V，R34=3.1 kΩ，R35=5 kΩ，Vdac的范围为1～2 V，因此电流I的范围为-1500～+1500 μA，符合经颅电刺激电流幅值要求，并且在与皮肤接触阻抗不大于12 kΩ情况下，输出电流与Vdac成线性关系，可通过DAC线性控制刺激电流的输出。为保证安全性，刺激器采用电池供电。同时，加入电流监测电路，监测刺激电流大小。在刺激电路回路中串入100 Ω精度为1%的采样电阻，采样电压通过检波电路变换成单极性后，进行积分成直流输出，送入MCU的ADC中，此幅度值代表了平均电刺激强度。当MCU监测到平均电流强度大于阈值（本刺激器阈值设置为2 mA）时，中断刺激输出，以保证安全。

1.2 通信协议和软件设计

为实现波形可任意定制，设计表1的协议。上位机根据通信协议将波形数据、频率等参数发送给控制模块，波形数据用8位字节表示。在经颅交流电刺激对认知功能影响研究中，一般采用脑电节律所在频段范围刺激，本刺激器提供输出的频率范围是f=0～99.9 Hz，覆盖绝大部分脑电节律，频率调节精度0.1 Hz。由于一个周期内的波形数据量为512 Byte，在最大输出频率情况下，最小输出脉宽约0.2 μs，满足最小刺激脉宽要求[5]。

表1 定制波形输出通信协议

刺激器收到数据W(i)(i = 1, 2, ..., 512)并校验后，根据频率设定定时器的中断周期并在定时中断内通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）控制DAC输出电压Vdac(i)，由512个定时中断完成一个周期的波形输出。刺激电流是交变电流，根据刺激波形的产生原理，波形数据i 对应的刺激电流I(i)与波形数据W(i)成线性关系：

图2 恒流源发生电路

D为输出电流相关系数。根据电流产生原理，输出电流的有效电流（RMS Current）Irms为：

当设定Irms后，系数D可以按照如下公式计算：

再根据公式(1)，得到每次定时中断DAC的输出值Vdac(i)：

根据协议，上位机向控制模块发送任意512 Byte的波形数据和频率数据以控制控制模块端输出相应频率的刺激波形。

2 仪器的指标及功能测试

最终研制的多参数刺激器，见图3。为验证刺激器是否符合设计预期，对刺激器输出波形一致性、电流精度及输出电流线性度等指标进行测试。

图3 多参数可调经颅交流电刺激器实物图。

2.1 波形输出控制检验

在上位机端任意设定512 Byte波形数据，负载用40 kΩ 1%精度的电阻，用示波器采集电阻两端电压，理论波形和输出波形，见图4，系统输出波形与理论波形一致，符合可定制输出刺激波形的设计预期。

2.2 电流输出精度及线性度测量

由于系统的使用场合为常温场合，因此关注系统在常温下的输出电流线性度和控制精度。这些指标受DAC位数、恒流源电路电阻精度以及系统的分布参数等影响。为测试刺激电流精度，在控制端设定波形数据为恒定值，负载为40 kΩ 1%精度的电阻，电压采集仪器为RIGOL DM3058，将采集电压经欧姆定律换算回电流。设置3个不同的输出电流值20、200和360 μA，然后各重复测量10次。统计结果，见表2。在所测试的电流值上输出电流的控制精度在5%以内并具有较小的标准差。

图4 512 Byte 理论数据波形（a）和刺激器输出的实际波形（b）

表2 电流控制精度

在控制端设定波形数据为恒定值，通过设置不同的输出电流值（0～400 μA，每20 μA一个点）并时测量实际的输出电流值，对仪器的输出线性度进行检测。设定值与实际测量电流值关系，见图5。对实际输出电流值进行线性拟合后，得到线性系数接近于1，证明刺激器输出电流具有良好的线性度。

3 结果与讨论

综上所述，研制的该多参数可调经颅交流电刺激器经过一系列性能指标的测试，基本符合当初的设计理念和设计要求，而且调试的结果在设计的范围内。而且，设备与目前主流经颅电刺激设备主要指标参数[1-2,17-20]，见表3。最大输出电流、最大输出电压等主要参数与主流设备基本处于同一水平。

图5 输出电流线性度

表3 经颅电刺激设备功能参数比较

另外，该多参数可调刺激器提供可定制的刺激波形，便于研究经颅交流电刺激刺激效应与波形之间的关系。

运动想象疗法作为一种新兴的运动功能康复手段越来越受到关注，逐渐成为研究热点。经颅交流电刺激作为重新兴起的神经调节技术，具有提升运动想象任务能力，促进运动想象康复疗法效果的可能性。本文为后续基于tACS-EEG平台的对运动想象康复疗法的研究和分析提供了特定的、有效的硬件工具和条件。也是为进一步揭示经颅交流电刺激对运动想象任务能力的影响，并通过EEG量化经颅交流电刺激引起的脑活动特征变化探索刺激的作用机制提供了硬件基础。

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本文编辑 袁隽玲

Development of Multi-parameters Adjustable Transcranial Alternating Electrical Stimulator Based on tACS-EEG

LIU Guang-qi

Department of Radiology, Luoyang Orthopedic Hospital of Henan Province (Orthopedic Hospital of Henan Province), Zhengzhou Henan 450016, China

ObjectiveTo develop a kind of customized multi-parameters adjustable transcranial alternating stimulator to perform research and analysis on motor imagery rehabilitation therapy based on experiment platform of tACS-EEG.MethodsLow power chip (MSP430FR5739) was used to be host MCU, and some related accurately auxiliary chips were added to control the output waveform and current of stimulator high-speedily and accurately. In this case, the designed requirement of transcranial alternating stimulator could be reached.ResultsAccording to repeatability verification and calculation, the multi-parameters adjustable transcranial alternating stimulator was accorded with design requirement and principle.ConclusionVarious indexes and parameters of the multi-parameters adjustable transcranial alternating stimulator were essentially the same as the mainstream TCS. Meanwhile, its portability and intelligence characteristics make it satisfy the subsequent study and experiment better.

multi-parameters; alternating current stimulator; arbitrary waveform; low power; customizable

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.012

1674-1633(2017)08-0047-04

2016-12-22

2017-01-13

作者邮箱：15617928681@163.com