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[摘要]本文阐述了一种经颅电刺激发生装置的研制过程，该装置主要由STC12C5410单片机、DA转换器、缓冲放大器和隔离装置等构成，可在上位机软件的控制下，产生不同频率、幅值和波形的刺激信号，具有功耗低、安全性好、参数调节方便等特点，对于经颅电刺激疗法的科学研究以及临床应用具有一定的实用价值。

经颅电刺激（Cranial Electrotherapy Stimulation，CES）是通过向头部表面电极引入微电流以刺激颅内中枢神经的刺激技术，能够改善脑电波，调节相关激素分泌以及调整神经递质，其副作用较小，广泛应用于失眠、抑郁、焦虑等心理疾病的临床治疗中[1]。不过，CES的具体作用机制尚未完全明朗，对CES参数如频率、电流和波形等的研究具有重要意义[2]。目前，商品化的经颅电刺激器通常只能输出厂家设定的刺激信号，不能输出指定的信号[3]以及随意调节输出信号的频率，给经颅电刺激作用机制及治疗范围的研究带来了不变。本研究设计了一种电刺激发生装置，能产生不同频率、幅值和波形的刺激信号，便于经颅电刺激的研究和应用，报道如下。

1 整体设计

硬件部分主要负责接收来自上位机的信号并对其进行处理，输出一定频率、幅值和形状的波形，设计框图见图1。该装置硬件部分采用全数字化设计，主控部分为STC12C5410系列高速单片机，可实现控制整个下位机系统；采用USB口供电，不需要外加电源。

图1 电刺激发生装置硬件部分设计框图

其中，上位机可提供一个方便操作的界面，以接收用户输入的波形信息，并对输入的信息进行初步处理，将其转化为一定格式的数据包，再通过串口将数据包发送给下位机。

隔离模块可将刺激发生器的接地端和输出接地端隔离，以防止由于生物体与电源地之间产生电势差而对受试个体产生电击，从而保护受试个体[4]。该模块与电网仅通过串口线连接，所以仅在串口处加隔离就可实现输出隔离的目的。该模块采用隔离电源芯片B0505S进行电源隔离，并通过高速光电耦合器6N137实现串口信号的传输[5]。

单片机采用STC12C5410AD系列高速单片机，用于接收上位机对幅值频率的控制信号，可通过定时中断功能，精确控制信号输出时间，并采用输出口控制DA转换器。

DA转换模块负责将单片机输出的电压数字信号转化为电压模拟信号。该模块采用TLC7226四通道8位DA转换器，转换速率较高，完成一次DA转换的时间为1 μs，可充分满足设计要求。

输出缓冲模块可提高系统的负载驱动能力，通过电位器控制输出刺激信号幅值。该模块采用TL082低功耗JFET型通用集成运放，具有输出短路保护功能，其输入偏置电流较小，适用于信号处理。

软件部分的主要功能是设计一个便于操作的人机界面，对下位机的输出波形的形状、幅度以及频率进行调节。上位机界面制作使用Microsoft Visual Studio 2010作为软件开发环境，选择C#作为编程语言，在Microsoft .Net Framework2.0平台下运行。软件部分由频率选择面板、波形控制面板、波形显示面板和串口控制面板4部分组成。

电刺激发生装置软件部分工作流程图，见图2。软件界面接收用户的输入信息，当用户设定的波形或频率发生改变时，软件将重新获取用户新输入的波形和频率信息，再将以上信息转化为下位机能够识别的数据包，最后将数据包通过串口发送给下位机。

图2 电刺激发生装置软件工作流程图

系统将上位机的数据按照一定格式通过数据线传递给下位机，必须确保数据传递快捷、无误。串口通信协议是一种通用的设备通信协议[6]，故本系统通过串口实现上位机和下位机的通信。

串口数据包是按照一定格式由上位机发送给下位机的数据，其中包含了波形的频率信息和形状信息。本系统使用高度集成的RS232-USB接口转换器PL2303模块作为USB和串口之间的转换工具，能够实现比传统的UART端口更高的吞吐量[7]。

2 测试验证

本系统设计指标如下：① 输出波形：占空比可变的方波、延迟方波以及自定义波形；② 频率范围：1 Hz～15 kHz；③幅值范围：±50 mV～±5 V，连续可调。

研究表明，人头颅表面的阻抗特性呈阻性和容性，在低频段以阻性为主，随着频率的增高，其容性逐渐显著。根据其他研究者对头颅阻抗特性的研究[8]，本研究建立了等效负载模型，将系统输出加到等效负载模型上进行测试。

从系统输出不同频率的设定信号与实际输出信号频率的对比结果可以看出，系统的输出频率具有较高的精确性（表1）。

表1 输出信号理论频率和实际输出频率对比表

该系统输出频率100 Hz、峰峰值为1 V的方波刺激时，负载两端电压随负载阻抗变化的关系曲线，见图3。系统的输出幅值随负载阻抗的变化较小，说明该系统有较强的驱动负载能力。

图3 频率100 Hz、峰峰值为1 V的方波刺激时负载-电压曲线

图4(a)显示的是自定义双向脉冲波形在不同频率下输出的实际波形。图4(b)显示的是目前治疗较为常用的频率[2]（100 Hz）信号刺激头颅模型的波形图，对比用户定义的输入波形可见，输出的刺激波形具有较高的精密性。图4(c)显示的是频率10 kHz信号刺激头颅模型的波形图，波形的跳变处出现了轻微失真，这是头颅的容性阻抗造成的，在频率较低时影响较小，在频率较高时影响较为明显。测试结果表明，本系统的软件和硬件模块均达到了预期的设计效果。

图4 理论输出波形与本系统产生的100 Hz和10 kHz自定义波形刺激头颅模型波形图

3 结论

本系统的输出频率可达15 kHz，超过市面上常见的电刺激器的频率范围，能够较好地运用在经颅电刺激的科学研究上；可以输出通过软件编辑的任意自定义波形，便于研究不同的电刺激波形对生物的影响，并能够对多种实际波形进行验证和研究；通过上位机控制硬件，操作直观，输入灵活。与市场上常见的经颅电刺激器相比，本系统更轻便灵活、方便快捷，且成本较低，具有一定的实用价值。

[1] 陈一心.经颅微电流刺激疗法的研究进展[J].中华医药导刊,2012, 14(6):967-970.

[2] 但果,李志坚,丁惠君,等.经颅微电流刺激技术及临床研究现状[J].中国康复医学杂志,2014,29(5):483-488.

[3] 肖晓明,何为,贺玉成.基于生物电阻抗原理人体成分分析仪的设计与研究[J].中国医疗设备,2015,30(8):9-13.

[4] 侯俊钦.基于FPGA的脑电信号采集系统的设计[D].合肥:安徽大学,2007:1-78.

[5] 张南南,尤一鸣.恶劣环境下的高性价比数据采集系统[J].天津工业大学学报,2003,22(1):81-83.

[6] 李锋,杨军锋,徐建.湿热环境测控系统的设计与实现[J].自动化与仪表,2014,(8):41-43.

[7] 文治洪,胡文东,李晓京,等.基于PL2303的USB接口设计[J].电子设计工程, 2010,18(1):32-34.

[8] 张晓红.基于生物阻抗的无创颅内压测量方法的研究[D].秦皇岛:燕山大学,2014:1-47.

ZHU Zheng-lin, REN Zhao-hui
School of Biomedical Engineering, Capital Medical University, Beijing 100069, China

Abstract：The paper explained the development of a kind of electrical stimulator for transcranial electric stimulation therapy. The stimulator is mainly composed of a STC12C5410 single chip microcomputer, a DA converter, a buffer amplifier, and an isolating device. The stimulator can produce user-defined stimulating signals that have different frequency, voltage, and waveforms through software control hardware. The system is characterized by features such as low-power consumption, improved safety and convenient index-adjustment. The system has certain practical value in the scientific research and clinical application of transcranial electric stimulation therapy.

Key words：transcranial electrical stimulation; single chip microcomputer; DA converter; buffer amplifier