CN108096703A - 一种多通道经颅电刺激装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道经颅电刺激装置及其方法，包括上位机模块、ARM控制模块、FPGA波形发生模块和模拟电路模块；ARM控制模块主要负责与上位机模块发送的控制数据，并且将控制数据通过可变静态存储控制器传输到FPGA波形发生模块的RAM存储单元上；FPGA波形发生模块包括多个互相独立的通道，每个通道具有波形产生模块，且每个通道能够独立产生波形，且RAM存储单元得到的控制数据能够控制每个通道的波形的产生；能够实现多通道经颅电刺激下每一单通道参数能够调节，增加了电流反馈，使刺激电流稳定。

Description

一种多通道经颅电刺激装置及其方法

技术领域

本发明属于医疗机械技术领域；具体涉及一种多通道经颅电刺激装置及其方法。

背景技术

经颅电刺激(Transcranial Electrical Stimulation，TES)是一种非侵入性神经刺激技术，通过电极将特定的、低强度电流(-2～+2mA，2mA以上仅用于科学研究)作用于特定脑区，达到调节大脑皮层神经活动的目的。这项技术包括多种刺激方式，根据不同的电流形式可以分为：经颅直流电刺激(Transcranial Direct Current Stimulation，tDCS)、经颅交流电刺激(Transcranial Alternating Current Stimulation，tACS)、经颅随机噪声刺激(Transcranial Random Noise Stimulation，tRNS)。最初这项技术用于帮助中风等脑损伤病人。研究表明，对于健康成年人经颅电刺激技术能够提高其多种任务下的认知能力，如增强语言和数学能力、注意力、记忆力、协调能力和解决问题的能力。生物进行经颅电刺激产生的生物效应会因为电信号不同而改变。许多经颅电刺激技术已经在医疗领域方面被用于治疗相关神经性或精神性疾病的临床试验上了，许多有效成熟的经颅电刺激治疗模式也相继研究出来，而且成效显著对某些疾病有明显的治疗效果。

目前国内外市场上有很多公司生产tES设备，最大输出电压±9～±40V左右，输出电流在±500～±4500μA左右。设备内部为恒流源，可在最大输出电压范围内输出一种或多种电流波形。在刺激过程中电流从阳极经人体组织流入阴极，这个过程会刺激皮肤，产生刺痛、瘙痒的感觉，高强度的，高密度的刺激甚至会灼伤皮肤。因此，在刺激过程中需要实时监测设备输出参数，确保安全。

目前市面上出现了很多经颅电刺激仪，可以有效的对病人施加刺激，但它们还存在以下不足：治疗模式和功能都比较单一和特定，而且有很高的成本；多通道的经颅电刺激设备不能实现每一单通道相互独立的参数可调节，从而不能实现更加多元的刺激方式；没有电流反馈，不能实时监测输出电流的大小，从而安全性不能得到保证；不能扩展至更多通道，无法对头部更多有效的刺激点施加刺激；缺少友好、方便操作的交互界面，不能实时快捷的改变参数，造成使用者的不便利。

发明内容

本发明提供了一种多通道经颅电刺激装置及其方法；能够实现多通道经颅电刺激下每一单通道参数能够调节，增加了电流反馈，使刺激电流稳定。

本发明的技术方案是：一种多通道经颅电刺激装置，包括上位机模块、ARM控制模块、FPGA波形发生模块和模拟电路模块；ARM控制模块主要负责与上位机模块发送的控制数据，并且将控制数据通过可变静态存储控制器传输到FPGA波形发生模块的RAM存储单元上；FPGA波形发生模块包括多个互相独立的通道，每个通道具有波形产生模块，且每个通道能够独立产生波形，且RAM存储单元得到的控制数据能够控制每个通道的波形的产生；模拟电路模块包括数模转换电路、电流检测电路和参考电源电路，其中电流检测电路将FPGA波形发生单元发送的电流转换为电压信号，并且通过数模转换电路进行采集，并且将电压信号反馈给FPGA波形发生模块，FPGA波形发生模块在将其传递给ARM控制模块，ARM控制模块调节输出电压进而稳定输出电流，其中参考电源电路为数模转换电路提供稳定的基准电压。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中FPGA波形发生单元能够产生正弦波、三角波、方波、直流恒流或随机噪声。

其中ARM控制模块的控制参数包括波形、幅度、频率和占空比。

其中模拟电路模块还包括与数模转换电路连接的放大器电路，放大器电路连接滤波器电路，滤波器电路与电流检测电路连接。

其中放大器电路包括初级放大器和次级放大器，具体的初级放大器将数模转换电路的参考电压放大一倍，在经过一个串联的4阶低通滤波器，然后经过次级放大器输出放大信号，次级放大器为反向比例放大器。

其中ARM控制模块采用基于Coretex-M4内核的STM32F407IGT6芯片，且该芯片具有FSMC通信协议。

其中数模转换模块为TLV5614芯片，其连接FPGA波形发生模块和电流检测电路。

其中电流检测电路采用INA286双向分流检测器。

本发明的另一技术方案是：上述多通道经颅电刺激装置的经颅电刺激方法，包括以下步骤：

步骤S1，上位机模块发送数据包给FPGA波形产生模块，该数据包为FPGA波形产生模块的多通道波形参数；

步骤S2，FPGA波形产生模块接收到数据包，并且对数据包进行解码，得到波形参数控制数据，同时将该控制数据写入FPGA波形产生模块的RAM存储单元中；

步骤S3，FPGA波形产生模块根据波形参数控制输出波形，其多通道能够输出不同的波形；

步骤S4，模拟电路模块接收到多个不同的波形，并且将其转换为电压信号，然后转换为数字信号，同时将电压信号反馈给FPGA波形发生模块，FPGA波形发生模块再将其传递给ARM控制模块。

其中步骤S4中还包括对电压信号进行放大以及滤波处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的装置能够实现多通道经颅电刺激下每个通道的波形参数能够调节，并且增加了电流反馈，通过反馈调节电流使其更加稳定；该装置能够扩展至128通道，能够更加有效为的患者施加刺激。

更进一步的，每个通道均能够产生5种波形，且所有波形幅度在0-12V内调节，正弦波、三角波和方波频率在1-100Hz能够调节，每个通道互相独立，且每个通道的波形参数均能够实现控制。

更进一步的，放大器电路能够去除电压信号的高频噪声，同时电流检测电路能够对电流起到限制作用，提高装置的安全性。

更进一步的，STM32F407IGT6芯片，其性能足够强大，能够满足本发明的设计要求。

更进一步的，TLV5614芯片，该芯片左边的引脚为控制端引脚，连接FPGA波形发生模块，右端为数据采集端引脚，连接电流检测电路，其中第15脚和第10脚为DAC参考电压输入端接电源电路中的2.5V参考电压，其余第10到14脚为模拟信号输出端，输出四路模拟信号到后级放大级滤波器。

更进一步的，INA286双向分流检测器进行电流采集转化为电压信号，电压信号输出串联一个5欧姆的电阻对电阻两端进行差模采样，再将电压信号传递给一块12位4通道串行输出采样模数转换器ADS7814转为数字信号，最后FPGA采集数字信号传递给ARM，由ARM进行计算构成反馈并稳定输出电流。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中产生随机噪声的波形发生单元的结构示意图；

图3为本发明中ARM控制模块与FPGA波形发生模块的连接示意图；

图4为本发明中ARM控制模块的控制流程流图；

图5为本发明的模拟电路模块的电路连接图；

图6为本发明中放大器电路的电路连接图；

图7为本发明中通道的电流检测电路的电路连接图；

图8为本发明中基准电压的电路连接图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。

本发明提供了一种多通道经颅电刺激装置，如图1所示，包括上位机模块、ARM控制模块、FPGA波形发生模块和模拟电路模块。

其中，上位机模块为PC控制端，PC控制端可以通过图形化控制界面以及通用串口对ARM控制模块进行控制。所述图形化界面是指本发明的设计需要对下位机模块进行控制，具体的就是控制多路电刺激通道的波形参数，每个通道每个波形参数均可独立控制，波形参数与FPGA波形产生模块具有的通道数量相同；上位机模块的数据包通过其通用串口发送给ARM控制模块，ARM控制模块进行数据包的解码，即需要在上位机模块中完成数据包的编码。

其中ARM控制模块为本装置的控制部分，其采用Coretex-M4内核的STM32F407IGT6芯片，其性能相当强大，足以满足本次发明设计要求。ARM控制模块接收上位机模块传输来的数据包，并且对其解码得到控制数据，然后通过FSMC(Flexible Static MemoryController，可变静态存储控制器)通信协议传输到FPGA控制模块的RAM(random accessmemory)存储单元中。

其中FPGA波形发生模块是本装置的波形产生波分，采用Altera Cyclone ⅣEP4CE10F17C8N芯片，其具有功耗低、性能强、资源多、使用方便等优点。FPGA波形发生模块包括多个互相独立的波形产生单元，并且每个波形产生单元能够独立产生需要波形，其中波形为5中波形，包括正弦波、三角波、方波、直流恒流或随机噪声。通过上述RAM存储单元中的控制数据改变每个通道波形产生的相应参数。

其中上述波形产生单元中的正弦波和三角波两种波形具有相对复杂的数学函数，其有两种产生方式，其中一种是函数法，另一种是查表法。函数法即通过数学函数计算，如正弦波刺激即可通过如下的正弦函数f(t)＝sin(t)得到。而查表法则是直接查找事先存在内存块中的正弦波数据，每次需要数据时从内存块寻址即可。两种方案各有优劣，函数法不需要占据大量的内存单元，但是有一定的计算量并且增加了程序设计的复杂性，而且由于硬件计算的复杂度和数据格式，精度会有一定的限制。查表法计算量很小，程序设计简单，精度可以由存储单元的数据决定，然而会占用大量的内存单元，不适合内存单元有限的器件。本设计采用的FPGA器件有8M的SDRAM，存储空间余量很大，故选用查表法实现三角波和正弦波的电刺激波形。

所述波形产生单元中方波方案。方波刺激其波形函数比较简单，故选用函数法，其函数形式如下：

其中T为信号周期，d为方波的占空比，此公式表示了一个周期的方波函数。

所述波形产生单元中直流恒流通过直接输出恒定数值实现，但是数字电路输出的信号均为电压信号，该信号的电流是无法直接控制的。由于电路欧姆定律可知，电流大小与电极间电阻成反比。为了保证信号的电流恒定，本发明设计采用了在模拟电路模块中增加电流检测电路的方式对输出电刺激信号的电流进行检测。电流检测电路将电流转化成电压信号，并且通过数模转换电路进行采集，同时反馈给FPGA波形产生模块，进而传递给ARM控制模块，ARM控制模块通过反馈调节输出电压的进而稳定电流。

所述波形产生单元中随机噪声电刺激是由FPGA波形产生模块产生随机数产生的。由于FPGA芯片没有专门的硬件随机数结构，选用软件实现的伪随机数方法。基于产生伪随机数的方法最常见的是利用一种线性反馈移位寄存器，如图2所示，它是由n个D触发器和若干个异或门组成的。其中，gn为反馈系数，取值为1或者0；n个D触发器最多有2n-1个状态，gn的取值必须使每个状态不得重复。本设计选用了16个D触发器实现了16位伪随机数的产生。

如图3所示，ARM控制模块和FPGA波形产生模块的连接示意图，其采用异构双核心连接模式，ARM和FPGA两核心通过16位并行总线通信。在FPGA的PS配置模式中，ARM控制其配置过程，实现了FPGA的在线可编程。该装置还包括一个复位模块RST_Ctrl、一个FSMC控制模块FSMC_CTRL、4个波形控制模块以及一个DCA控制模块TLV5614_CTRL和一个ADC控制模块ADS7841。由于该电路板上没有复位信号故手动写入了复位模块，在程序起始时产生一个400ns的低电平复位信号。

其中FSMC控制模块与ARM控制模块自带的FSMC有关，ARM控制模块通过FSMC将FPGA波形发生模块做成一个外部存储器，将控制信息放置在FPGA中自建的RAM存储单元中。ARM控制模块通过FSMC与此RAM存储单元交换数据，FPGA波形发生模块通过模块间的内部连线与RAM存储单元交换数据。FSMC模块的作用就是读取RAM存储单元中ARM控制模块存放的控制数据即波形参数，存放数模转换模块采集的电流反馈数据；其具体过程如下：

首先建立一个16bit*256的RAM的内核，其存储内容见下表：

其中RAM存储单元的前20位为数据存储的有用数据，分别存储着四路通道的四种波形参数以及由ADC模块采集到的输出电刺激信号的电流。例如存储单元0到3存储着通道0的波形、幅度、频率和占空比；存储单元4到7则存储着通道1的波形参数，以此类推，通道2的波形参数存储在了8到11，通道3的波形参数存储在了12到15的存储单元。采集到的四通道电流信息则分别存储在了存储单元16到19里面。

所述FSMC控制模块的编程主要围绕着这个RAM存储单元展开的，在此模块中先例化ARM存储单元，ARM存储单元收到上位机模块改变波形时发过来的数据包后，通过FSMC控制模块写入RAM存储单元中相应的存储单元内。FPGA控制模块则每10us进行一次RAM数据的读取工作，更新每个通道的波形数据并输出到下一个波形产生单元。

数模转换模块的驱动模块能够产生提供数模转换模块工作的时序。把上一个模块计算出来的数字信号通过数模转换模块转换成模拟信号，打点频率为1KHz，即每1ms依此转化多个个通道的数字信号，实现多个通道同时转化成模拟信号。使用的数模转换模块为TI公司的TLV5614四通道12位数模转化芯片，其通信协议为SPI接口，参考芯片手册中的时序图，通过状态机的方法进行编程，此模块效果就是每隔1ms依次转化出四通道的数据，若有的通道不需要工作，则是该通道的DAC为2048即可。

如图4所示，ARM控制模块主要完成接收上位机模块的命令，解码数据包转化成波形参数，通过FSMC控制模块将参数写入FPGA波形生成模块自建的ROM存储单元中，并读取FPGA波形生成模块传输的每个通道的电流信息，建立反馈输出恒定的直流恒流电刺激的电压幅度。由于后级模拟电路的放大系数非线性，ARM控制模块对波形的幅度信息进行拟合调整。

所述数据包解码，指的是用编程语言在ARM上编写串口读取程序读取上位机发送来的数据包。ARM根据规则编写解码程序解码上位机发送来的信息。如上位发送来的数据为：

AA AA 04 03 FF AAAA 05 64 FF AA AA 06 05 FF AA AA 07 0A FF

则可以解码出来的信息依此为通道1的波形为方波，幅度为10.0V，频率为5Hz，占空比为10％。

所述通过FSMC控制模块进行数据交换，FSMC全称“静态存储器控制器”，ARM控制模块可以通过FSMC与SRAM、ROM、PSRAM、Nor Flash和NandFlash存储器的引脚相连，从而进行数据的交换。本设计就在FPGA波形发生模块中建立了一块16bit*256的RAM存储单元通过FSMC控制模块读取和写入数据。

其中数据处理的过程是：由于后级的信号需要模拟放大和模拟电路的非线性的因素，会照成信号幅度的非线性增长，所以数据需要拟合。本文采集信号理想幅度与实际幅度，将数据送入matlab进行拟合，得到见得的拟合函数，写入程序中修正了实际的信号幅度。ARM在读取电流检测模块反馈回来的电流信息后需要对数据进行修正，以保证直流刺激的恒流条件。本发明采用了简单的负反馈控制，使得直流刺激能保证在1到2毫安的恒流刺激。

如图5所示，FPGA波形产生模块产生的数字信号转化成模拟信号并经过放大、滤波，得到所需要的电刺激信号，并监控输出电刺激信号的电流大小反馈给前级处理。该部分包括有以下几个模块：数模转换电路(DAC)，放大器电路，滤波器电路、电流检测电路以及参考电源电路。

其中数模转化电路是将FPGA波形产生模块产生的数字信号转化成四路模拟信号，使用TI公司生产的tlv5614四通道数模转化芯片，芯片左边的引脚为控制端引脚，连接FPGA芯片，右端为数据采集端引脚，其中第15脚和第10脚为数模转换电路参考电压输入端接电源电路中的2.5V参考电压，其余第10到14脚为模拟信号输出端，输出四路模拟信号到后级放大级滤波器，从而进行下一步的处理。

所述放大器电路包括有初级放大器滤波器和次级放大器，如图6所示，由于前一级的DAC模块的参考电压为2.5V其输出电压范围为0到5V，信号幅度较小，故先进行一倍的放大，在进行一个串联的4阶低通滤波器，去除高频噪声，最后经过一个反向比例放大器将信号放大到需要的幅度大小。

所述电流检测电路，首先本发明的装置需要保证一定的安全性，电流需要一定的限制，其次本发明的装置有电流恒流刺激模式，需要稳定电流在1到2mA，但是FPGA波形生成模块输出的为电压信号不能直接控制电流，需要采集信号电流构成反馈进行电流调节并保证电流的稳定。电流检测芯片采用了INA286双向分流检测器进行电流采集转化为电压数据，在信号输出电串联一个5Ω的电阻对电阻两端进行差模采样；如图7所示，电流检验电路的参考电压为2.5V，其差分电压放大倍数为100倍，故其测量电流的范围为-2.5mA到2.5mA。再将电压信号传递给一块12位4通道串行输出采样模数转换器ADS7814转为数字信号。FPGA采集数字信号传递给ARM，由ARM进行计算构成反馈并稳定输出电流。

其中参考电源电路如图8所示，由于数模模数转化电路需要稳定的基准电压，如DAC需要2.5V参考电压，-2.5V电压需要给运放去除DAC带来的直流电压。首先5V的数字电压可以由lm7805线性稳压块产生，由lm385-2.5稳压二极管产生2.5V电压，通过一个由运发构成的跟随器输出稳定电压。在通过1比1的反向比例放大器产生-2.5V的基准电压、。

本发明还提供了一种多通道经颅电刺激装置的经颅电刺激方法，包括以下步骤：

步骤S1，上位机模块发送数据包给FPGA波形产生模块，该数据包为FPGA波形产生模块的多通道波形参数。

步骤S2，FPGA波形产生模块接收到数据包，并且对数据包进行解码，得到波形参数控制数据，同时将该控制数据写入FPGA波形产生模块的RAM存储单元中。

步骤S3，FPGA波形产生模块根据波形参数控制输出波形，其多通道能够输出不同的波形。

步骤S4，模拟电路模块接收到多个不同的波形，并且将其转换为电压信号，对电压信号进行放大以及滤波处理，然后转换为数字信号，同时将电压信号反馈给FPGA波形发生模块，FPGA波形发生模块再将其传递给ARM控制模块。

Claims (10)

1.一种多通道经颅电刺激装置，其特征在于，包括上位机模块、ARM控制模块、FPGA波形发生模块和模拟电路模块；ARM控制模块主要负责与上位机模块发送的控制数据，并且将控制数据通过可变静态存储控制器传输到FPGA波形发生模块的RAM存储单元上；FPGA波形发生模块包括多个互相独立的通道，每个通道具有波形产生模块，且每个通道能够独立产生波形，且RAM存储单元得到的控制数据能够控制每个通道的波形的产生；模拟电路模块包括数模转换电路、电流检测电路和参考电源电路，其中电流检测电路将FPGA波形发生单元发送的电流转换为电压信号，并且通过数模转换电路进行采集，并且将电压信号反馈给FPGA波形发生模块，FPGA波形发生模块在将其传递给ARM控制模块，ARM控制模块调节输出电压进而稳定输出电流，其中参考电源电路为数模转换电路提供稳定的基准电压。

2.根据权利要求1所述的多通道经颅电刺激装置，其特征在于，所述FPGA波形发生单元能够产生正弦波、三角波、方波、直流恒流或随机噪声。

3.根据权利要求1所述的多通道经颅电刺激装置，其特征在于，所述ARM控制模块的控制参数包括波形、幅度、频率和占空比。

4.根据权利要求1所述的多通道经颅电刺激装置，其特征在于，所述模拟电路模块还包括与数模转换电路连接的放大器电路，放大器电路连接滤波器电路，滤波器电路与电流检测电路连接。

5.根据权利要求4所述的多通道经颅电刺激装置，其特征在于，所述放大器电路包括初级放大器和次级放大器，具体的初级放大器将数模转换电路的参考电压放大一倍，在经过一个串联的4阶低通滤波器，然后经过次级放大器输出放大信号，次级放大器为反向比例放大器。

6.根据权利要求1所述的多通道经颅电刺激装置，其特征在于，所述ARM控制模块采用基于Coretex-M4内核的STM32F407IGT6芯片，且该芯片具有FSMC通信协议。

7.根据权利要求1所述的多通道经颅电刺激装置，其特征在于，所述数模转换模块为TLV5614芯片，其连接FPGA波形发生模块和电流检测电路。

8.根据权利要求1所述的多通道经颅电刺激装置，其特征在于，所述电流检测电路采用INA286双向分流检测器。

9.一种如权利要求1所述的多通道经颅电刺激装置的经颅电刺激方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，上位机模块发送数据包给FPGA波形产生模块，该数据包为FPGA波形产生模块的多通道波形参数；

步骤S2，FPGA波形产生模块接收到数据包，并且对数据包进行解码，得到波形参数控制数据，同时将该控制数据写入FPGA波形产生模块的RAM存储单元中；

步骤S3，FPGA波形产生模块根据波形参数控制输出波形，其多通道能够输出不同的波形；

步骤S4，模拟电路模块接收到多个不同的波形，并且将其转换为电压信号，然后转换为数字信号，同时将电压信号反馈给FPGA波形发生模块，FPGA波形发生模块再将其传递给ARM控制模块。

10.根据权利要求9所述的经颅电刺激方法，其特征在于，所述步骤S4中还包括对电压信号进行放大以及滤波处理。