CN113018683A - 一种经颅实时交流电刺激设备及电流控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种经颅实时交流电刺激设备及电流控制方法，属于认知神经科学技术领域，交流电刺激设备包括电极片和控制器，所述控制器内的电路板上集成有：电源电路，与所述电极片电性连接，用于提供调节大脑皮层神经元活动的经颅交流电；主控电路，用于控制输出的所述电源电路的电流大小，所述主控电路包括单片机、DAC转换芯片和运算放大器组成的控制系统；保护电路，用于抑制电路中的高频噪声信号并控制所述电源电路的输出电压不超过阈值。本发明通过电源电路提供一个峰值稳定的交流电信号，并依靠主控电路对输出信号的波形、模式和频率进行精确调节，保证电刺激时被试患者的安全。
Description
技术领域
本发明涉及认知神经科学技术领域，特别涉及一种经颅实时交流电刺激设备及电流控制方法。
背景技术
经颅交流电刺激(tACS)是一种通入微弱的(交流电信号峰峰值<2mA)特定频率的稳定交流电信号对大脑特定频率的神经电活动进行调节的非侵入性技术。相比其他的非侵入性技术，tACS具有制作成本低，设计复杂度低和更加安全无痛等特点。tACS可以提高相应频率的神经电活动，其原理主要是依靠施加外源交变电场从而夹带內源的大脑神经节律活动使其与外源刺激达成一致，外源的交变电场能够让大量的神经元进行相位一致的活动，从而提高相应频率的神经活动的同步性。tACS对神经节律活动的增强效果是有频率特异的，对其他频率的神经节律活动不会表现出效果。如果针对需要研究的脑区选择频率合适的刺激，增强大脑神经节律活动的同步性，便可以增强该区域神经元活动的活跃性，提高认知功能。
传统的非侵入性脑刺激(包括传统tACS)的刺激方式通常情况下都是“一刀切”，也就是说刺激过程中的各项参数(如刺激位置，刺激电流强度，刺激时长，刺激模式等)在整个刺激过程保持不变，不同被试的各项参数也保持一致。这种“一刀切”的方式忽视了被试大脑状态的变化以及不同个体间大脑的差异性，这可能是造成目前产生的实验结果具有较大变异性的原因之一。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述经颅交流电刺激不方便调节刺激电流，导致测试实验不够准确且在运行时不够安全可靠，容易给患者带来危害的问题而提供一种经颅实时交流电刺激设备及电流控制方法，具有经颅交流电刺激电流方便调节，个体测试更加准确，抑制高平噪声信号并限制电压不超过阈值，使用更加的安全的优点。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种经颅实时交流电刺激设备，包括电极片和控制器，所述控制器内的电路板上集成有：
电源电路，与所述电极片电性连接，用于提供调节大脑皮层神经元活动的经颅交流电；
主控电路，用于控制输出的所述电源电路的电流大小，所述主控电路包括单片机、DAC转换芯片和运算放大器组成的控制系统；
保护电路，用于抑制电路中的高频噪声信号并控制所述电源电路的输出电压不超过阈值。
优选的，所述电源电路包括可控精密稳压源、带有三极管的稳流电路和供电电源。
优选的，所述供电电源为输出电压9V的蓄电池。
优选的，所述单片机包括微控制器和程序烧录模块，程序烧录模块用于烧写带有控制电路输出信号的波形、模式和频率的程序。
优选的，所述保护电路包括与主控电路的输入端连接的电压检测模块、控制电源电路通断的继电器和噪声抑制电路。
优选的，所述噪声抑制电路是由电容器和电阻器串联组成的RC滤波电路。
优选的，电极片包括阳电极和阴电极，均由导电橡胶制成，且导电橡胶与皮肤接触的一面涂有硅胶，硅胶面涂上涂有电极膏。
一种经颅实时交流电的电流控制方法，包括以下步骤：
S1、根据刺激频率幅值信息，将正弦波函数sin(t)通过计算转换为二进制数字串，存入单片机数组中；
S2、单片机接收到前端的开始信号，从数组中提取由sin(t)计算获得的二进制数字串，并发送给DAC芯片；
S3、DAC芯片的八位数字信号输入端接收到数字信息，单片机将DAC的WR2和XFER端同时设置为低电平；
S4、单片机一次执行所有电平的运算和发送，重复循环直至接收到计算机端发送的终止信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过电源电路并结合主控电路和保护电路保证电刺激的安全性和稳定性，电源电路为主控电路和保护电路提供一个稳定的直流电压源；主控电路对电路输出信号的波形、模式和频率进行精确调节，然后转换为模拟信号最后转换为双极性输出；保护电路同时起到抑制高频噪声信号以及保护用电安全的作用。从而能够实现在临床试验前根据被试的情况和生理状态对电刺激的频率，幅值等参数进行实时调节，也可以根据采集到的脑电信号进行各种模式的刺激以满足进一步的实验要求。
附图说明
图1为本发明的整体设备结构示意图。
图2为本发明的控制器整体电路组成示意图。
图3为本发明的电源电路示意图。
图4为本发明的主控电路示意图。
图5为本发明的保护电路示意图。
图中：1、电极片，2、控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，一种经颅实时交流电刺激设备，包括电极片1和控制器2，控制器2作为供电、输出信号的波形、模式和频率控制来使用，电极片1贴在人脑的神经元处，用来导电刺激神经元，所述电极片1包括阳电极和阴电极，均由导电橡胶制成，且导电橡胶与皮肤接触的一面涂有硅胶，硅胶面涂上涂有电极膏，硅胶面使电极片1贴在患者皮肤上更加的舒适，电极膏增加导电橡胶的导电性。
如图2所示，所述控制器2内的电路板上集成有：
电源电路，与所述电极片1电性连接，用于提供调节大脑皮层神经元活动的经颅交流电，电源电路包括可控精密稳压源、带有三极管的稳流电路和供电电源，如图3所示，电源电路中的可控精密稳压源采用TL431，其输出电压稳定为2.5V，这种电压稳定的调节是通过3脚CATHODE端的电流来实现的。当R3两端电压过大时，流经R3的电流过大，TL431的REF端和ANODE端的电压差值将超过2.5V的稳定值，此时CATHODE端的电流也将会增大，降低三极管Q1的基极电压，从而使得R3两端的电压值回落；相反的，当R3两端的电压过小时，TL431所产生的负反馈效果也将使得R3两端电压回升至稳定值，从而达到了稳定输出电压的目的。因此可知，电源电路在TL431的稳压作用下将会稳定地输出15.6V的电压作为主控电路和保护电路的主电路部分的供电端。所述供电电源为输出电压9V的蓄电池。
如图4所示，主控电路，用于控制输出的所述电源电路的电流大小，所述主控电路包括单片机、DAC转换芯片和运算放大器组成的控制系统，所述单片机包括微控制器和程序烧录模块，程序烧录模块用于烧写带有控制电路输出信号的波形、模式和频率的程序。微控制器编写控制指令用于对电路输出信号的波形、模式和频率进行精确调节，DAC转换芯片将微控制器生成的数字信号转换为模拟信号、运算放大器将通过数模转换获得的模拟信号转换为双极性输出，如图4所示DAC0832的DI0-DI7是数字端口输入端，接受微控制器生成的数字信号；WR2是DAC寄存器写选通输入线，XFER是数据传送控制信号输入线，仅仅当WR2和XFER同时为低电平时，DAC转换芯片所生成的模拟信号才会通过IOUT1和IOUT2输出。根据电路设计和电路参数大小限制，控制电路输出端的电信号转换精度为1/256*Vref。运算放大器是通过Vref/R2所形成的一个直流分流电路，运算放大器的目的是为了帮助电路实现双极性输出的数模转换，将所生成的电信号通过IOUT1和IOUT2输送到下一级输出电路。
保护电路，用于抑制电路中的高频噪声信号并控制所述电源电路的输出电压不超过阈值，所述保护电路包括与主控电路的输入端连接的电压检测模块、控制电源电路通断的继电器和噪声抑制电路，所述噪声抑制电路是由电容器和电阻器串联组成的RC滤波电路。如图5所示，R1和R2构成了电路中监测与反馈输出电压的支路并在在该支路中构成分压关系，将电路输出端的电压进行分压后反馈给微控制器的逻辑输入端口。微控制器的逻辑输入端口可以读取0-5V的电压值并将其线性转换为0-1024的int型数字X存储在微控制器中，通过在微控制器中设置的程序，每当电刺激信号运行到波峰处时微控制器将通过FEEDBACk线，同过简单可将通过逻辑输入端口读入R1两端的电压还原出输出端的电压值。若该电压值大于预设的安全电压值，微控制器通过CONTROL线对继电器进行断开操作，以实现对输出电路电压过高时的安全控制。设定保护电压为幅值18V(峰峰值36V)：
X＝18V*(220kΩ/(220kΩ+1360kΩ|))/5V*1024
根据上述计算，在微控制器中，当逻辑输入端口接收到的int型值X大于等于513时，电路将会自动断开。
此外，采用RC滤波电路来对输出端的电噪声进行抑制，提高信噪比。根据电压传输函数的幅频特性：
其中当ω＝1/(RC)时，|Au(jω)|＝1/2。因此，较低频率(ω<1/(RC))的信号可以通过滤波电路，而较高频率的信号(ω>1/(RC))的信号将受到抑制，频率越高，受抑制程度越大。电路中使用的电阻R＝100Ω和电容C＝1uF，滤波电路的3dB带宽为0～10kHz。在该带宽下，可以有效滤掉对输出信号产生干扰的电噪声，从而获得一个相对纯净的正弦电刺激信号。
一种经颅实时交流电刺激的电流控制方法，包括以下步骤：
S1、根据刺激频率幅值信息，将正弦波函数sin(t)通过计算转换为二进制数字串，存入单片机数组中；
S2、单片机接收到前端的开始信号，从数组中提取由sin(t)计算获得的二进制数字串，并发送给DAC芯片；
S3、DAC芯片的八位数字信号输入端接收到数字信息，单片机将DAC的WR2和XFER端同时设置为低电平；
S4、单片机一次执行所有电平的运算和发送，重复循环直至接收到计算机端发送的终止信号。
基于微控制器运算速度的上限，电路每秒钟大概可以生成3000个电平信号，而认知心理学实验主要是用于低频刺激(8-12Hzα波)，即每个周期约300个电平共同构成一个周期的波形，因此基本可以满足认知神经心理学实验所需要的各种刺激模式(如五正弦周期的纺锤波，五周期正弦波，单周期正弦波，连续刺激正弦波等电刺激刺激信号)；此外，在刺激结束后，通过微控制器的计数器，可以读取整个实验过程中有效刺激的次数。将电路接在示波器上观测，可以发现电路输出的信号为相对平滑和清晰的正弦波；当电路输出端接上一个较大的电阻时，在微控制器的控制下输出电路可以断开；当输出幅值低于安全电压值时，在串口通信程序的控制下输出电路可以重启。输出电路确实起到了抑制电噪声和保护被试安全的作用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种经颅实时交流电刺激设备，包括电极片(1)和控制器(2)，其特征在于，所述控制器(2)内的电路板上集成有：
电源电路，与所述电极片(1)电性连接，用于提供调节大脑皮层神经元活动的经颅交流电；
主控电路，用于控制输出的所述电源电路的电流大小，所述主控电路包括单片机、DAC转换芯片和运算放大器组成的控制系统；
保护电路，用于抑制电路中的高频噪声信号并控制所述电源电路的输出电压不超过阈值。
2.根据权利要求1所述的一种经颅实时交流电刺激设备，其特征在于，所述电源电路包括可控精密稳压源、带有三极管的稳流电路和供电电源。
3.根据权利要求1所述的一种经颅实时交流电刺激设备，其特征在于，所述供电电源为输出电压9V的蓄电池。
4.根据权利要求1所述的一种经颅实时交流电刺激设备，其特征在于，所述单片机包括微控制器和程序烧录模块，程序烧录模块用于烧写带有控制电路输出信号的波形、模式和频率的程序。
5.根据权利要求1所述的一种经颅实时交流电刺激设备，其特征在于，所述保护电路包括与主控电路的输入端连接的电压检测模块、控制电源电路通断的继电器和噪声抑制电路。
6.根据权利要求1所述的一种经颅实时交流电刺激设备，其特征在于，所述噪声抑制电路是由电容器和电阻器串联组成的RC滤波电路。
7.根据权利要求1所述的一种经颅实时交流电刺激设备，其特征在于，电极片(1)包括阳电极和阴电极，均由导电橡胶制成，且导电橡胶与皮肤接触的一面涂有硅胶，硅胶面涂上涂有电极膏。
8.基于权利要求1-7任一项所述的一种经颅实时交流电刺激设备及电流控制方法的电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据刺激频率幅值信息，将正弦波函数sin(t)通过计算转换为二进制数字串，存入单片机数组中；
S2、单片机接收到前端的开始信号，从数组中提取由sin(t)计算获得的二进制数字串，并发送给DAC芯片；
S3、DAC芯片的八位数字信号输入端接收到数字信息，单片机将DAC的WR2和XFER端同时设置为低电平；
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