一種新型多功能誘發(fā)電位刺激器的研制

本系統(tǒng)圖形刺激器實(shí)現(xiàn)的功能：(1)實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的豎條柵、橫條柵、棋盤格和圓環(huán)圖形的輸出；(2)使棋盤格圖形按照一定頻率翻轉(zhuǎn)。

3 電流刺激

體感誘發(fā)電位SEP(Somatosensory Evoked Petential)是指對感覺神經(jīng)進(jìn)行刺激時(shí)在感覺神經(jīng)通路相應(yīng)部位所記錄到的誘發(fā)電位[5]。電流刺激器的設(shè)計(jì)包括刺激脈沖的頻率控制、脈寬控制和電流強(qiáng)度控制等。刺激脈寬和刺激頻率控制由PWM控制。由于人體的體表電阻一般為幾千歐姆，因此需要升壓電路把系統(tǒng)的5 V供電電壓升到100 V左右，才能滿足刺激脈沖的電流達(dá)到毫安級別。

3.1 D/A轉(zhuǎn)換模塊

本設(shè)計(jì)采用串行D/A 轉(zhuǎn)換器TLC5615，它是10 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸出范圍0 V~5 V。TLC5615與FPGA采用三線接口cs、sclk和data，cs是片選信號，sclk是串行時(shí)鐘信號，data是串行數(shù)據(jù)輸入端。data在cs和sclk信號的控制下將12 bit數(shù)據(jù)送入到TLC5615的輸入寄存器并完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，其中前10 bit為D/A 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)片選cs為低電平時(shí)，在sclk的上升沿data被送到移位寄存器。本設(shè)計(jì)中，cs和sclk都是通過對系統(tǒng)時(shí)鐘clk進(jìn)行分頻產(chǎn)生，其時(shí)序圖如圖2所示。

3.2 雙極性控制和恒流源電路

在某些檢測中，電刺激需要脈沖為正、負(fù)的雙極性刺激源，雙極性恒流源控制電路可以把單極性轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性刺激，并控制電流刺激的大小不因人體電阻的改變而改變。而FPGA控制輸出的波形是單極性的。

本系統(tǒng)通過功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)單極輸出電壓轉(zhuǎn)換為雙極性輸出[6]，如圖3所示。電路的工作原理：功率開關(guān)管Q2、Q3、Q4、Q5作電流開關(guān)，由FPGA產(chǎn)生的極性相反的一組脈沖信號XLY1、XLY2，通過非門74HC04驅(qū)動(dòng)控制Q2、Q3、Q4、Q5在飽和與截止?fàn)顟B(tài)之間切換。當(dāng)XLY1=0、XLY2=1時(shí)，Q2和Q5飽和導(dǎo)通，流過負(fù)載RL的電流流向是Q2→RL→Q5；當(dāng)XLY1=1、XLY2=0時(shí)，Q3和Q4飽和導(dǎo)通，流過負(fù)載RL的電流流向是Q4→RL→Q3，由此可實(shí)現(xiàn)負(fù)載RL雙極性脈沖的輸出。設(shè)計(jì)中采用了光電耦合電路確保人體的電氣安全。

運(yùn)算放大器MCP6001、晶體管Q6、電阻R20組成電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，它和刺激電極(即負(fù)載電阻RL)組成恒流源電路，如圖3下半部分。由放大器的虛短和虛斷特性可知，放大器同相和反相輸入端電壓相同（VIN+=VIN-=Vdaout），即：電阻R20兩端的電壓為Vdaout。當(dāng)外部供電電壓足夠高時(shí)，晶體管Q6將工作在放大狀態(tài)（Ic≈Ie）。Vdaout與電阻R20的比值決定了負(fù)載電阻上的電流的大小，而與RL的大小無關(guān)，實(shí)現(xiàn)電壓控制的恒定電流輸出。

3.3 升壓電路

本系統(tǒng)使用升壓芯片MCP1651， MCP1651是一種門控振蕩升壓控制器，通過外接一個(gè)N溝道MOSFET管、一個(gè)肖特基二極管和一個(gè)升壓電感，可以實(shí)現(xiàn)高的輸出功率，它可以在輸入電壓2.0 V～5.5 V內(nèi)工作，輸出電壓可以達(dá)到100 V以上。

升壓電路如圖4所示，工作原理為：通過外接分壓電阻(圖中R4、R5)把輸出電壓反饋到FB引腳，與內(nèi)部1.22 V的參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)分壓反饋低于1.22 V參考電壓時(shí)，外部門驅(qū)動(dòng)（EXT）引腳以750 kHz門控振蕩頻率輸出脈沖來控制N溝道MOSFET接通，此時(shí)肖特基二極管DS反向偏置，電源經(jīng)由電感L至MOSFET形成回路，輸入電壓加在升壓電感中轉(zhuǎn)化為磁能儲存；直到FB腳的反饋電壓高出1.22 V時(shí)，內(nèi)部振蕩器停止工作， MOSFET關(guān)斷，肖特基二極管DS正向偏置，電感中的磁能因不能突變而轉(zhuǎn)化為電能，此電壓與電源一起為負(fù)載提供能量，并給電容C充電，需要幾個(gè)脈沖來提供足夠的能量以實(shí)現(xiàn)升壓功能。

本系統(tǒng)電刺激主要性能指標(biāo)如下：(1)電流刺激脈寬：0.05 ms、0.1 ms、0.2 ms、0.3 ms、0.5 ms、0.7 ms、1 ms，共7檔可調(diào)；(2)電流刺激強(qiáng)度：0 mA~100 mA可調(diào)；(3)電流刺激頻率：0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz、3 Hz、5 Hz、7 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz。

4 聲音刺激

聽覺誘發(fā)電位AEP(Auditory Evoked Potential)指給予聲音刺激, 從耳蝸毛細(xì)胞起至各級中樞產(chǎn)生相應(yīng)的電位活動(dòng)[7]。聽覺誘發(fā)電位刺激信號為雙通道信號，一路是刺激信號，一路是白噪聲掩蔽信號。刺激信號包括短聲、疏波、密波和交替波。連續(xù)波脈沖重復(fù)頻率在30 Hz以下稱為疏波，脈沖重復(fù)頻率在30 Hz～1 000 Hz之間稱為密波，疏波和密波交替輪流輸出稱為交替波。本系統(tǒng)對50 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘分頻，就可得到一定頻率的疏波和密波。

4.1 短聲刺激的產(chǎn)生

短聲刺激的技術(shù)指標(biāo)包括：刺激脈寬、刺激頻率和刺激強(qiáng)度。刺激脈寬和刺激頻率由PWM脈沖控制實(shí)現(xiàn)；刺激強(qiáng)度由外圍電路實(shí)現(xiàn)。PWM脈沖信號通過D/A輸出到耳機(jī)。

PWM的實(shí)現(xiàn)有三種方法：數(shù)字集成電路、軟件和專用集成芯片[8]。利用FPGA設(shè)計(jì)的數(shù)字比較器可以靈活地輸出PWM波形，具有軟件方法和專用集成芯片的共同優(yōu)點(diǎn)。以刺激頻率50 Hz、刺激脈寬1 ms的短聲刺激為例，分析PWM的產(chǎn)生。本系統(tǒng)時(shí)鐘是50 MHz，對系統(tǒng)時(shí)鐘在0~999 999計(jì)數(shù)，即對系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行106分頻，當(dāng)在0~49 999計(jì)數(shù)時(shí)，PWM=1，即脈寬50 000×1/(50×106）=

1 ms；當(dāng)在50 000~999 999計(jì)數(shù)時(shí)，PWM=0。對于不同的短聲刺激，需要調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)以實(shí)現(xiàn)不同頻率和脈寬。

4.2 白噪聲的產(chǎn)生

白噪聲是定義在無限頻率范圍內(nèi)功率密度為常數(shù)的信號。m序列是最長線性反饋移位寄存器的簡稱。m序列的譜特性具有白噪聲特性，其周期越長，越接近白噪聲。在白噪聲發(fā)生器中利用m序列的這一性質(zhì)可產(chǎn)生高性能的噪聲源。圖5是利用Matlab對15 bit的m序列進(jìn)行的功率譜分析。從圖中可以看出功率譜基本恒定。結(jié)合FPGA的硬件資源和m序列的白噪聲特性，這里采用32 bit線性反饋的移位寄存器。其特征多項(xiàng)式為：

本系統(tǒng)聲音刺激主要性能指標(biāo)如下：(1)聲音刺激脈寬：0.05 ms、0.1 ms、0.2 ms、0.3 ms、0.5 ms、0.7 ms、1 ms，共7檔可調(diào)；(2)聲音刺激頻率：0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2 Hz、3 Hz、5 Hz、7 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz，共15檔可調(diào)；（3）聲音刺激強(qiáng)度：1 dB~120 dB；（4）聲音刺激模式：疏波、密波、交替波；（5）噪聲：白噪聲。