一種新型多功能誘發(fā)電位刺激器的研制

本系統圖形刺激器實現的功能：(1)實現不同參數的豎條柵、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。

3 電流刺激

體感誘發(fā)電位SEP(Somatosensory Evoked Petential)是指對感覺神經進行刺激時在感覺神經通路相應部位所記錄到的誘發(fā)電位[5]。電流刺激器的設計包括刺激脈沖的頻率控制、脈寬控制和電流強度控制等。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到毫安級別。

3.1 D/A轉換模塊

本設計采用串行D/A 轉換器TLC5615，它是10 bit數模轉換器，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是串行時鐘信號，data是串行數據輸入端。data在cs和sclk信號的控制下將12 bit數據送入到TLC5615的輸入寄存器并完成數模轉換，其中前10 bit為D/A 轉換數據。當片選cs為低電平時，在sclk的上升沿data被送到移位寄存器。本設計中，cs和sclk都是通過對系統時鐘clk進行分頻產生，其時序圖如圖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、負的雙極性刺激源，雙極性恒流源控制電路可以把單極性轉變?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。

本系統通過功率開關實現單極輸出電壓轉換為雙極性輸出[6]，如圖3所示。電路的工作原理：功率開關管Q2、Q3、Q4、Q5作電流開關，由FPGA產生的極性相反的一組脈沖信號XLY1、XLY2，通過非門74HC04驅動控制Q2、Q3、Q4、Q5在飽和與截止狀態(tài)之間切換。當XLY1=0、XLY2=1時，Q2和Q5飽和導通，流過負載RL的電流流向是Q2→RL→Q5；當XLY1=1、XLY2=0時，Q3和Q4飽和導通，流過負載RL的電流流向是Q4→RL→Q3，由此可實現負載RL雙極性脈沖的輸出。設計中采用了光電耦合電路確保人體的電氣安全。

運算放大器MCP6001、晶體管Q6、電阻R20組成電壓串聯負反饋電路，它和刺激電極(即負載電阻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。當外部供電電壓足夠高時，晶體管Q6將工作在放大狀態(tài)（Ic≈Ie）。Vdaout與電阻R20的比值決定了負載電阻上的電流的大小，而與RL的大小無關，實現電壓控制的恒定電流輸出。

3.3 升壓電路

本系統使用升壓芯片MCP1651， MCP1651是一種門控振蕩升壓控制器，通過外接一個N溝道MOSFET管、一個肖特基二極管和一個升壓電感，可以實現高的輸出功率，它可以在輸入電壓2.0 V～5.5 V內工作，輸出電壓可以達到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，與內部1.22 V的參考電壓進行比較。當分壓反饋低于1.22 V參考電壓時，外部門驅動（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，此時肖特基二極管DS反向偏置，電源經由電感L至MOSFET形成回路，輸入電壓加在升壓電感中轉化為磁能儲存；直到FB腳的反饋電壓高出1.22 V時，內部振蕩器停止工作， MOSFET關斷，肖特基二極管DS正向偏置，電感中的磁能因不能突變而轉化為電能，此電壓與電源一起為負載提供能量，并給電容C充電，需要幾個脈沖來提供足夠的能量以實現升壓功能。

本系統電刺激主要性能指標如下：(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；(2)電流刺激強度：0 mA~100 mA可調；(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, 從耳蝸毛細胞起至各級中樞產生相應的電位活動[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)波脈沖重復頻率在30 Hz以下稱為疏波，脈沖重復頻率在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。本系統對50 MHz系統時鐘分頻，就可得到一定頻率的疏波和密波。

4.1 短聲刺激的產生

短聲刺激的技術指標包括：刺激脈寬、刺激頻率和刺激強度。刺激脈寬和刺激頻率由PWM脈沖控制實現；刺激強度由外圍電路實現。PWM脈沖信號通過D/A輸出到耳機。

PWM的實現有三種方法：數字集成電路、軟件和專用集成芯片[8]。利用FPGA設計的數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。以刺激頻率50 Hz、刺激脈寬1 ms的短聲刺激為例，分析PWM的產生。本系統時鐘是50 MHz，對系統時鐘在0~999 999計數，即對系統時鐘進行106分頻，當在0~49 999計數時，PWM=1，即脈寬50 000×1/(50×106）=

1 ms；當在50 000~999 999計數時，PWM=0。對于不同的短聲刺激，需要調整相應的參數以實現不同頻率和脈寬。

4.2 白噪聲的產生

白噪聲是定義在無限頻率范圍內功率密度為常數的信號。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序列的這一性質可產生高性能的噪聲源。圖5是利用Matlab對15 bit的m序列進行的功率譜分析。從圖中可以看出功率譜基本恒定。結合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。其特征多項式為：

本系統聲音刺激主要性能指標如下：(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；(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；（3）聲音刺激強度：1 dB~120 dB；（4）聲音刺激模式：疏波、密波、交替波；（5）噪聲：白噪聲。