《電子技術(shù)應用》
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一種新型多功能誘發(fā)電位刺激器的研制
來源:電子技術(shù)應用2012年第6期
朱偉芳,陳 驥
重慶大學 生物工程學院,重慶400044
摘要: 設(shè)計了一種基于FPGA的用于誘發(fā)電位系統(tǒng)的刺激器,利用FPGA實現(xiàn)誘發(fā)電位所需的光刺激、聲刺激和電流刺激??捎糜谝曈X誘發(fā)電位、聽覺誘發(fā)電位及體感誘發(fā)電位等多種自發(fā)和誘發(fā)電位等生理檢查中。與傳統(tǒng)的誘發(fā)電生理刺激系統(tǒng)相比,該設(shè)計簡化了電路、功能多、體積小、刺激輸出準確可靠,應用范圍廣,能很好地滿足誘發(fā)電位檢測的性能要求。
關(guān)鍵詞: FPGA VHDL 刺激器
中圖分類號: TN431.2
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)06-0054-04
Design of new type of multi-function evoked potential of the stimulator
Zhu Weifang,Chen Ji
College of Bioengineering, Chongqing University, Chongqing 400044,China
Abstract: This paper designs a kind of evoked potential stimulator based on FPGA, using the FPGA to achieve light, sound and current stimulation used in evoked potentials. It can be used for visual evoked potentials, auditory evoked potentials and the somatosensory evoked potentials and so other kind of spontaneous and evoked potential check. The design is better in the simplifying the circuit and smaller volume, and much more functions than the traditional evoked stimulation system. Its outputs are accurate and reliable and application range is wide. It can meet the requirements of evoked potential detection very well.
Key words : FPGA;VHDL;stimulator

    誘發(fā)電位EPs(Evoked Potentials)是指對神經(jīng)系統(tǒng)某一特定部位給予特定刺激后在大腦皮層所產(chǎn)生的特定電活動,它是神經(jīng)系統(tǒng)對外界刺激的直接電生理反應,其對于神經(jīng)系統(tǒng)功能性異常的疾病有獨特的檢測診斷能力[1]。誘發(fā)電位是繼心電圖和腦電圖技術(shù)之后臨床電生理學的第三大進展, 它與計算機斷層成像技術(shù)(CT)并稱為檢測神經(jīng)系統(tǒng)功能的兩大有力工具[2]。誘發(fā)電位根據(jù)刺激部位的不同分為視覺誘發(fā)電位、聽覺誘發(fā)電位、體感誘發(fā)電位,與其對應刺激信號源有光、聲、電三種。目前國際國內(nèi)的誘發(fā)電位儀的刺激信號源體積大、功能單一,且視覺誘發(fā)電位儀、聽覺誘發(fā)電位儀和體感誘發(fā)電位儀的功能相互獨立[2-4]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)核心控制芯片FPGA采用美國Altera公司的CycloneII系列EP2C8Q208C8N,它提供了8256個邏輯單元。利用FPGA產(chǎn)生視覺誘發(fā)電位、聽覺誘發(fā)電位和體感誘發(fā)電位等誘發(fā)電位檢測所需要的刺激信號。系統(tǒng)主要由圖形刺激模塊、閃光刺激模塊、聲音刺激模塊和電刺激模塊組成,系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

    上位機(通常是PC機)根據(jù)誘發(fā)電位檢測的需要向FPGA發(fā)送相應的刺激命令和參數(shù),由于上位機向FPGA發(fā)送一些簡單的數(shù)字控制命令,因此選擇波特率為115.2 Kb/s的串口通信。選擇控制模塊接收上位機傳來的命令,經(jīng)分析確定輸出何種刺激。閃光刺激、電流刺激和聲音刺激的純音、疏波、密波、交替波是由FPGA產(chǎn)生的PWM脈沖調(diào)制波,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)化為模擬信號。電流刺激中的雙極性刺激由外圍的雙極性恒流源控制電路把D/A輸出的單極性轉(zhuǎn)化為雙極性刺激信號,再由升壓電路使刺激電流達到體感刺激所需要的電流強度。

 


2 圖形刺激
    圖形刺激模塊包括VGA時序模塊和圖形刺激生成模塊,VGA時序模塊生成控制CRT陰極射線槍的水平同步信號HS和垂直同步信號VS,圖形生成模塊生成顯示不同圖形的R、G、B三基色信號。圖形刺激有豎條柵、橫條柵、棋盤格和圓環(huán)。
2.1 VGA時序模塊
    本設(shè)計采用的顯示器分辨率為800×600,像素頻率是50 MHz,場頻72 Hz。程序中設(shè)置2個變量:行點計數(shù)器hcnt和場行計數(shù)器vcnt。hcnt對系統(tǒng)時鐘clk進行計數(shù),vcnt對hcnt進行計數(shù),根據(jù)VGA的工業(yè)標準,hcnt是從第0個時鐘計數(shù)到第1 039個時鐘反復計數(shù),vcnt是從第0計到665個hcnt反復計數(shù)。在HS信號生成中800個時鐘是有效的行顯示時間,120個時鐘是行同步時間。在VS生成中,600個行周期是有效的顯示時間,6個行周期是場同步時間。下面的程序產(chǎn)生HS行信號和VS場信號。
    if (clk′event and clk = ′1′)   then
        if (hcnt >= 800+56 and hcnt < 800+56+120)  then
            HS <= &prime;0&prime;;
        else     HS <= &prime;1&prime;;
        end if; 
      end if;
    if (clk&prime;event and clk = &prime;1&prime;)   then
        if (vcnt >= 600+36 and vcnt < 600+36+6)   then
                VS <= &prime;0&prime;;
            else   VS <= &prime;1&prime;;
        end if;
    end if;
2.2 圖形生成模塊
    刺激圖形生成模塊是對系統(tǒng)時鐘進行計數(shù),通過對行計數(shù)器hcnt和場計數(shù)器vcnt的判斷和運算來產(chǎn)生圖形。在設(shè)計中把顯示器看作一個直角坐標系,其原點在左上角,hcnt(0~799)是橫坐標,vcnt(0~599)是縱坐標,通過對hcnt和vcnt的判斷,賦予R、G、B三基色不同的值,實現(xiàn)豎條柵、橫條柵、棋盤格和圓環(huán)圖形的生成。
2.2.1 豎條柵和橫條柵刺激圖形生成模塊
    豎條柵和橫條柵的顯示,分別是通過對行點計數(shù)器hcnt和場行計數(shù)器vcnt的控制實現(xiàn)的。豎條柵是對hcnt判斷產(chǎn)生,其判斷公式為hcnt<(800&divide;n)&times;i,n是產(chǎn)生豎條柵的條數(shù),i在1~n取值,表示顯示屏上第幾個豎條柵,如白黑交替的4條豎條柵的產(chǎn)生:hcnt<200,RGB=111111;hcnt<400,RGB=000000;hcnt<600,RGB=111111,hcnt<800,RGB=000000時,RGB是輸出到顯示器VGA接口的6位色彩信號,&ldquo;000000&rdquo;表示黑色,&ldquo;111111&rdquo;表示白色。橫條柵的產(chǎn)生與豎條柵原理相似,是根據(jù)vcnt來產(chǎn)生,它的判斷公式為vcnt<(600&divide;n)&times;i,n表示橫條柵的條數(shù),i在1~n取值,表示顯示屏上第幾個橫條柵。
2.2.2 棋盤格圖形生成模塊
    棋盤格是在橫條柵和豎條柵產(chǎn)生的基礎(chǔ)上,通過橫條柵和豎條柵&ldquo;異或&rdquo;運算生成。由于視覺誘發(fā)電位的圖形刺激器所要求的棋盤格最高空間頻率為96&times;128,如果通過簡單&ldquo;異或&rdquo;運算,程序繁瑣,浪費FPGA資源。本文提出一種簡單的方法:以空間頻率6&times;8的棋盤格圖形為基礎(chǔ),通過平移生成12&times;16、24&times;32、48&times;64、96&times;128等高空間頻率的棋盤格圖形。以空間分辨率為12&times;16的棋盤格圖形為例,首先使全屏6&times;8棋盤格圖形縮小在顯示屏的左上1/4角 ,然后再分別向右和向下平移縮小后的圖形,生成12&times;16的棋盤格刺激圖形。這樣通過縮小和平移生成高空間分辨率的刺激圖形,既簡化了程序,又節(jié)約了FPGA的硬件資源。

r是平移后到原點的距離,r的取值不同顯示出不同的圓環(huán)。實驗表明,如果直接采用乘法運算,由于運算的數(shù)據(jù)比較大(hcnt、vcnt都是10 bit的二進制數(shù)),顯示的同心圓環(huán)圖形中有多余的豎條,影響圖形的質(zhì)量。此時可通過調(diào)用FPGA內(nèi)部乘法器的IP核加快計算速度解決這一問題。試驗證明,通過設(shè)置乘法器IP核延時5個時鐘單元,可以避免顯示的同心圓環(huán)圖形中出現(xiàn)多余的豎條。而延時的多少與FPGA芯片類型的選取有關(guān)。
    本系統(tǒng)圖形刺激器實現(xiàn)的功能:(1)實現(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)進行刺激時在感覺神經(jīng)通路相應部位所記錄到的誘發(fā)電位[5]。電流刺激器的設(shè)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(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到毫安級別。
3.1 D/A轉(zhuǎn)換模塊
    本設(shè)計采用串行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(shè)計中,cs和sclk都是通過對系統(tǒng)時鐘clk進行分頻產(chǎn)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(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&rarr;RL&rarr;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&rarr;RL&rarr;Q3,由此可實現(xiàn)負載RL雙極性脈沖的輸出。設(shè)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(lián)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&asymp;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(guān),實現(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N溝道MOSFET管、一個肖特基二極管和一個升壓電感,可以實現(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的參考電壓進行比較。當分壓反饋低于1.22 V參考電壓時,外部門驅(qū)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(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,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(xiàn)升壓功能。


    本系統(tǒng)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(diào);(2)電流刺激強度: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, 從耳蝸毛細胞起至各級中樞產(chǎn)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(tǒng)對50 MHz系統(tǒng)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(chǎn)生
    短聲刺激的技術(shù)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(xiàn);刺激強度由外圍電路實現(xiàn)。PWM脈沖信號通過D/A輸出到耳機。
    PWM的實現(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。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)時鐘是50 MHz,對系統(tǒng)時鐘在0~999 999計數(shù),即對系統(tǒng)時鐘進行106分頻,當在0~49 999計數(shù)時,PWM=1,即脈寬50 000&times;1/(50&times;106)=
1 ms;當在50 000~999 999計數(shù)時,PWM=0。對于不同的短聲刺激,需要調(diào)整相應的參數(shù)以實現(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。其特征多項式為:
 

    本系統(tǒng)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(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。
5 閃光刺激
    閃光刺激源應用在閃光VEP(視覺誘發(fā)電位)、閃光ERG(視網(wǎng)膜電圖)、閃光EOG(眼電圖)等測定中。閃光刺激源采用全視野刺激器(或者稱為Ganzfeld)。閃光刺激源的光源多為氙燈,其主要特點為極短的閃光時程和寬的輸出光譜,其強度可用電子控制也可用中性濾光片衰減,可提供高頻率閃光[9]。閃光的頻率可通過對系統(tǒng)時鐘的分頻來控制,閃光強度可由外部的升壓電路來控制。
    本系統(tǒng)閃光刺激源可以實現(xiàn)以下功能:(1)閃光強度分為8級可調(diào);(2)閃光頻率: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)。
    本系統(tǒng)以FPGA作為微處理器和主控制芯片,并采用少量的外圍電路設(shè)計了一種用于誘發(fā)電位系統(tǒng)的多功能刺激器,能產(chǎn)生多種刺激信號。與傳統(tǒng)的刺激器相比,電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可擴展性好,提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。實驗和測試結(jié)果表明,刺激信號輸出準確可靠,較好地完成了各性能參數(shù)。
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