摘 要： 介紹一種新的用于刺激產(chǎn)生體感誘發(fā)電位" title="體感誘發(fā)電位">體感誘發(fā)電位的神經(jīng)刺激器。此刺激器是基于計(jì)算機(jī)的多媒體聲音資源，并且巧妙地運(yùn)用聲卡本身的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，將聲音波形文件通過(guò)計(jì)算機(jī)聲卡輸出，借助于后面簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的電壓擴(kuò)展電路和恒流" title="恒流">恒流恒壓" title="恒壓">恒壓源電路，得到0～100V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)電壓的刺激信號(hào)并且這些信號(hào)有不同的電流檔限制。從而確保刺激器既可產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)體感誘發(fā)電位，又可以產(chǎn)生瞬態(tài)體感誘發(fā)電位。
關(guān)鍵詞： 體感誘發(fā)電位; 多媒體; 模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換; 波形庫(kù); 恒流恒壓電路
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??? 體感誘發(fā)電位SEP（Somatosensory Evoked Potential）[1]是神經(jīng)系統(tǒng)高級(jí)中樞對(duì)外周神經(jīng)刺激所產(chǎn)生的電反應(yīng)，代表了中樞神經(jīng)系統(tǒng)在特定功能狀態(tài)下的生物電活動(dòng)的變化。目前，臨床上常用電刺激來(lái)獲取SEP。本文介紹的基于計(jì)算機(jī)多媒體聲音資源(計(jì)算機(jī)聲卡本身的D/A轉(zhuǎn)換功能)的電壓刺激器，利用計(jì)算機(jī)波形聲音編輯軟件，可以編輯刺激所需的不同波形（除方波外，還有三角波、正弦波等），即直接通過(guò)軟件產(chǎn)生所需刺激的波形并存入波形庫(kù)。然后，通過(guò)體感誘發(fā)電位刺激程序調(diào)用波形庫(kù)中的波形聲音文件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)一體化控制刺激和體感誘發(fā)電位的提取。這些波形并不是刺激時(shí)通過(guò)硬件電路產(chǎn)生的，因此保證了所用刺激波形的頻率和波寬的穩(wěn)定性和精確性，而且還可以產(chǎn)生滿足不同體感誘發(fā)電位的需要。另外，除了常規(guī)方波刺激外，還可以同時(shí)進(jìn)行三角波和正弦波等其他波形刺激的探索性實(shí)驗(yàn)以提取體感誘發(fā)電位，因此，具有很廣泛的實(shí)用價(jià)值。
1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本刺激器的軟件主要由兩大部分組成：一是生成各種不同刺激波形的波形庫(kù)；二是體感誘發(fā)電位提取程序。
1.1 波形庫(kù)的制作
波形庫(kù)的制作是將所有刺激所需的波形均通過(guò)計(jì)算機(jī)中的多媒體聲音波形文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里采用了Adobe Audition1.5聲音編輯軟件來(lái)編輯各種所需的聲音波形文件，用以產(chǎn)生波寬、占空比和頻率不同的方波、三角波、正弦波等，特別是用來(lái)刺激產(chǎn)生體感誘發(fā)電位的方波波形（可以編輯最小波寬為0.05ms的方波）,以及通常用于誘發(fā)短潛伏期體感誘發(fā)電位(SLSEP，波寬為0.1～0.5ms)的方波[1]。通過(guò)聲音編輯軟件，還可以存儲(chǔ)成單個(gè)或者一串刺激波形，建立起含有穩(wěn)定和豐富波形的波形庫(kù)。
1.2?體感誘發(fā)電位提取程序
本文用Delphi編程實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生體感誘發(fā)電位的刺激和提取程序。調(diào)用程序進(jìn)行刺激的原理就是在Delphi中使用系統(tǒng)函數(shù)playsound將已經(jīng)編輯好存入波形庫(kù)中的聲音文件播放出來(lái)即實(shí)現(xiàn)了刺激的過(guò)程。對(duì)于刺激強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，可通過(guò)調(diào)節(jié)聲音的音量并轉(zhuǎn)換成調(diào)節(jié)刺激信號(hào)的電壓幅度來(lái)完成。這樣就可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)一體化控制刺激和采集體感誘發(fā)電位，并且該刺激器的軟件系統(tǒng)有很好的可移植性。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 硬件電路原理及工作過(guò)程
由軟件發(fā)出的刺激信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)的耳機(jī)插孔輸出。由于計(jì)算機(jī)聲卡的耳機(jī)插孔輸出的刺激波形的強(qiáng)度很小，如方波的幅值只有0～10V左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到體感誘發(fā)電位刺激所需的強(qiáng)度。因此，采用一個(gè)外加的電壓擴(kuò)展電路和恒流恒壓源" title="恒壓源">恒壓源電路將電壓擴(kuò)展到0～100V，以達(dá)到刺激信號(hào)能夠產(chǎn)生體感誘發(fā)電位強(qiáng)度的目的。此外，該電路還有可選的電流檔，保證了刺激時(shí)人體的安全，并且由于是恒壓源和恒流源的設(shè)計(jì)，負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，還具有恒流或者恒壓的特性。系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。
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在圖1中，通過(guò)計(jì)算機(jī)耳機(jī)輸出的刺激信號(hào)就已經(jīng)是模擬信號(hào)了，所以本文采用音頻變壓器將計(jì)算機(jī)與后面的電壓放大電路、恒流恒壓源電路隔開(kāi)，使這兩端沒(méi)有電氣上的聯(lián)系，保證了后面刺激電路的浮地，同時(shí)為了保證病人的安全，電路中的所有供電電源也全部浮地[2]。具體的電壓放大電路、恒流恒壓源電路圖如圖2所示。
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在圖2中，前端Vi代表從計(jì)算機(jī)耳機(jī)輸出的輸入信號(hào)。由于計(jì)算機(jī)聲卡的輸出阻抗為300～600Ω，因此選用0～1kΩ的電阻進(jìn)行阻抗匹配，電路通過(guò)Q1、Q2兩級(jí)共射偏置放大，將輸出信號(hào)的電壓擴(kuò)展至100V。Q3是射極跟隨器，起電壓跟隨的作用，形成恒壓源，經(jīng)port1輸出。當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，只要計(jì)算機(jī)輸出的波形幅度不變，負(fù)載兩端的電壓就是恒定的，恒壓的范圍由計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)的幅度決定，從0～100V連續(xù)可調(diào)。Q4、Q5與其分壓的電阻網(wǎng)絡(luò)以及兩個(gè)穩(wěn)壓二極管，共同構(gòu)成恒流源，恒流源電流的最大輸出強(qiáng)度由圖中上下兩端可選的限流電阻Ra、Rb決定。6V的穩(wěn)壓二極管一端與三極管的基極相連，另外一端和限流電阻相連，而限流電阻的另外一端則與三極管的發(fā)射極相連。這樣限流電阻兩端的電壓就被鉗位在5.3V，只要限流電阻的阻值固定，電路中的電流就恒定了。
以方波波形為例，通過(guò)電阻分壓器，就可以在示波器上看到輸出端的波形，如圖3所示。
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2.2 電路的性能測(cè)試
2.2.1 恒流源測(cè)試
(1) 測(cè)試方法一：選擇恒流電阻檔不變，計(jì)算機(jī)輸出的電壓幅度最高為100V。只改變負(fù)載電阻" title="負(fù)載電阻">負(fù)載電阻的值，測(cè)量負(fù)載電阻兩端的電壓，就可以計(jì)算流過(guò)負(fù)載電阻的電流[3]，測(cè)試結(jié)果如圖4(a)所示。當(dāng)電流為2.7mA不變、輸出最大電壓幅度為100V、負(fù)載電阻在14kΩ以內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載電流保持恒流。
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(2) 測(cè)試方法二：選擇恒流電流檔不變，但是從大到小改變輸出電壓的幅度。在不同的輸出電壓幅度時(shí)，改變負(fù)載電阻的阻值，測(cè)量負(fù)載電阻兩端的電壓，就可以計(jì)算流過(guò)負(fù)載電阻的電流，測(cè)試結(jié)果如圖4(b)所示。當(dāng)電流為2.7mA不變、輸出電壓的幅度從100V減少到80V、負(fù)載電阻在0～12kΩ以內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載電流仍然保持恒流。
2.2.2 恒壓源測(cè)試
恒壓源測(cè)試與恒流源的測(cè)試方法類似，具體方法如下：
(1) 測(cè)試方法一：計(jì)算機(jī)輸出的電壓幅度不變，保持100V，同時(shí)選擇恒流電流檔也不變。只改變負(fù)載電阻的值，測(cè)量負(fù)載電阻兩端的電壓，測(cè)試結(jié)果如圖5(a)所示。當(dāng)計(jì)算機(jī)輸出電壓幅度保持100V不變、輸出的電流選擇2.7mA檔、負(fù)載電阻大于40kΩ變化時(shí)，負(fù)載電阻兩端的電壓都保持恒壓。
(2) 測(cè)試方法二：選擇恒流電流檔不變，改變輸出的電壓幅度。在不同的電壓幅度時(shí)，改變負(fù)載電阻的阻值，測(cè)量負(fù)載兩端的電壓,測(cè)試結(jié)果如圖5(b)所示。當(dāng)計(jì)算機(jī)輸出電壓幅度從0～100V變化、電流一直選擇恒定的2.7mA檔不變，負(fù)載電阻的阻值在40kΩ～500kΩ變化、負(fù)載電阻兩端的電壓都保持恒壓。
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對(duì)比圖4(a)和圖5(a)可以看出，其實(shí)恒流和恒壓是相對(duì)的，恒流的時(shí)候不恒壓，恒壓的時(shí)候不恒流，負(fù)載電阻在0～14kΩ變化時(shí)，流過(guò)負(fù)載電阻的電流恒定，隨著負(fù)載電阻的增加，兩端的電壓是增大的；同樣，負(fù)載電阻在40kΩ～100kΩ變化時(shí)，負(fù)載電阻兩端的電壓是恒定的，隨著負(fù)載電阻的增加，流過(guò)負(fù)載電阻的電流減少。
3 安全措施
3.1軟件
本設(shè)計(jì)采用軟件來(lái)限制刺激信號(hào)的頻率和脈寬，是在用Delphi編寫的體感誘發(fā)電位的刺激和提取程序中，設(shè)置其刺激的頻率不大于50Hz,同時(shí)在編輯波形庫(kù)時(shí)，使其所刺激波形的波寬不大于1ms，以此來(lái)充分保證人體的安全[3]。
3.2 硬件
(1)本設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)耳機(jī)輸出與后面的恒流恒壓電路之間用一個(gè)音頻變壓器隔離，使計(jì)算機(jī)與后面的恒流恒壓電路沒(méi)有電氣上的聯(lián)系，將刺激器浮地[2]，保證人體的安全。由于刺激信號(hào)是直接從計(jì)算機(jī)聲卡輸出的聲音波形信號(hào)，因此音頻變壓器隔離是比較理想的選擇。另外，這個(gè)變壓器除了起隔離作用外還起阻抗匹配的作用。
(2) 在電壓放大電路的輸出端用電容進(jìn)行隔直，這樣就保證了僅當(dāng)有刺激信號(hào)時(shí)，人體上才有刺激電流流過(guò)，沒(méi)有刺激信號(hào)時(shí)，就沒(méi)有高壓直流電通過(guò)人體。
(3) 電路中的供電電源都是隔離的，進(jìn)一步保證了人體的安全。
4 刺激偽跡排除實(shí)驗(yàn)
4.1 電路延時(shí)排除
本刺激器是基于計(jì)算機(jī)多媒體聲音資源的，由于其體感誘發(fā)電位的刺激信號(hào)是從計(jì)算機(jī)耳機(jī)輸出后又經(jīng)過(guò)后面的電壓放大電路來(lái)恒流恒壓源電路進(jìn)行放大的，所以電路對(duì)從計(jì)算機(jī)耳機(jī)輸出的刺激信號(hào)可能會(huì)有比較大的延時(shí)（毫秒級(jí)的），這樣就可能會(huì)產(chǎn)生與刺激有鎖時(shí)關(guān)系的刺激偽跡，影響對(duì)誘發(fā)電位的判斷。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)采樣程序：先采一段背景信號(hào)，再給刺激信號(hào)，然后再采集。這里采用兩個(gè)通道采集信號(hào)，一通道直接采集從計(jì)算機(jī)耳機(jī)輸出的信號(hào)；二通道采集經(jīng)電路輸出的信號(hào)。如果電路對(duì)刺激信號(hào)有延時(shí)（毫秒級(jí)或者以上），則二通道上應(yīng)該會(huì)采集到刺激信號(hào)的波形，否則，可近似認(rèn)為刺激與信號(hào)傳輸同步。圖6為采集到的兩通道的信號(hào)波形。
由圖6可以看出，通道1和通道2的波形基本相似，通道2并沒(méi)有大的刺激信號(hào)的波形出現(xiàn)，故可以認(rèn)為，本文設(shè)計(jì)的電路對(duì)刺激信號(hào)沒(méi)有較大的延時(shí)，即可近似認(rèn)為，刺激信號(hào)的發(fā)送與傳輸同步。
4.2 消除容積傳導(dǎo)刺激偽跡
小量的刺激電流可直接影響記錄電極，會(huì)產(chǎn)生與刺激有鎖時(shí)關(guān)系的刺激偽跡[4]。為了避免不必要的刺激偽跡影響記錄電極記錄的波形，采用在刺激電極與最近的記錄電極之間置低電阻地線電極，使經(jīng)肢體這個(gè)容積導(dǎo)體的小量電流，在該地線電極處直接流入地下，從而既不影響記錄電極，同時(shí)也可保護(hù)病人不會(huì)有大量電流流過(guò)軀體。
5 刺激器初步提取的誘發(fā)電位
圖7為最終提取到的短潛伏期體感誘發(fā)電位中的一個(gè)鎖骨上的電位波形。
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結(jié)果分析：圖7中提取到的波形是短潛伏期體感誘發(fā)電位中的鎖骨上的電位波形，并不是刺激偽跡，這是因?yàn)椋?1)如果是電路延時(shí)或者容積傳導(dǎo)造成的刺激偽跡，則每次綜合信號(hào)（指背景腦電和誘發(fā)電位混合的信號(hào)）中都應(yīng)該存在，而不應(yīng)該只存在于疊加平均信號(hào)中，但是實(shí)際上并不是每次綜合信號(hào)中都存在圖7中大約9ms處的那個(gè)波形。(2)刺激偽跡一般識(shí)別不難。因?yàn)榇碳污E是一種物理現(xiàn)象，而誘發(fā)電位屬生理反應(yīng)，只要將刺激電極的極性倒轉(zhuǎn)，偽跡的極性必然隨之發(fā)生極性倒轉(zhuǎn)，而EP的極性則不因此而改變[1]。根據(jù)這個(gè)原理，轉(zhuǎn)換刺激電極對(duì)記錄電極的極性，發(fā)現(xiàn)提取波形的極性并沒(méi)有隨之倒轉(zhuǎn)，說(shuō)明提取到的不是刺激偽跡而是誘發(fā)電位的信號(hào)。
本文介紹的體感誘電位刺激器，與一般的體感刺激器相比，節(jié)省了模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，無(wú)需單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)一體化控制刺激器強(qiáng)度、刺激次數(shù)和波寬，同時(shí)可以借助于計(jì)算機(jī)聲音編輯軟件編輯大量、豐富的波形文件并存入波形庫(kù)中，為本刺激器既可產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)體感誘發(fā)電位及瞬態(tài)體感誘發(fā)電位提供了保證。
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