一种融合经颅电刺激和迷走神经刺激的电刺激装置
阅读说明：本技术 一种融合经颅电刺激和迷走神经刺激的电刺激装置 (Electrical stimulation device fusing transcranial electrical stimulation and vagus nerve stimulation ) 是由 秦伟 杨群 郑斌 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种融合经颅电刺激和迷走神经刺激的电刺激装置,由经颅电刺激模块和迷走神经电刺激模块组成,经颅电刺激模块由ARM控制单元、FPGA波形发生单元和模拟电路组成,ARM控制单元将控制命令波形参数信息通过FSMC发送给FPGA,FPGA波形产生单元产生四通道数字波形信号,首先通过数模转换电路转换为四通道模拟信号波形,然后通过初级放大电路进行放大,然后通过滤波电路滤除除了波形信号以外的干扰信号,再经过次级放大电路将波形放大到控制单元要求的波形幅值进行输出。非常高的安全性,其电流大小波形参数等要能够实时调节,确保不会危害人体安全,同时本模块既能输出恒流刺激,也能在经颅交流电刺激模式下,输出不同种类的波形。(The invention discloses an electrical stimulation device fusing transcranial electrical stimulation and vagus nerve stimulation, which consists of a transcranial electrical stimulation module and a vagus nerve electrical stimulation module, wherein the transcranial electrical stimulation module consists of an ARM control unit, an FPGA waveform generation unit and an analog circuit, the ARM control unit sends control command waveform parameter information to an FPGA through an FSMC, the FPGA waveform generation unit generates a four-channel digital waveform signal, the four-channel digital waveform signal is firstly converted into a four-channel analog signal waveform through a digital-to-analog conversion circuit, then the four-channel analog signal waveform is amplified through a primary amplification circuit, then interference signals except the waveform signal are filtered through a filter circuit, and the waveform is amplified to a waveform amplitude required by the control unit through a secondary amplification circuit and is output. The module has very high safety, the current size waveform parameters and the like can be adjusted in real time, the safety of a human body is ensured not to be damaged, and meanwhile, the module can output constant-current stimulation and can also output different types of waveforms in a transcranial alternating current stimulation mode.)
技术领域：
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种融合经颅电刺激和 迷走神经刺激的电刺激装置。
背景技术：
中国专利(申请号：201810910152.3申请日：2018-08-10)公 开了一种非侵入式闭环经颅电刺激装置，装置包括电极帽、前置放大 器、主机和上位机；电极帽佩带于使用者头部，包含多个盘状电极， 用于脑电信号的采集和电刺激的施加；前置放大器通过线缆与电极帽 相连，包含多个选择开关和多个放大器，用于各电极采集和刺激功能 的切换和脑电信号的前置放大；主机通过线缆与前置放大器相连，用 于脑电信号的采集、实时运算、传输和经颅电刺激信号的发生；上位 机与主机无线连接，用于接收主机记录到的多通道脑电信号并进行信 号的显示与记录；或者向主机下载信号实时分析算法和闭环控制策 略。该专利缺乏电流大小波形参数的调节装置，具有一定的不安全性。
中国专利(申请号：201810104245.7申请日：2018-02-02)公 开了一种多通道经颅电刺激装置及其方法，包括上位机模块、ARM控 制模块、FPGA波形发生模块和模拟电路模块；ARM控制模块主要负责 与上位机模块发送的控制数据，并且将控制数据通过可变静态存储控 制器传输到FPGA波形发生模块的RAM存储单元上；FPGA波形发生模 块包括多个互相独立的通道，每个通道具有波形产生模块，且每个通 道能够独立产生波形，且RAM存储单元得到的控制数据能够控制每个 通道的波形的产生。
经颅直流电刺激(tDCS)是一种非侵入性的，利用恒定、低强度 直流电(1-2mA)调节大脑皮层神经元活动的技术。它分阳极和阴极 两种电极，电极释放的微弱电流能够穿过颅骨直接刺激大脑皮质，改 变浅静息膜电位状态，改变神经元兴奋性，阳极刺激提高神经兴奋性， 阴极刺激降低神经兴奋性。迷走神经是体内分布很广的一种周围神经 系统，迷走神经耳支是迷走神经在体表的唯一分支，通过耳部经皮迷 走神经电刺激(tVNS)的方式直接刺激迷走神经纤维，改变神经纤维 膜电位，产生激活孤束核、蓝斑、三叉神经核等脑干核团的效应。综 上经颅直流电刺激通过直接改变大脑皮质兴奋性等方式，从而对人和 动物行为和认知产生影响，这是一种至上而下的神经调控手段；经皮 迷走神经刺激通过激活周围神经系统中神经纤维的兴奋性，这种兴奋 沿着神经纤维向更高级神经中枢传输，改变高级中枢的兴奋性，从而 对人的行为和认知产生影响，这是一种至下而上的神经调控手段。对 于这两种神经调控手段，它们调控的方向正好相反，然而它们又各有 自己特有的效应。我们感兴趣将两中调控手段协同施加，是否产生类 似于“1+1>2”的“超和”效应，从而得到更有意义的神经调控价值， 这对于研究和临床工作都是极大的促进；现有技术中还没有将两者结 合使用的装置。
发明内容
：本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供融合经颅电刺 激和迷走神经刺激的电刺激装置，非常高的安全性，其电流大小波形 参数等要能够实时调节，确保不会危害人体安全，同时本模块是将经 颅直流电刺激和经颅交流电刺激结合在一起，经颅直流电刺激模式下 输出恒流刺激，经颅交流电刺激模式下，输出不同种类的波形。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种融合经颅电刺激和迷走神经刺激的电刺激装置，由经颅电刺 激模块和迷走神经电刺激模块组成。
一种经颅电刺激模块，由ARM控制单元、FPGA波形发生单元和 模拟电路组成，ARM控制单元将控制命令波形参数信息通过FSMC发 送给FPGA，FPGA波形产生单元产生四通道数字波形信号，首先通过 数模转换电路转换为四通道模拟信号波形，然后通过初级放大电路进 行放大，然后通过滤波电路滤除除了波形信号以外的干扰信号，再经 过次级放大电路将波形放大到控制单元要求的波形幅值进行输出。
所述经颅电刺激模块选用iCore3ARM+FPGA双核心板，该开发板 将ARM芯片和FPGA芯片集成到一个电路板上，ARM芯片采用 STM32F407IGT6，其搭载168MHz主频Cortex-M4内核，FPGA芯片采 用256脚Cyclone四代EP4CE10F17C8N，两块芯片之间通过可变静态 存储控制器连接，ARM芯片通过SWD接口连接DAP仿真器，FPGA芯片 通过JTAG口与USBBlaster连接。
所述经颅电刺激模块设置了电流检测电路来避免输出电流过高， 电流检测电路采用INA286双向分流检测器；在信号的输出过程中， 首先使用了一个5Ω的电阻来实现差模采样；参考电压为2.5V，差分 放大100倍，得到±2.5mA之间的测量电流，随后，利用模数转换器 ADS7814进行模拟信号到数字信号的转换过程；FPGA采集数字信号传 递给ARM，由ARM进行计算构成反馈并输出稳定电流。
所述数摸转换电路选用TI公司的高性能数模转换芯片TLV5614， 其是一款四通道DAC，12位精度，串行输入的数模转换芯片，该芯片 第2引脚到第7引脚为输入控制引脚，首先将第6引脚CS设置为低， 然后第7引脚FS的下降沿开始逐位移动波形数据至第5引脚SCLK时 钟信号下降沿的内部寄存器，当传输16位数据或者FS引脚信号的上 升沿时，寄存器的数据被移动到数模转换芯片TLV5614的内部锁存 器，从而依次完成数据的传输，其第10引脚和15引脚为参考电源输 入脚，11到14引脚为模拟信号输出脚，将数模转换后的波形模拟信 号输出至下一处理电路。
所述放大滤波电路包括初级放大滤波器和次级放大滤波器，选用 了两个反向比例放大器对DAC输出的模拟信号进行放大，DAC采样频 率为1kHz，DAC输出的信号带有2.5V的直流电压，在运放正向输入 端加上二分之一的DAC输入电压，通过减法器减去直流部分；后级的 放大器部分是一个增益可变的反向比例放大器，通过滑动变阻器调节 增益，范围为-10到0倍。
所述两个串联的二阶低通滤波器，其滤波器的拓扑结构为 Sallen-key有源低通滤波器；滤波器截止频率为500Hz，通道增益为 1，阻带增益为-40dB。
所述模拟电路系统供电为正负12V电压，由lm385-2.5稳压二极 管产生2.5V电压，通过一个由运放构成的跟随器输出稳定电压，再 通过1比1的反向比例放大器产生-2.5V的基准电压。
所述迷走神经刺激模块包括信号传输单元、波形产生及电流控制 单元以及电源管理单元；信号传输单元包括控制按键，用于设置刺激 的脉宽和频率参数；波形产生及电流控制单元产生所需的压控双向微 安级脉冲刺激电流波形，由两路PWM波形来控制；电源管理模块包括 隔离电源、DC-DC升压模块，用可调电阻来分压，调整输出的电压。
所述迷走神经刺激模块的电路框架包括电源保护电路、隔离电源 电路、MCU主控模块、DC-DC升压电路和输出电路；MCU主控模块产生 所需的压控双向微安级脉冲刺激电流波形，由两路脉冲宽度调制波形 来控制，输出电路用可调电阻来分压，调整输出的电压；迷走神经刺 激模块采用5V的直流稳压电源供电，采用贴片自恢复保险丝 SMD1812P050TF来保证电源输入的安全。
所述迷走神经刺激模块有一个稳定的电源设备来进行稳定供电 过程，以5V的直流稳压电源进行供电，而3.3V电压的实现依赖于电 源管理芯片MP2451来进行降压，并实现对于主控芯片的供电，这两 种供电电压依靠隔离电源电路来完成；迷走神经刺激电路为恒流设 定，刺激档位大小由不同电压来表示，用可调电阻用来分压，调整输 出的电压，输出档位电压在9V-30V之间可调，所以将5V电源电压通 过DC-DC升压电路升至9V，然后通过变压器升至最高30V；通过电流 控制电路来确保恒流输出，恒流源电路由两个运算放大器组成，MCU 控制两路PWM信号来产生刺激所需要的脉冲波形。
本发明的有益效果在于：
本发明的专利非常高的安全性，其电流大小波形参数等要能够实 时调节，确保不会危害人体安全，同时本模块是将经颅直流电刺激和 经颅交流电刺激结合在一起，经颅直流电刺激模式下输出恒流刺激， 经颅交流电刺激模式下，输出不同种类的波形。
附图说明：
图1为经颅电刺激模块结构示意图；
图2为模拟电路电路图；
图3为TLV5614数模转换电路图；
图4为放大滤波电路图；
图5为电流检测电路图；
图6为模拟电路系统原理图；
图7为迷走神经刺激模块的电路框架图；
图8为电源输入保护电路原理图；
图9为隔离电源电路原理图；
图10为DC-DC升压电路原理图；
图11为电流控制电路原理图；
图12为Block设计图；
图13是五个脑区中四个实验组的激活强度图；图13-1是右侧旁 扣带回脑区激活强度图；图13-2是左侧丘脑脑区激活强度图；图13-3 是左侧苍白质脑区激活强度图；图13-4是右侧丘脑脑区激活强度图； 图13-5是右侧壳核脑区激活强度图；
其中纵坐标为激活强度，横坐标为对应的组分别为：tDCS+tVNS， tDCS+tVNS假刺激，tDCS假刺激+tVNS，tDCS假刺激+tVNS假刺激。 图中的值为均值±标准差。图中的英文缩写分别对应于：PGR：右侧 旁扣带回，LTL：左侧丘脑，LPaL：左侧苍白质，RTR：右侧丘脑，RPuR： 右侧壳核。
具体实施方式
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下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1和图2所示，经颅电刺激模块是将直流电或者交流电施加 于人体头部，通过电流来改变大脑神经元的活动，从而调节机体病理 的过程，所以该模块首先要求非常高的安全性，其电流大小波形参数 等要能够实时调节，确保不会危害人体安全，根据目前国内外的研究， 经颅电刺激通常电流大小最高为2mA，所以本模块也将2mA作为一个 标准，输出电流最大值不能超过2mA；同时本模块是将经颅直流电刺 激和经颅交流电刺激结合在一起，要求经颅直流电刺激模式下输出恒 流刺激，经颅交流电刺激模式下，要求输出不同种类的波形，分别为 正弦波、方波、三角波和随机噪声波形，并且正弦波、方波、三角波 的频率和幅值能够在上位机实时调节，为不同的输出要求提供条件； 最后本模块设计产生四通道经颅电刺激，并且每个通道之间输出波形 和幅值等参数相同，具体技术指标参数如下：通道数为4通道，电流 小于等于2mA，波形种类为5种，波形幅值0-12V，频率为1-100Hz。
经颅电刺激模块由ARM控制单元、FPGA波形发生单元和模拟电 路组成，由于分别采用ARM开发板和FPGA开发板会造成体积过大且 不方便调试操作，因此本模块选用iCore3ARM+FPGA双核心板，该开 发板将ARM芯片和FPGA芯片集成到一个电路板上，ARM芯片采用 STM32F407IGT6，其搭载168MHz主频Cortex-M4内核，性能卓越，满 足本模块的性能要求，FPGA芯片采用256脚Cyclone四代 EP4CE10F17C8N，其功耗低，性能高，满足本模块波形发生的需求， 两块芯片之间通过可变静态存储控制器(flexiblestaticmemorycontroller，FSMC)连接，进行数据传输、 命令发送等操作，最高传输速度可达40M/s，ARM芯片通过SWD接口 连接DAP仿真器进行程序下载，FPGA芯片通过JTAG口与USBBlaster 连接进行程序下载。
模拟电路包括有以下几个电路模块：数模转换电路，放大电路， 滤波电路、电流检测电路以及电源电路，如图2所示。
数摸转换电路选用TI公司的高性能数模转换芯片TLV5614，其 是一款四通道DAC，12位精度，串行输入的数模转换芯片，该芯片第 2引脚到第7引脚为输入控制引脚，首先将第6引脚CS设置为低， 然后第7引脚FS的下降沿开始逐位移动波形数据至第5引脚SCLK时钟信号下降沿的内部寄存器，当传输16位数据或者FS引脚信号的上 升沿时，寄存器的数据被移动到数模转换芯片TLV5614的内部锁存 器，从而依次完成数据的传输，其第10引脚和15引脚为参考电源输 入脚，11到14引脚为模拟信号输出脚，将数模转换后的波形模拟信号输出至下一处理电路。TLV5614数模转换电路如图3所示。
放大滤波电路包括初级放大滤波器和次级放大滤波器，由于前一 级的DAC模块的参考电压为2.5V，其输出电压范围为0到5V，信号 幅度较小，故先进行一倍的放大，再串联一个4阶低通滤波器，去除 高频噪声，最后经过一个反向比例放大器将信号放大到需要的幅度大 小。本模块选用了两个反向比例放大器对DAC输出的模拟信号进行放 大，由于DAC输出的信号带有2.5V的直流电压，故需要在运放正向 输入端加上二分之一的DAC输入电压，通过减法器减去直流部分。后 级的放大器部分是一个增益可变的反向比例放大器，通过滑动变阻器 调节增益，范围为-10到0倍。本模块选用的滤波器是两个串联的二 阶低通滤波器，其滤波器的拓扑结构为Sallen-key有源低通滤波器。 由于DAC采样频率为1kHz，所以设计滤波器截止频率为500Hz，通道 增益为1，阻带增益为-40dB。放大滤波电路如图4所示。
由于本模块直接作用于人体头部，需要输出稳定电流在1～2mA， 但是FPGA输出的为电压信号不能直接控制电流，需要采集信号电流 构成反馈进行电流调节并保证电流的稳定。
电流检测芯片主要完成电流与电压之间的转换，为了实现这一功 能，本专利使用了INA286双向分流检测器。在信号的输出过程中， 首先使用了一个5Ω的电阻来实现差模采样。参考电压为2.5V，差分 放大100倍，通过这一方式，可得到±2.5mA之间的测量电流，随后， 利用模数转换器ADS7814进行模拟信号到数字信号的转换过程。FPGA 采集数字信号传递给ARM，由ARM进行计算构成反馈并输出稳定电流。 电流检测电路如图5所示。
模拟电路系统供电为正负12V电压，由学生电源提供。由于数模 模数转化电路需要稳定的基准电压，如DAC需要2.5V参考电压，-2.5V 电压需要给运放去除DAC带来的直流电压。
首先5V的数字电压可以由lm7805线性稳压块产生，电路原理如 图6所示。由lm385-2.5稳压二极管产生2.5V电压，通过一个由运 放构成的跟随器输出稳定电压，再通过1比1的反向比例放大器产生 -2.5V的基准电压，电路原理如图6。
迷走神经刺激模块包括信号传输单元、波形产生及电流控制单元 以及电源管理单元。信号传输单元包括控制按键，主要用于设置刺激 的脉宽和频率参数；波形产生及电流控制单元产生所需的压控双向微 安级脉冲刺激电流波形，主要由两路PWM波形来控制；电源管理模块 包括隔离电源、DC-DC升压模块，用可调电阻来分压，调整输出的电 压。
(一)电路框架
本专利迷走神经刺激模块的电路框架包括电源保护电路、隔离电 源电路、MCU主控模块、DC-DC升压电路和输出电路。MCU主控模块 产生所需的压控双向微安级脉冲刺激电流波形，主要由两路脉冲宽度 调制波形来控制，输出电路用可调电阻来分压，调整输出的电压。设 计方案如下图7所示。
(二)电源保护电路
本专利迷走神经刺激模块采用5V的直流稳压电源供电，采用贴 片自恢复保险丝SMD1812P050TF来保证电源输入的安全，电源输入保 护电路原理图如下图8所示。
(三)隔离电源电路
迷走神经刺激模块需要有一个稳定的电源设备来进行稳定供电 过程，根据系统设计中要求的输出电压(5V、3.3V、9V、30V)，为了 防止干扰，电源隔离措施是保证输出信号稳定性的基本要求，本专利 的迷走神经刺激模块是以5V的直流稳压电源进行供电，而3.3V电压 的实现依赖于电源管理芯片MP2451来进行降压，并实现对于主控芯 片的供电。这两种供电电压依靠隔离电源电路来完成。隔离电源电路 设计如下图9所示。
(四)DC-DC升压电路
刺激电路为恒流设定，刺激档位大小由不同电压来表示，用可调 电阻用来分压，调整输出的电压，输出档位电压在9V～30V之间可调， 所以将5V电源电压通过DC-DC升压电路升至9V，然后通过变压器升 至最高30V。DC-DC升压电路原理如图10。
(五)电流控制电路
本模块刺激部位为耳颈部迷走神经，需要严格控制输出电流的大 小，以确保安全，所以本模块设计电流控制电路来确保恒流输出，恒 流源电路由两个运算放大器组成，MCU控制两路PWM信号来产生刺激 所需要的脉冲波形，电路原理图如图11所示。
我们设计了四组对照试验：tDCS假刺激+tVNS假刺激组，tDCS 假刺激+tVNS组，tDCS+tVNS假刺激组，tDCS+tVNS组。tDCS电极阳 极位于F3，阴极位于右侧眼眶上额头上；tVNS刺激电极位于耳部。 我们采集了这四组对照试验电刺激状态下实时的功能磁共振影像数 据，我们的电刺激任务试验设计选用经典的Block设计，即假设电刺 激状态为ON，静息状态为OFF，我们采用的是66s的OFF接着66s的 ON，如此重复3次，最后再加上一个66s的OFF，总计每组磁共振扫 描时间为462s，Block设计如图12。
通过统计分析比较不同试验设计刺激状态，可以得到在右侧旁扣 带回、左侧丘脑、左侧苍白质、右侧丘脑、右壳核等多个脑区存在 tDCS+tVNS组的激活效应明显高于tDCS+tVNS假刺激组与tDCS假刺 激+tVNS的激活效应之和的结果(如图13)，也就是证实产生了类似 “1+1>2”的“超和”效应。