一种新型多功能诱发电位刺激器的研制

本系统图形刺激器实现的功能：(1)实现不同参数的竖条栅、横条栅、棋盘格和圆环图形的输出；(2)使棋盘格图形按照一定频率翻转。

3 电流刺激

体感诱发电位SEP(Somatosensory Evoked Petential)是指对感觉神经进行刺激时在感觉神经通路相应部位所记录到的诱发电位[5]。电流刺激器的设计包括刺激脉冲的频率控制、脉宽控制和电流强度控制等。刺激脉宽和刺激频率控制由PWM控制。由于人体的体表电阻一般为几千欧姆，因此需要升压电路把系统的5 V供电电压升到100 V左右，才能满足刺激脉冲的电流达到毫安级别。

3.1 D/A转换模块

本设计采用串行D/A 转换器TLC5615，它是10 bit数模转换器，输出范围0 V~5 V。TLC5615与FPGA采用三线接口cs、sclk和data，cs是片选信号，sclk是串行时钟信号，data是串行数据输入端。data在cs和sclk信号的控制下将12 bit数据送入到TLC5615的输入寄存器并完成数模转换，其中前10 bit为D/A 转换数据。当片选cs为低电平时，在sclk的上升沿data被送到移位寄存器。本设计中，cs和sclk都是通过对系统时钟clk进行分频产生，其时序图如图2所示。

3.2 双极性控制和恒流源电路

在某些检测中，电刺激需要脉冲为正、负的双极性刺激源，双极性恒流源控制电路可以把单极性转变为双极性刺激，并控制电流刺激的大小不因人体电阻的改变而改变。而FPGA控制输出的波形是单极性的。

本系统通过功率开关实现单极输出电压转换为双极性输出[6]，如图3所示。电路的工作原理：功率开关管Q2、Q3、Q4、Q5作电流开关，由FPGA产生的极性相反的一组脉冲信号XLY1、XLY2，通过非门74HC04驱动控制Q2、Q3、Q4、Q5在饱和与截止状态之间切换。当XLY1=0、XLY2=1时，Q2和Q5饱和导通，流过负载RL的电流流向是Q2→RL→Q5；当XLY1=1、XLY2=0时，Q3和Q4饱和导通，流过负载RL的电流流向是Q4→RL→Q3，由此可实现负载RL双极性脉冲的输出。设计中采用了光电耦合电路确保人体的电气安全。

运算放大器MCP6001、晶体管Q6、电阻R20组成电压串联负反馈电路，它和刺激电极(即负载电阻RL)组成恒流源电路，如图3下半部分。由放大器的虚短和虚断特性可知，放大器同相和反相输入端电压相同（VIN+=VIN-=Vdaout），即：电阻R20两端的电压为Vdaout。当外部供电电压足够高时，晶体管Q6将工作在放大状态（Ic≈Ie）。Vdaout与电阻R20的比值决定了负载电阻上的电流的大小，而与RL的大小无关，实现电压控制的恒定电流输出。

3.3 升压电路

本系统使用升压芯片MCP1651， MCP1651是一种门控振荡升压控制器，通过外接一个N沟道MOSFET管、一个肖特基二极管和一个升压电感，可以实现高的输出功率，它可以在输入电压2.0 V～5.5 V内工作，输出电压可以达到100 V以上。

升压电路如图4所示，工作原理为：通过外接分压电阻(图中R4、R5)把输出电压反馈到FB引脚，与内部1.22 V的参考电压进行比较。当分压反馈低于1.22 V参考电压时，外部门驱动（EXT）引脚以750 kHz门控振荡频率输出脉冲来控制N沟道MOSFET接通，此时肖特基二极管DS反向偏置，电源经由电感L至MOSFET形成回路，输入电压加在升压电感中转化为磁能储存；直到FB脚的反馈电压高出1.22 V时，内部振荡器停止工作， MOSFET关断，肖特基二极管DS正向偏置，电感中的磁能因不能突变而转化为电能，此电压与电源一起为负载提供能量，并给电容C充电，需要几个脉冲来提供足够的能量以实现升压功能。

本系统电刺激主要性能指标如下：(1)电流刺激脉宽：0.05 ms、0.1 ms、0.2 ms、0.3 ms、0.5 ms、0.7 ms、1 ms，共7档可调；(2)电流刺激强度：0 mA~100 mA可调；(3)电流刺激频率：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 声音刺激

听觉诱发电位AEP(Auditory Evoked Potential)指给予声音刺激, 从耳蜗毛细胞起至各级中枢产生相应的电位活动[7]。听觉诱发电位刺激信号为双通道信号，一路是刺激信号，一路是白噪声掩蔽信号。刺激信号包括短声、疏波、密波和交替波。连续波脉冲重复频率在30 Hz以下称为疏波，脉冲重复频率在30 Hz～1 000 Hz之间称为密波，疏波和密波交替轮流输出称为交替波。本系统对50 MHz系统时钟分频，就可得到一定频率的疏波和密波。

4.1 短声刺激的产生

短声刺激的技术指标包括：刺激脉宽、刺激频率和刺激强度。刺激脉宽和刺激频率由PWM脉冲控制实现；刺激强度由外围电路实现。PWM脉冲信号通过D/A输出到耳机。

PWM的实现有三种方法：数字集成电路、软件和专用集成芯片[8]。利用FPGA设计的数字比较器可以灵活地输出PWM波形，具有软件方法和专用集成芯片的共同优点。以刺激频率50 Hz、刺激脉宽1 ms的短声刺激为例，分析PWM的产生。本系统时钟是50 MHz，对系统时钟在0~999 999计数，即对系统时钟进行106分频，当在0~49 999计数时，PWM=1，即脉宽50 000×1/(50×106）=

1 ms；当在50 000~999 999计数时，PWM=0。对于不同的短声刺激，需要调整相应的参数以实现不同频率和脉宽。

4.2 白噪声的产生

白噪声是定义在无限频率范围内功率密度为常数的信号。m序列是最长线性反馈移位寄存器的简称。m序列的谱特性具有白噪声特性，其周期越长，越接近白噪声。在白噪声发生器中利用m序列的这一性质可产生高性能的噪声源。图5是利用Matlab对15 bit的m序列进行的功率谱分析。从图中可以看出功率谱基本恒定。结合FPGA的硬件资源和m序列的白噪声特性，这里采用32 bit线性反馈的移位寄存器。其特征多项式为：

本系统声音刺激主要性能指标如下：(1)声音刺激脉宽：0.05 ms、0.1 ms、0.2 ms、0.3 ms、0.5 ms、0.7 ms、1 ms，共7档可调；(2)声音刺激频率：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档可调；（3）声音刺激强度：1 dB~120 dB；（4）声音刺激模式：疏波、密波、交替波；（5）噪声：白噪声。