多通道相位振幅耦合经颅电刺激仪

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多通道相位振幅耦合经颅电刺激仪

北京兆易创新公司在2016年发布的基于ARM Cortex™-
M3开发的国产32位微处理器GD32F170T6

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常见的神经系统疾病主要有癫痫、阿尔兹海默症、中风、偏头痛、耳鸣、抑郁症和药物成瘾等。经颅电
刺激已被证明是一种针对神经系统疾病非侵入式、安全的治疗手段，可以持续作用于一部分
患者，改善各类神经系统疾病。部分研究者也进行了经颅电刺激对人类认知系统影响的研究。
多项试验证明，经颅电刺激在提升人类工作**、技能学习和注意力等方面也有着很大的潜
力。

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经颅电刺激（Transcranial Electrical Stimulation,tES）是一种新型非侵入式神经调节技术，
可以对人类中枢神经系统兴奋性进行调节。其可以细分为经颅直流电刺激（Transcranial Direct
Current Stimulation,tDCS）和经颅交流电刺激（Transcranial Alternating Current Stimulation,tACS）
两种。经颅电刺激通过放置在颅脑外侧皮肤上的两个或多个电极向神经元施加弱电流从而进
行神经调节.

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Nurostym公司的经颅电刺激设备如图1.2所示,该设备为双通道设备拥有一个阴极通道和
一个阳极通道。设备可输出的刺激波形有经颅直流电刺激（tDCS）、经颅交流电刺激（tACS）、
经颅脉冲直流电刺激（Pulse tDCS）、经颅随机噪声刺激（tRNS）和振幅调制经颅交流电刺激
（AM-tACS）五种刺激波形。在虚假刺激方面支持志愿者和试验操作者双盲测试，刺激时需
要输入五位数字编码开始试验，数字编码可由试验设计者制定，试验操作者在操作时对自己
本次执行的刺激是真实刺激还是虚假对照实现是未知的，从而实现双盲试验。在电极阻抗检
测方面拥有多级警报措施：当电极阻抗大于一定值时设备会发出警报，提醒试验操作人员检
查电极状态。试验操作人员可通过调制电极连接状态或者补充生理盐水或导电凝胶的方式降
低电极阻抗从而继续试验。当阻抗达到第二级时会自动切断刺激电流输出保护志愿者。该设
备的最大输出电流为5mA，最大输出电压为35v。电池可用时间约10小时。

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国内目前生产和制造经颅电刺激设备的厂家较少，国内的在售的经颅电刺激设备多为上
述公司设备的国内代理商。同时在高校和医疗机构中开展经颅电刺激相关研究也较少，目前
尚未成为主流。仅在北京师范大学认知神经科学与学习国家重点试验室等高校试验室中有所
应用。

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经颅脉冲电刺激是指设备根据试验操作者预设的脉冲群频率和电流幅值输出脉冲群电流，
且该脉冲群在刺激过程中脉冲频率和幅值不会随时间、负载等其他因素发现改变的刺激模式。
图2.3为经颅脉冲电刺激（tPCS）的波形示意图。

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计算相位-振幅耦合流程如图2.6所示，首先需要将采集到的EEG数据使用四阶双通巴特
沃斯滤波器获得对应的低频相位和高频振幅估计值，然后使用希尔伯特变换获得希尔伯特相
位和希尔伯特振幅信息，最后使用平均矢量长度算法或Kullback-Leiber算法两种相位-振幅耦
合算法量化相位和振幅之间的耦合程度。

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对于从AF7经过AFz连接至AF8的连线，将AF7至AFz等分，可以确定AF3的位
置；将AFz和AF8等分，可以确定AF4位置；再在上述电极之间等分放置电极，可以确定
AF5、AF1、AF2和AF6的位置；从左到右依次是AF7、AF5、AF3、AF1、AFz、AF2、
AF4、AF6、AF8。按照同样的方法可以确定FT7-FCz-FT8连线，T7-Cz-T8连线，TP7-CPz-
TP8连线，P7- Pz-P8连线，PO7-POz-PO8连线电极位置。

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刺激电极阻抗检测模块由电压跟随器和电压比较器两个部分组成。电压跟随器基于
TLC2262运算放大器的特性设计，即TLC2262在5v单电源供电时呈现电压跟随器特性。在
本系统中用作电压信号采集的前端电压跟随器，在整个系统中可以起到增加输入阻抗的作用，
防止影响刺激电极两端电压值。在5v供电时，TLC2262跟随电压输出范围也是0~5v。经试
验测量，电极阻抗

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A4和A5为电压比较器LM358，正极输入信号电压信号

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除中心外，其余值均为常数，由此可得脉冲群调制的脉冲宽度与对应
的等效电压点的余弦值成正比。可以通过调制脉冲宽度的的方式使得输出的矩形脉冲宽度跟
随需要得到的波形变化即可实现输出等效电压。

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