文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)06-0054-04
誘發(fā)電位EPs(Evoked Potentials)是指對(duì)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(dòng),，它是神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)外界刺激的直接電生理反應(yīng)，其對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)功能性異常的疾病有獨(dú)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(xué)的第三大進(jìn)展, 它與計(jì)算機(jī)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(duì)應(yīng)刺激信號(hào)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(hào)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(dú)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(gè)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(hào),。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(jī)（通常是PC機(jī)）根據(jù)誘發(fā)電位檢測的需要向FPGA發(fā)送相應(yīng)的刺激命令和參數(shù)，由于上位機(jī)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(jī)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(hào)。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(hào),，再由升壓電路使刺激電流達(dá)到體感刺激所需要的電流強(qiáng)度,。
2 圖形刺激
圖形刺激模塊包括VGA時(shí)序模塊和圖形刺激生成模塊,，VGA時(shí)序模塊生成控制CRT陰極射線槍的水平同步信號(hào)HS和垂直同步信號(hào)VS,，圖形生成模塊生成顯示不同圖形的R、G,、B三基色信號(hào),。圖形刺激有豎條柵、橫條柵,、棋盤格和圓環(huán),。
2.1 VGA時(shí)序模塊
本設(shè)計(jì)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(gè)變量：行點(diǎn)計(jì)數(shù)器hcnt和場行計(jì)數(shù)器vcnt。hcnt對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘clk進(jìn)行計(jì)數(shù),，vcnt對(duì)hcnt進(jìn)行計(jì)數(shù),，根據(jù)VGA的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，hcnt是從第0個(gè)時(shí)鐘計(jì)數(shù)到第1 039個(gè)時(shí)鐘反復(fù)計(jì)數(shù),，vcnt是從第0計(jì)到665個(gè)hcnt反復(fù)計(jì)數(shù),。在HS信號(hào)生成中800個(gè)時(shí)鐘是有效的行顯示時(shí)間，120個(gè)時(shí)鐘是行同步時(shí)間,。在VS生成中,，600個(gè)行周期是有效的顯示時(shí)間，6個(gè)行周期是場同步時(shí)間,。下面的程序產(chǎn)生HS行信號(hào)和VS場信號(hào),。
if (clk′event and clk = ′1′) then
if (hcnt >= 800+56 and hcnt < 800+56+120) then
HS <= ′0′;
else HS <= ′1′;
end if;
end if;
if (clk′event and clk = ′1′) then
if (vcnt >= 600+36 and vcnt < 600+36+6) then
VS <= ′0′;
else VS <= ′1′;
end if;
end if;
2.2 圖形生成模塊
刺激圖形生成模塊是對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過對(duì)行計(jì)數(shù)器hcnt和場計(jì)數(shù)器vcnt的判斷和運(yùn)算來產(chǎn)生圖形,。在設(shè)計(jì)中把顯示器看作一個(gè)直角坐標(biāo)系,，其原點(diǎn)在左上角，hcnt（0~799）是橫坐標(biāo),，vcnt（0~599）是縱坐標(biāo),，通過對(duì)hcnt和vcnt的判斷，賦予R,、G,、B三基色不同的值，實(shí)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(duì)行點(diǎn)計(jì)數(shù)器hcnt和場行計(jì)數(shù)器vcnt的控制實(shí)現(xiàn)的,。豎條柵是對(duì)hcnt判斷產(chǎn)生,，其判斷公式為hcnt<(800÷n)×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(gè)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(shí),，RGB是輸出到顯示器VGA接口的6位色彩信號(hào)，“000000”表示黑色,，“111111”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÷n)×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(gè)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“異或”運(yùn)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96×128,，如果通過簡單“異或”運(yùn)算，程序繁瑣,，浪費(fèi)FPGA資源,。本文提出一種簡單的方法：以空間頻率6×8的棋盤格圖形為基礎(chǔ)，通過平移生成12×16,、24×32,、48×64、96×128等高空間頻率的棋盤格圖形,。以空間分辨率為12×16的棋盤格圖形為例,，首先使全屏6×8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12×16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(diǎn)的距離,，r的取值不同顯示出不同的圓環(huán)。實(shí)驗(yàn)表明,，如果直接采用乘法運(yùn)算,，由于運(yùn)算的數(shù)據(jù)比較大（hcnt、vcnt都是10 bit的二進(jìn)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(shí)可通過調(diào)用FPGA內(nèi)部乘法器的IP核加快計(jì)算速度解決這一問題,。試驗(yàn)證明，通過設(shè)置乘法器IP核延時(shí)5個(gè)時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)的功能：(1)實(shí)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(duì)感覺神經(jīng)進(jìn)行刺激時(shí)在感覺神經(jīng)通路相應(yīng)部位所記錄到的誘發(fā)電位[5],。電流刺激器的設(shè)計(jì)包括刺激脈沖的頻率控制、脈寬控制和電流強(qiáng)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(dá)到毫安級(jí)別,。
3.1 D/A轉(zhuǎn)換模塊
本設(shè)計(jì)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(hào),，sclk是串行時(shí)鐘信號(hào)，data是串行數(shù)據(jù)輸入端,。data在cs和sclk信號(hào)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(dāng)片選cs為低電平時(shí),，在sclk的上升沿data被送到移位寄存器,。本設(shè)計(jì)中，cs和sclk都是通過對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘clk進(jìn)行分頻產(chǎn)生，其時(shí)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(fù)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(shí)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(hào)XLY1,、XLY2，通過非門74HC04驅(qū)動(dòng)控制Q2,、Q3,、Q4、Q5在飽和與截止?fàn)顟B(tài)之間切換,。當(dāng)XLY1=0,、XLY2=1時(shí)，Q2和Q5飽和導(dǎo)通,，流過負(fù)載RL的電流流向是Q2→RL→Q5,；當(dāng)XLY1=1、XLY2=0時(shí),，Q3和Q4飽和導(dǎo)通,，流過負(fù)載RL的電流流向是Q4→RL→Q3，由此可實(shí)現(xiàn)負(fù)載RL雙極性脈沖的輸出,。設(shè)計(jì)中采用了光電耦合電路確保人體的電氣安全,。
運(yùn)算放大器MCP6001、晶體管Q6,、電阻R20組成電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路,，它和刺激電極(即負(fù)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(dāng)外部供電電壓足夠高時(shí),，晶體管Q6將工作在放大狀態(tài)（Ic≈Ie）,。Vdaout與電阻R20的比值決定了負(fù)載電阻上的電流的大小，而與RL的大小無關(guān),，實(shí)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(gè)N溝道MOSFET管,、一個(gè)肖特基二極管和一個(gè)升壓電感，可以實(shí)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(dá)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(jìn)行比較,。當(dāng)分壓反饋低于1.22 V參考電壓時(shí),，外部門驅(qū)動(dòng)（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(shí)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(chǔ)存,；直到FB腳的反饋電壓高出1.22 V時(shí),，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(fù)載提供能量,，并給電容C充電,，需要幾個(gè)脈沖來提供足夠的能量以實(shí)現(xiàn)升壓功能。
本系統(tǒng)電刺激主要性能指標(biāo)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(qiáng)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(xì)胞起至各級(jí)中樞產(chǎn)生相應(yīng)的電位活動(dòng)[7],。聽覺誘發(fā)電位刺激信號(hào)為雙通道信號(hào)，一路是刺激信號(hào),，一路是白噪聲掩蔽信號(hào),。刺激信號(hào)包括短聲、疏波,、密波和交替波,。連續(xù)波脈沖重復(fù)頻率在30 Hz以下稱為疏波，脈沖重復(fù)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(duì)50 MHz系統(tǒng)時(shí)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(biāo)包括：刺激脈寬,、刺激頻率和刺激強(qiáng)度。刺激脈寬和刺激頻率由PWM脈沖控制實(shí)現(xiàn),；刺激強(qiáng)度由外圍電路實(shí)現(xiàn),。PWM脈沖信號(hào)通過D/A輸出到耳機(jī)。
PWM的實(shí)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(jì)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(diǎn),。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(shí)鐘是50 MHz,，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘在0~999 999計(jì)數(shù)，即對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行106分頻,，當(dāng)在0~49 999計(jì)數(shù)時(shí),，PWM=1，即脈寬50 000×1/(50×106）=
1 ms,；當(dāng)在50 000~999 999計(jì)數(shù)時(shí),，PWM=0,。對(duì)于不同的短聲刺激，需要調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)以實(shí)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(hào),。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(duì)15 bit的m序列進(jìn)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(xiàng)式為：
本系統(tǒng)聲音刺激主要性能指標(biāo)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(qiáng)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(yīng)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(diǎn)為極短的閃光時(shí)程和寬的輸出光譜,，其強(qiáng)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(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻來控制,，閃光強(qiáng)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(shí)現(xiàn)以下功能：(1)閃光強(qiáng)度分為8級(jí)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(jì)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(hào),。與傳統(tǒng)的刺激器相比,，電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小,、可擴(kuò)展性好,，提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)和測試結(jié)果表明,，刺激信號(hào)輸出準(zhǔn)確可靠,，較好地完成了各性能參數(shù),。
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