便攜式視聽覺(jué)刺激器及誘發(fā)電位采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、誘發(fā)電位(Evoked potentials，EPs)是指中樞神經(jīng)系統(tǒng)在感受器官受到外界刺激而產(chǎn)生的一系列與刺激相關(guān)的微弱電位變化，常見EPs包括體感誘發(fā)電位(Somatosensory evoked potentials，SEPs)、視覺(jué)誘發(fā)電位(Visual evoked potentials，VEPs)及聽覺(jué)誘發(fā)電位(Auditory evoked potentials，AEPs)。作為一種電生理檢查技術(shù)，EP是繼腦電圖、肌電圖之

2、后臨床神經(jīng)電生理學(xué)的第三大發(fā)展。目前它已被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)通路信號(hào)機(jī)制的研究和神經(jīng)系統(tǒng)病變的客觀檢查，例如協(xié)助診斷神經(jīng)系統(tǒng)的功能異常，確定中樞神經(jīng)的可疑病變，有利于定位病損及監(jiān)護(hù)某些神經(jīng)通路的功能狀態(tài)。
　　EP采集系統(tǒng)主要分為兩大部分，分別是刺激器和數(shù)據(jù)采集及處理分析。其基本工作原理是:刺激器產(chǎn)生特定參數(shù)的刺激信號(hào)，經(jīng)換能器（耳機(jī)/顯示器）將刺激信號(hào)傳遞給受試者，同時(shí)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行腦電采集，對(duì)所采集的原始信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和

3、疊加平均等一系列處理后提取出有效的EP信號(hào)。
　　隨著EP檢查在臨床上的不可替代性和優(yōu)越性逐漸被國(guó)內(nèi)醫(yī)院所接受，EP檢查在臨床上的需求不斷增加，性能要求也根據(jù)使用的不同而提出各種要求，比如便攜式、使用靈活及低功耗等等。在科學(xué)研究領(lǐng)域，特定的科學(xué)研究目的對(duì)刺激器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備也有特定的要求，比如，視覺(jué)穩(wěn)態(tài)誘發(fā)反應(yīng)研究要求刺激器能靈活改變刺激率并產(chǎn)生高精度的同步觸發(fā)信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)大部分EP采集系統(tǒng)都是從國(guó)外進(jìn)口，其存在著設(shè)計(jì)封閉、使用

4、不靈活、刺激模式單一、體積較大及價(jià)格昂貴等問(wèn)題。
　　本文針對(duì)這些問(wèn)題和需求，以硬件邏輯電路FPGA核心控制器研制了一款高精度可靈活改變刺激率的視覺(jué)刺激器，以音頻處理芯片WM8731研制了一款便攜式多功能聽覺(jué)刺激器和以模擬前端芯片ADS1299研制了一款高性能腦電數(shù)據(jù)采集器，并且開發(fā)了一套基于單個(gè)STM32核心處理器架構(gòu)的便攜式AEP信號(hào)提取裝置。
　　傳統(tǒng)的視覺(jué)刺激器設(shè)計(jì)方案主要有兩種:(1)基于單片機(jī)的視覺(jué)刺激器，其原理

5、是利用單片機(jī)輸出刺激圖像和同步觸發(fā)信號(hào)。雖然這種設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定，但因單片機(jī)內(nèi)部資源有限，變更刺激模式困難;(2)基于PC顯卡的視覺(jué)刺激器，是通過(guò)PC機(jī)上的軟件編程控制顯卡實(shí)現(xiàn)圖像刺激和同步信號(hào)的輸出。雖然這種設(shè)計(jì)能靈活地產(chǎn)生不同刺激模式，但因其需要運(yùn)行在多任務(wù)操作系統(tǒng)下，其時(shí)間精度有賴于CPU性能及對(duì)硬件的調(diào)度，且刺激圖像質(zhì)量依賴于顯卡性能。刺激器在產(chǎn)生高頻圖像刺激時(shí)，刺激圖像和同步信號(hào)會(huì)出現(xiàn)延時(shí)，導(dǎo)致同步性變差。因此，本文研制的基于FP

6、GA的高頻視覺(jué)刺激控制器，從PC機(jī)接收刺激模式命令，再由FPGA控制產(chǎn)生刺激圖像的同時(shí)，向外部數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送同步信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本刺激器能靈活地變更不同的刺激模式，并確保高刺激率下刺激圖像和同步觸發(fā)信號(hào)的完全同步，同步精度高達(dá)μs級(jí)。
　　便攜式AEP提取設(shè)備包括聽覺(jué)刺激器和腦電獲取與處理兩個(gè)主要部分。傳統(tǒng)的聽覺(jué)刺激器依賴于專業(yè)化媒體播放設(shè)備，這種方法雖然有著很好的刺激效果，但是其存在封閉式設(shè)計(jì)、價(jià)格昂貴及使用不靈活等缺點(diǎn)。

7、因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款基于音頻處理芯片WM8731的嵌入式聽覺(jué)刺激器。它具有低功耗、低成本、使用靈活及便攜式的優(yōu)點(diǎn)。本刺激器的工作原理是:使用者通過(guò)LCD屏和按鍵選擇不同刺激模式，STM32微控制器讀出SD卡內(nèi)所被選中的刺激聲文件將其傳至WM8731產(chǎn)生刺激聲。同時(shí)，高速I/O口輸出同步觸發(fā)信號(hào)至腦電數(shù)據(jù)采集單元。我們用模擬前端芯片ADS1299開發(fā)了一個(gè)高性能的腦電信號(hào)采集器。結(jié)合上述的嵌入式聽覺(jué)刺激器，構(gòu)成一種基于單個(gè)STM32核心處