文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)06-0054-04
誘發電位EPs(Evoked Potentials)是指對神經系統某一特定部位給予特定刺激后在大腦皮層所產生的特定電活動，它是神經系統對外界刺激的直接電生理反應，其對于神經系統功能性異常的疾病有獨特的檢測診斷能力[1]。誘發電位是繼心電圖和腦電圖技術之后臨床電生理學的第三大進展, 它與計算機斷層成像技術(CT)并稱為檢測神經系統功能的兩大有力工具[2]。誘發電位根據刺激部位的不同分為視覺誘發電位、聽覺誘發電位、體感誘發電位，與其對應刺激信號源有光、聲、電三種。目前國際國內的誘發電位儀的刺激信號源體積大、功能單一，且視覺誘發電位儀、聽覺誘發電位儀和體感誘發電位儀的功能相互獨立[2-4]。
1 系統結構
本系統核心控制芯片FPGA采用美國Altera公司的CycloneII系列EP2C8Q208C8N，它提供了8256個邏輯單元。利用FPGA產生視覺誘發電位、聽覺誘發電位和體感誘發電位等誘發電位檢測所需要的刺激信號。系統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，系統的原理框圖如圖1所示。
上位機（通常是PC機）根據誘發電位檢測的需要向FPGA發送相應的刺激命令和參數，由于上位機向FPGA發送一些簡單的數字控制命令，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傳來的命令，經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產生的PWM脈沖調制波，經D/A轉化為模擬信號。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輸出的單極性轉化為雙極性刺激信號，再由升壓電路使刺激電流達到體感刺激所需要的電流強度。
2 圖形刺激
圖形刺激模塊包括VGA時序模塊和圖形刺激生成模塊，VGA時序模塊生成控制CRT陰極射線槍的水平同步信號HS和垂直同步信號VS，圖形生成模塊生成顯示不同圖形的R、G、B三基色信號。圖形刺激有豎條柵、橫條柵、棋盤格和圓環。
2.1 VGA時序模塊
本設計采用的顯示器分辨率為800×600，像素頻率是50 MHz，場頻72 Hz。程序中設置2個變量：行點計數器hcnt和場行計數器vcnt。hcnt對系統時鐘clk進行計數，vcnt對hcnt進行計數，根據VGA的工業標準，hcnt是從第0個時鐘計數到第1 039個時鐘反復計數，vcnt是從第0計到665個hcnt反復計數。在HS信號生成中800個時鐘是有效的行顯示時間，120個時鐘是行同步時間。在VS生成中，600個行周期是有效的顯示時間，6個行周期是場同步時間。下面的程序產生HS行信號和VS場信號。
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系統時鐘進行計數，通過對行計數器hcnt和場計數器vcnt的判斷和運算來產生圖形。在設計中把顯示器看作一個直角坐標系，其原點在左上角，hcnt（0~799）是橫坐標，vcnt（0~599）是縱坐標，通過對hcnt和vcnt的判斷，賦予R、G、B三基色不同的值，實現豎條柵、橫條柵、棋盤格和圓環圖形的生成。
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，分別是通過對行點計數器hcnt和場行計數器vcnt的控制實現的。豎條柵是對hcnt判斷產生，其判斷公式為hcnt<(800÷n)×i，n是產生豎條柵的條數，i在1～n取值，表示顯示屏上第幾個豎條柵，如白黑交替的4條豎條柵的產生：hcnt<200，RGB=111111；hcnt<400，RGB=000000；hcnt<600，RGB=111111，hcnt<800，RGB=000000時，RGB是輸出到顯示器VGA接口的6位色彩信號，“000000”表示黑色，“111111”表示白色。橫條柵的產生與豎條柵原理相似，是根據vcnt來產生，它的判斷公式為vcnt<(600÷n)×i，n表示橫條柵的條數，i在1～n取值，表示顯示屏上第幾個橫條柵。
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生的基礎上，通過橫條柵和豎條柵“異或”運算生成。由于視覺誘發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”運算，程序繁瑣，浪費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，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，又節約了FPGA的硬件資源。
r是平移后到原點的距離，r的取值不同顯示出不同的圓環。實驗表明，如果直接采用乘法運算，由于運算的數據比較大（hcnt、vcnt都是10 bit的二進制數），顯示的同心圓環圖形中有多余的豎條，影響圖形的質量。此時可通過調用FPGA內部乘法器的IP核加快計算速度解決這一問題。試驗證明，通過設置乘法器IP核延時5個時鐘單元，可以避免顯示的同心圓環圖形中出現多余的豎條。而延時的多少與FPGA芯片類型的選取有關。
本系統圖形刺激器實現的功能：(1)實現不同參數的豎條柵、橫條柵、棋盤格和圓環圖形的輸出；(2)使棋盤格圖形按照一定頻率翻轉。
3 電流刺激
體感誘發電位SEP(Somatosensory Evoked Petential)是指對感覺神經進行刺激時在感覺神經通路相應部位所記錄到的誘發電位[5]。電流刺激器的設計包括刺激脈沖的頻率控制、脈寬控制和電流強度控制等。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到毫安級別。
3.1 D/A轉換模塊
本設計采用串行D/A 轉換器TLC5615，它是10 bit數模轉換器，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，sclk是串行時鐘信號，data是串行數據輸入端。data在cs和sclk信號的控制下將12 bit數據送入到TLC5615的輸入寄存器并完成數模轉換，其中前10 bit為D/A 轉換數據。當片選cs為低電平時，在sclk的上升沿data被送到移位寄存器。本設計中，cs和sclk都是通過對系統時鐘clk進行分頻產生，其時序圖如圖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、負的雙極性刺激源，雙極性恒流源控制電路可以把單極性轉變為雙極性刺激，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。
本系統通過功率開關實現單極輸出電壓轉換為雙極性輸出[6]，如圖3所示。電路的工作原理：功率開關管Q2、Q3、Q4、Q5作電流開關，由FPGA產生的極性相反的一組脈沖信號XLY1、XLY2，通過非門74HC04驅動控制Q2、Q3、Q4、Q5在飽和與截止狀態之間切換。當XLY1=0、XLY2=1時，Q2和Q5飽和導通，流過負載RL的電流流向是Q2→RL→Q5；當XLY1=1、XLY2=0時，Q3和Q4飽和導通，流過負載RL的電流流向是Q4→RL→Q3，由此可實現負載RL雙極性脈沖的輸出。設計中采用了光電耦合電路確保人體的電氣安全。
運算放大器MCP6001、晶體管Q6、電阻R20組成電壓串聯負反饋電路，它和刺激電極(即負載電阻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。當外部供電電壓足夠高時，晶體管Q6將工作在放大狀態（Ic≈Ie）。Vdaout與電阻R20的比值決定了負載電阻上的電流的大小，而與RL的大小無關，實現電壓控制的恒定電流輸出。
3.3 升壓電路
本系統使用升壓芯片MCP1651， MCP1651是一種門控振蕩升壓控制器，通過外接一個N溝道MOSFET管、一個肖特基二極管和一個升壓電感，可以實現高的輸出功率，它可以在輸入電壓2.0 V～5.5 V內工作，輸出電壓可以達到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，與內部1.22 V的參考電壓進行比較。當分壓反饋低于1.22 V參考電壓時，外部門驅動（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，此時肖特基二極管DS反向偏置，電源經由電感L至MOSFET形成回路，輸入電壓加在升壓電感中轉化為磁能儲存；直到FB腳的反饋電壓高出1.22 V時，內部振蕩器停止工作， MOSFET關斷，肖特基二極管DS正向偏置，電感中的磁能因不能突變而轉化為電能，此電壓與電源一起為負載提供能量，并給電容C充電，需要幾個脈沖來提供足夠的能量以實現升壓功能。
本系統電刺激主要性能指標如下：(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；(2)電流刺激強度：0 mA~100 mA可調；(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
聽覺誘發電位AEP(Auditory Evoked Potential)指給予聲音刺激, 從耳蝸毛細胞起至各級中樞產生相應的電位活動[7]。聽覺誘發電位刺激信號為雙通道信號，一路是刺激信號，一路是白噪聲掩蔽信號。刺激信號包括短聲、疏波、密波和交替波。連續波脈沖重復頻率在30 Hz以下稱為疏波，脈沖重復頻率在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。本系統對50 MHz系統時鐘分頻，就可得到一定頻率的疏波和密波。
4.1 短聲刺激的產生
短聲刺激的技術指標包括：刺激脈寬、刺激頻率和刺激強度。刺激脈寬和刺激頻率由PWM脈沖控制實現；刺激強度由外圍電路實現。PWM脈沖信號通過D/A輸出到耳機。
PWM的實現有三種方法：數字集成電路、軟件和專用集成芯片[8]。利用FPGA設計的數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點。以刺激頻率50 Hz、刺激脈寬1 ms的短聲刺激為例，分析PWM的產生。本系統時鐘是50 MHz，對系統時鐘在0~999 999計數，即對系統時鐘進行106分頻，當在0~49 999計數時，PWM=1，即脈寬50 000×1/(50×106）=
1 ms；當在50 000~999 999計數時，PWM=0。對于不同的短聲刺激，需要調整相應的參數以實現不同頻率和脈寬。
4.2 白噪聲的產生
白噪聲是定義在無限頻率范圍內功率密度為常數的信號。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。在白噪聲發生器中利用m序列的這一性質可產生高性能的噪聲源。圖5是利用Matlab對15 bit的m序列進行的功率譜分析。從圖中可以看出功率譜基本恒定。結合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。其特征多項式為：
本系統聲音刺激主要性能指標如下：(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；(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；（3）聲音刺激強度：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
閃光刺激源應用在閃光VEP（視覺誘發電位）、閃光ERG(視網膜電圖)、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，其主要特點為極短的閃光時程和寬的輸出光譜，其強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系統時鐘的分頻來控制，閃光強度可由外部的升壓電路來控制。
本系統閃光刺激源可以實現以下功能：(1)閃光強度分為8級可調；(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。
本系統以FPGA作為微處理器和主控制芯片，并采用少量的外圍電路設計了一種用于誘發電位系統的多功能刺激器，能產生多種刺激信號。與傳統的刺激器相比，電路結構簡單、體積小、可擴展性好，提高了系統的集成度和穩定性。實驗和測試結果表明，刺激信號輸出準確可靠，較好地完成了各性能參數。
參考文獻
[1] Chiappa.Evoked potentials in clinical medicine[M].New York. Lippincott Raven.1997：356-359.
[2] 趙仕波，羅耀華，趙文華.聽覺誘發電位儀的設計與實現方案[J].儀器儀表學報，2008，29(3)：394-398.
[3] BRADNAM M S，EVANS A L.A personal computer-based visual evoked potential stimulus and recording system[J].Documenta Ophthalmologica，1994，86：81-93.
[4] 白洋.體感誘發電位刺激器的研制及術中脊髓功能監護方法的研究[D].重慶：重慶大學，2002.
[5] 李卓，高小榕．穩態體感誘發電位的提取與分析[J].清華大學學報（自然科學版），2006，46（6）：861-864.
[6] 翁振興.基于脊髓電刺激和小腦頂核電刺激的心肌缺血治療儀的研究[D].重慶：重慶大學，2005.
[7] KERR C C，RENNIE C J，ROBINSON P A.Physiology-based modeling of cortical auditory evoked potentials[J]. Biological Cybernetics，2008，98(2)：171-184.
[8] 吳西，季忠，秦毅，等.視覺誘發電位提取中閃光刺激的PWM實現[J].儀器儀表學報，2006，29(4)：62-64.
[9] 李海生，潘家普.視覺電生理的原理與實踐[M].上海：上海科學普及出版社，2002.