4通道脈沖刺激器(20220215232130)

1、課程名稱：FPGA原理及應用作業(yè)名稱：基于FPGA的多通道脈沖刺激器 任課教師：馮曉明學院：信息與通信工程姓 名：蔡剛學 號：2022124019日 期：2022年6月10日1、本作業(yè)時基于Altera公司Cyclone系列EP1C6型FPGA芯片的多通道視 皮層刺激器。該刺激器由 FPGA 和外圍電壓 /電流轉換電路兩局部組成。 FPGA 內部包括刺激脈沖發(fā)生器和多個多路選擇器 :刺激脈沖發(fā)生器產生各種形式的脈 沖序列信號 ;多路選擇器作為控制端實現(xiàn)對信號的選擇 ,每一通道對應一個多路選 擇器,增加多路選擇器即可實現(xiàn)通道的增加。FPGA 輸出的電壓信號通過外圍電壓 /電流轉換電路 ,轉換為電

2、流信號后傳入 電極陣列。采用Altera公司Cyclone系列EP1C6型FPGA制作了四通道實驗樣 機進行手部恢復訓練。采用癱瘓的手作為實驗對象,在癱瘓的手掌五指都包裹可控制運動的支撐桿， 而支持桿通過直流電機來控制， 然后通過 FPGA 來控制直流 電機，直流電機來控制支撐桿運動，使手部得到恢復訓練。2、功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)廣泛應用于心臟起搏和 除顫 ,緩解疼痛、呼吸維持、尿失禁控制、人工視覺、人工聽覺和癲癇治療等。 電刺激視皮層是功能性電刺激在視覺修復方面的重要應用。 電刺激醒覺人大腦皮 質的最早觀察見于 20 世紀

3、20 年代德國神經外科學家的報告 ,點狀刺激一側視皮 質那么在對側視野產生靜止的點狀光覺。 早期的刺激器可產生光感 ,不能形成圖像。 最新的視皮層刺激器系統(tǒng)由微型數(shù)碼攝像機獲取圖像,經微處理器編碼處理 ,產生特定模式的電刺激信號經電極陣列刺激視皮層。 雖然直接刺激皮層可能存在感染 及誘發(fā)病灶性癲痛的危險 ,并且面臨許多技術挑戰(zhàn) ,但該方法仍然具有可行性。美 國猶他大學的Normannl等人,澳大利亞新南威爾士大學的Chelvanayagam等人在 視皮層視覺修復方面作進行了大量的研究。 多通道刺激器是視皮層視覺修復系統(tǒng) 的核心局部 ,其功能是產生刺激視皮層的電流脈沖信號。為了研究人體對各種刺

4、激的反響 ,刺激器可以輸出各種形狀與強度的刺激信號 ,例如,矩形脈沖波、 雙脈沖 波、系列脈沖涉及各類調制脈沖波等。電刺激脈沖也因參數(shù)不同而異 ,電刺激脈 沖的根本參數(shù)包括刺激脈沖的寬度、幅度、重復頻率或周期及刺激的 持續(xù)時間等。刺激器輸出的要求 ,或是需要供給一定的功率 ,或是需要具有穩(wěn)壓或 恒流輸出。早期的晶體管刺激器功能不全 ,控制不夠精確 ,穩(wěn)定性較差。普通數(shù)字式刺激 器雖然克服了上述缺點 ,仍存在輸出幅度較低 ,電路復雜 ,控制不便等缺點。 FPGA (filed programmable gate array,FPGA)是專用集成電路(ASIC)概念上的一個新型 范疇和門類 ,與數(shù)

5、字器件相比 ,它具有簡潔、經濟、高速度、低功耗等優(yōu)勢 ,用戶可 通過現(xiàn)場編程和配置來改變其內部連接和元件參數(shù)從而獲得所需要的電路功能 ; 而與普通的模擬電路相比 ,它又具有全集成化、實用性強 ,便于開發(fā)和維護升 級等顯著優(yōu)勢。因此 ,利用 FPGA 來實現(xiàn)高速度、低功耗、小體積和易于控制的 電刺激器是一種高效可靠的解決方案。3、系統(tǒng)結構多通道刺激器由 FPGA 和外圍轉換電路 2局部組成 ,如圖 1 所示。 FPGA 內 部包括刺激脈沖發(fā)生器和多路選擇器。 刺激脈沖發(fā)生器產生各種形式的脈沖序列 信號。多路選擇器作為控制端實現(xiàn)對信號的選擇 ,每一通道對應一個多路選擇器 , 充分利用FPGA豐富的

6、I/O資源,增加多路選擇器即可實現(xiàn)通道的增加。FPGA輸 出的電壓信號通過外圍轉換電路 ,轉換為電流信號后傳入電極陣列。模式控制圖1多通道視皮層刺激器的結構對以往的研究結果進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)用于人工視覺修復的電刺激參數(shù)十分接近, 采用的電刺激信號多為單向脈沖或者雙向電流脈沖形式，幅值在幾個mA以內，多為微安級，脈寬約為251 000 us頻率在1 000 Hz以內。與單個脈沖刺激相比 仲脈 沖可以在低幅值刺激下誘發(fā)穩(wěn)定的 EEP波形,國外已有臨床實驗報道串脈沖刺激 能夠成功誘發(fā)光幻視。因此，本刺激器的輸出信號為串脈沖信號即脈沖序列。輸 出的脈沖序列根據(jù)脈寬調制PWM原理構成不同的等效波形，通過改變

7、脈沖寬度 來改變等效信號的幅值。每個序列由一定個數(shù)的矩形脈沖構成，這些矩形脈沖頻率相等，幅值相等，脈沖寬度按一定規(guī)律變化，從而構成一定的等效波形。如圖2中 的脈沖序列可等效為三角波，要改變等效波形，按一定比例改變脈沖序列中各個脈 沖寬度即可。A/皚捧0 O.(X)2 O.(H>4 0(M)6(>)() 0,012 0,014 0)16 0/)l« (),020A/tessLO,0 0.002 0.004 0.006 0,008 0.01 0.012 0.014 0+016 0.018 0.020圖2脈沖序列信號與等效波形3.2實驗樣機的實現(xiàn)實驗樣機由EP1C6型核心板與4

8、通道外圍轉換電路組成，其核心為Altera公 司Cyclone系列EP1C6型FPGA12,內部資源包含5,980Les,20個4 Kbit存儲塊, 185 I/O 口。軟件開發(fā)平臺為 QUARTUS7.2 。4、FPGA內部設計4通道的刺激脈沖發(fā)生器頂層設計圖如圖3所示。sel為波形選擇信號，sel1x為多路選擇信號，控制各通道的信號頻率，reset為清零控制信號，clk為系統(tǒng)時鐘信 號(50 MHz),s為多路輸出信號到多路選擇器。4通道刺激信號發(fā)生器共占用600Les,占用率為10%,而增加一個通道僅多占用3Les在充分利用現(xiàn)有I/O數(shù)的基 礎上，可以擴展到160個通道。ITE同巴tck

9、冊 1( 1.(11Ircoct巴嚅卩iI .i CLK匚二>T|sel17q nirisl5mux4百ELI LU)jZA埠理匚HI WWIIIWWI U,lnrl| 1 ijp i"SEI.131I.()|P IMtl -S£L131 0rzr ipn4 ri . »t . .it .Msell.iqenml 1x4 OUTPUTr5' q6ouTPirinput3.0 q 5el|l 0|ttlLlK 斗mOUTPUT-«IIHQ2wi I ir- « Ill >iHinfillOUTPlTinpul|T0| q en

10、O Q3|圖34通道刺激脈沖發(fā)生器頂層設計圖刺激脈沖發(fā)生器的內部結構如圖4所示。各種頻率的信號由多個process語程序如下：句產生，在每個process中，基準脈沖計數(shù)器控制基準脈沖的頻率，頻率計數(shù)器控制 脈沖序列的重復頻率即刺激信號頻率，頻率計數(shù)器通過讀取脈寬存放器中的跳變 值控制每個基準脈沖的脈寬，在脈寬存放器中設定序列中的脈沖個數(shù)。以下是指 數(shù)形式脈沖序列的脈寬控制程序，其中tmp和len為process內部變量,tmp控制脈 沖序列的個數(shù),len控制脈沖的寬度。圖4刺激脈沖發(fā)生器CASE tmp ISWHEN 1=> le n:=4900;WHEN 2=>le n:=16

11、46;WHEN 3=>le n:=541;WHEN 4=>le n:=178;WHEN 5=>le n:=58;WHEN 6=>le n:=19;WHEN 7=>le n:=6;WHEN 8=>le n:=2;WHEN 9=>le n:=0;WHEN 10=>le n:=0;WHEN others=>le n:=0;END CASE;5、由于沒有 FPGA 的實驗板子，所以運行結果無法顯示，改作業(yè)僅在理論方面 論證。6、結 論作業(yè)應用于手部恢復刺激的基于 FPGA 的多通道電刺激器 ,制作了實驗樣機并 進行了癱瘓手部實驗進行驗證。 該刺激器的特點在于通道的增加可通過增加單元 電路實現(xiàn) ,通道的擴展只受 FPGA