本帖最后由 JASONMENG 于 2024-9-18 17:21 编辑
经颅电刺激（Transcranial Electrical Stimulation, TES）是一种非侵入性的脑部刺激技术，通过在头皮上施加微小的电流来调节大脑神经活动。TES主要分为两大类：经颅直流电刺激（tDCS，Transcranial Direct Current Stimulation）和经颅交流电刺激（tACS，Transcranial Alternating Current Stimulation）。
- tDCS（经颅直流电刺激）：通过在大脑特定区域施加持续的低强度直流电（通常在0.5-2毫安之间），来改变神经元的膜电位，降低或提高神经兴奋性。阳极电极下的神经元通常被去极化，表现为兴奋性增强；而阴极电极下的神经元被超极化，表现为抑制效应。
- tACS（经颅交流电刺激）：采用不同频率的交流电（通常在0.1-1000 Hz范围内），通过电流的周期性变化来调节神经网络的同步性和振荡频率，影响大脑的节律活动。
TES的原理基于大脑的可塑性，即大脑神经元网络在外界刺激的作用下可以产生长期的结构和功能变化。这使得TES在治疗抑郁症、焦虑症、癫痫、偏头痛以及改善认知功能等方面具有潜在应用。
经颅电刺激的电路设计 经颅电刺激设备的设计要求电流稳定、可控，确保在安全的范围内（一般最大电流为2 mA），且设备需要能够根据不同的刺激模式提供直流或交流电流。以下是TES设备的主要电路模块及设计要求。 1. 电源模块 电源模块为系统提供稳定的电压和电流。TES设备通常使用电池供电，以确保系统的便携性和安全性。常见的设计采用3.7V锂电池，通过升压或降压电路产生合适的工作电压。电源模块还需提供过压保护和过流保护功能，以确保设备在异常情况下不会对用户造成伤害。 为了提供稳定的电流输出，电路中通常需要设计一个稳流源电路。稳流源通过反馈控制电流的大小，使其保持恒定，无论负载（即人体头皮的阻抗）如何变化。常见的稳流电路设计采用运算放大器（如OPA系列）和电阻进行反馈控制，以保证输出电流的精确性。 2. 电流源模块 电流源是TES系统的核心部分，负责提供所需的刺激电流。由于头皮和头骨的电阻相对较大，因此需要一个能够提供足够驱动能力的恒定电流源。设计中通常采用线性恒流源，结合数字控制电路，实现对电流大小的精确调节。 3. 电极和接口模块 电极是电流进入人体的通道，电极材料的选择和放置对TES的效果有很大影响。常用的电极材料有银/氯化银（Ag/AgCl）或碳电极，这些材料具有良好的导电性和生物相容性。电极通常分为阳极和阴极，分别放置在头皮的不同位置，以达到不同的刺激效果。 在电路设计中，电极接口需要考虑阻抗匹配和信号传输的稳定性。头皮的电阻通常在数百欧姆到数千欧姆之间变化，因此电路设计需要提供足够的驱动力，以克服头皮电阻，同时避免过大电流对人体造成伤害。 为了提高电极与皮肤的接触效果，常使用导电凝胶或湿电极。设计中还需要考虑电极的可更换性和重复使用性，确保电极与设备接口可靠，且方便用户操作。 4. 控制与反馈模块 TES设备需要灵活调节电流的大小、持续时间和刺激模式，因此控制模块是设备的核心部分。常用的控制系统包括微控制器或FPGA，用于管理电流源、电源和信号生成等模块的工作状态。用户可以通过界面输入所需的参数，如电流强度、刺激时间和频率。 5. 安全与保护机制 安全是TES设备设计中的首要考虑因素。电流强度过高可能会对大脑和皮肤造成损害，因此设计中必须加入多重保护机制： - 限流保护：通过硬件限流电路确保输出电流不会超过设定的安全阈值（通常为2 mA）。
- 过温保护：通过温度传感器监测设备的温度，防止长时间使用导致设备过热。
- 电流断开检测：监测电极是否接触良好，若电流断开或电极脱落，设备应自动停止工作以防止错误刺激。
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