Design of a computer-controlled current stimulator for nerve and muscle excitation

Abstract

Canlı dokularının elektriksel olarak uyarılması, sinir ve kas bozukluklarının teşhis ve tedavisi amacıyla uzun yıllardır kullanılmaktadır. Ayrıca, elektriksel uyarım; sinir ve kasların doğasında olan işleyişini analiz etmek, kavramak ve anlamak için de yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma bir akım kaynağı devresinin tasarlanması ve onun bilgisayar arayüzü ile kontrol edilmesini içermektedir. Cihaz tasarımında; değişken yük direncinden bağımsız olarak sabit akım verebilmesi için bu konuda yaygın olarak kullanılan gelişmiş Howland akım kaynağı topolojisi kullanılmıştır. Geliştirilmiş (Modified) Howland akım kaynağı uygulanan gerilimi istenen akıma çevirir. Cihaz, ±37 Vdc besleme sağlayabilen harici bir güç kaynağı ile beslenmektedir. Dizüstü bilgisayar ses kartı LabVIEW tarafından sürülerek istenilen dalga şekilleri üretilmektedir. Sinüzoidal, kare ve üçgen dalga şekilleri, farklı genlik, frekans ve darbe genişliğinde ve ses kartının teknik özelliklerine ve sınırlarına uygun şekilde üretilebilmektedir. Cihaz monopolar ve bipolar darbe (puls) üretme özelliğine sahiptir. Cihazın darbe genişliği 0.05-10 ms arasındadır. Cihazın güvenli frekans aralığı 10 – 10,000 Hz olup, 10 kΩ'luk bir yük direncini 6.6 mApp akım ile sürebilmektedir. Bu cihaz kolaylıkla imal edilebilmesinin yanı sıra ticari ürünlere göre de daha ucuzdur. Cihaz elektriksel ve fizyolojik olarak test edilmiş ve çalıştığı kanıtlanmıştır. Laboratuvar ortamında elektrofizyoloji deneylerinde, özellikle de somatosensoriyel uyarılmış potansiyeller ölçülürken rahatlıkla kullanılabilir.

Electrical stimulation of excitable tissues has been widely used for diagnosing and treating neurological and muscular disorders. Electrical stimulation is also used to analyze and understand inherent functions of nerves and muscles. This study includes the circuit design of a current stimulator and its custom LabVIEW interface. The device is based on a modified Howland current-source topology due to its efficiency for injecting precise current without being affected by load resistance variations. Modified Howland current source converts voltage signals to desired current signals. The device is powered by an external power supply with high compliance ±37 Vdc. Waveforms are produced by using a computer audio output which is controlled by LabVIEW. Therefore any user can create its own user interface with any programming environment. Sinusoidal, square and triangle waveforms, in different frequencies, amplitudes and pulse widths, can be generated within the range of the sound card specifications. The device can generate both monopolar and bipolar current pulses with pulse duration of 0.05-10 ms. Reliable frequency range of the system is 10 – 10,000 Hz and it can deliver 6.6 mApp at 10 kΩ dummy load. This system can be easily constructed and is very inexpensive compared to commercial units. Both electrical and physiological tests are performed in order to prove that the device is running properly and it can be utilized in laboratory experiments of electrophysiology especially for somatosensory evoked potentials.