Stimjim，一个开源、低成本、双通道、隔离式神经电刺激器

啧，每天想写什么也是有点烧脑子，简单了怕没意思，难了怕把猪脑子🔥了，那今天整个懵逼不烧脑的。

一篇开源硬件的论文

一篇开源硬件的论文

在医疗里面，一方面是测量到各种弱信号，另外一方面是要干预治疗，那这个放电大法（不是雷电法王）主导下的各种神经调控也是搞得红红火火，但采样这个事情天生就比较简单（或是资料比较多吧）；但是输出这个事情就比较有难度了，分为输出压流以及吸收（电流井-这个字我打不出来，emmmm）。

说到底还是设计能力不行，那就看一些开源设计吧。

今天这个硬件就是这样的

今天这个硬件就是这样的

双通道输出

双通道输出

• Output range in current mode: -3.33mA to +3.33mA.
• Output range in voltage mode: -15V to 15V.

（这是最简短的性能参数，有人问，这个电流会不会太小了，emmmm，我们在做神经调控不是在杀人！）

以为偏医疗，所以这里的隔离做的很好

以为偏医疗，所以这里的隔离做的很好

TDK 的 DCDC 隔离和 TI 的数据隔离都怼上了；整体架构，一眼就看出来了了：

DAC 做控制，后面是一个霍拉德电流源做一个双向电源

DAC 做控制，后面是一个霍拉德电流源做一个双向电源

在输出端用了 126 直接做流压监测，非常干爽。

开始逼逼～～～

Stimjim，一个开源、低成本、双通道、隔离式神经电刺激器；把 函数发生器 + 电压输出 + 电流输出 + 隔离 + 输出监测 做进一个开源硬件平台里；因为神经电刺激实验需要精确的电压或电流刺激，但商业设备通常昂贵、封闭、难修改；而这个 Stimjim，目标是用大约 200 美元物料成本实现一个可编程、双通道、隔离式电刺激器。

摘要给核心指标：两个电气隔离输出通道；可做电流刺激，也可做电压刺激；微秒级时间分辨率；微安级电流精度或毫伏级电压精度；可用于体外脑片刺激和体内奖赏刺激实验。

设备从信号链角度看，本质上是：

控制数字隔离电压输出缓冲放大电流源输出选择开关电极负载

同时它还加入了：

输出电压电流检测回读

整机结构：主控，两个完全隔离输出通道

论文的 Fig. 1 是这篇文章最重要的硬件图；Stimjim 基于 Teensy 3.5，内部是 120 MHz 的 32 位 Arm Cortex-M4F MCU，每个输出通道都有自己的隔离 DC-DC 电源和高速数字隔离器，主控通过隔离后的数字链路控制每个通道。

每个通道内部大概可以分成 6 块：

DAC 产生目标波形，后级选择电压源或电流源，输出端再做电流/电压监测。

就是这两个部分

就是这两个部分

输出模式：电压源、电流源、接地、断开

论文里强调，每个输出通道后面有一个 4-way switch，可以把输出配置成：电流输出；电压输出；输出端接地；输出端断开；对于电刺激系统，输出不工作时不能让电极处于未知浮空状态。接地模式可以让输出端有确定参考；断开模式可以减少对外部系统的干扰。

从仪器设计角度看，这个开关相当于输出路由矩阵：

但是论文 Table 2 里也提到，电压模式的输出阻抗约 180 Ω，这个值来自输出开关器件。

总之这个电压源模式并不是理想低阻抗输出，所以在负载较小时会有明显压降：

例如：

时，

也就是大约 1.77% 输出幅度误差，所以 Stimjim 的电压模式更适合高阻负载，不适合直接驱动很低阻抗负载。

电流源：改进型 Howland Current Pump

论文说电流输出级基于 improved Howland current pump，使用 AMP03 差分放大器，AMP03 内部有四个 25 kΩ 激光修调电阻，外部还用了两个 3 kΩ、0.1% 电阻。

差分就是精调电阻，没跑

差分就是精调电阻，没跑

Howland 电流源的目标是把输入控制电压转换成输出电流：

其中：

是跨导。

改进型 Howland 的关键点是 电阻匹配，如果电阻比不匹配，输出电流会受到负载电压影响，等效输出阻抗下降，电流源就不“恒流”了。

理想情况下，电流源输出电流应该主要由 DAC 控制：

但真实情况下会受到这些因素影响：

：理想电流；

：电阻比例误差导致的负载电压耦合；

：运放失调、DAC 零点误差、漏电流等造成的偏置。

所以论文选择 AMP03 这种内部电阻激光修调的差分放大器，是为了提高电阻匹配度，减少 Howland 电流源的系统误差。

合规电压：Stimjim 最大短板

这篇论文最值得注意的限制是 compliance voltage 合规电压，其中明确说，在电流模式下，对于负载电阻 ，每个通道输出电流不能超过：

也就是说，如果负载电阻越大，最大可输出电流越小；论文也指出，不适合高阻抗电极，例如拉制玻璃电极。两个通道串联时，合规电压可以大约翻倍到 。

几个典型例子：

这解释了为什么论文里说：它可以驱动大约 100 kΩ 的铂铱电极，但不能很好驱动 >1 MΩ 的高阻玻璃电极。

如果自己做电刺激系统来说，这个公式非常关键：

如果后级电流源的合规电压不够，输出电流波形会削顶，变成失真刺激。

DAC 分辨率：电压约 0.45 mV，电流约 0.1 µA

论文 Table 2 给出的最小步进是：

这些是按照 16-bit DAC 输出范围除以分辨率估算的。

对于电压输出，如果全量程大约是 ，总跨度为：

则 16-bit LSB 为：

和论文给出的 0.45 mV 基本一致。

对于电流输出，如果 LSB 是：

则 16-bit 总跨度约为：

如果以双极性输出理解，大概是：

但注意：电流分辨率不等于任何负载下都能输出这么大电流，真正的电流上限仍然受合规电压限制：

比如论文测试时用的是 负载，因此：

这就是为什么论文的电流精度测试主要覆盖到大约 。

噪声指标：适合刺激

论文给出的噪声指标是：

这些是在 50 MHz 带宽示波器上测 100 ms 段得到的，如果把电流模式下的输出电压噪声换算为电流噪声：

峰峰值约：

所以对于几十微安到几百微安的神经刺激脉冲，这个噪声水平通常还能接受；但是对于你之前研究的低噪声精密信号链、基准源测量、微伏级模拟前端来说，它不算低噪声源。

时间性能：20 µs 最短脉冲，微秒级时序

论文 benchmark 部分测试了：

频率：2 Hz 到 4000 Hz；

脉宽：20 µs 到 4000 µs；

电压模式和电流模式同时测试；

使用 NI PCI-6110，以 2 MHz 采样率记录输出。

结果是：IPI，脉冲间隔，最坏误差约 2 µs；PW，脉宽，最坏误差约 10 µs；典型标准差小于 0.5 µs，接近测试设备分辨率；电压幅度最大误差小于 40 mV；电流幅度最大误差小于 2.5 µA。

看得出来强项是 数字定时脉冲刺激，尤其是双相脉冲、脉冲列、频率扫描、幅度扫描。

对于脉冲刺激，最关键的是每相电荷量：

双相电荷平衡要求：

如果正相和负相不平衡，就会产生直流偏置，增加电极极化和安全风险；那Stimjim 的 ADC 监测功能可以帮助确认输出幅值，但它并不是完整的医疗级安全监测系统。

重要缺陷：电压模式有 ADC 读数尖峰

文中提到，在电压脉冲中观察到大约 0.2 V 的高频小尖峰，原因是板载 ADC 读取输出电压时引入了干扰；如果取消 ADC 读输出电压操作，这个尖峰可以消除；电流模式没有同样的尖峰，因为 ADC 读的是电流检测放大器缓冲后的信号，而不是直接读输出端。

我觉得这个现象对做信号链设计很有启发：测量链本身会反过来污染输出链。

所以电刺激硬件里，输出监测不能随便接，需要考虑：

SAR ADC 或复用 ADC 的采样电容会产生瞬态充放电，如果缓冲不够好，就会在输出上形成尖峰。解决方向通常是：输出端监测前加缓冲；ADC 前加 RC 隔离；只在非刺激窗口采样；使用独立 sense path；避免 ADC 采样电容直接扰动刺激输出端。

Stimjim 的电流模式更干净，正是因为 ADC 不是直接读电极端，而是读缓冲后的电流检测信号。

（实验部分不是很懂，不卖弄了，要是有懂的也可以一起交流一下）

和商业设备对比

论文 Table 1 把 Stimjim 和 PulsePal 2、STG400x、PHM-15x、ISO-01B 做了比较，Stimjim 的优势是：成本低；开源；有电流模式；有电压模式；输出隔离；板载测量；最短脉冲 20 µs。

但也有明显短板：

而商业刺激器可能有：

甚至：

所以 Stimjim 更适合低阻到中等阻抗电极，不适合高阻抗微电极或需要较大电流的大阻抗负载。

小结一下

系统架构值得学习：

数字控制隔离输出输出选择电流电压检测回读校验

波形发生层

Stimjim 主要生成脉冲列，如果要做 TI。（这也是一个电刺激技术）

这是我的模拟结果

这是我的模拟结果

通常需要连续正弦或多频正弦：

TI 包络频率为：

所以 TI 更适合用：DDS；FPGA 相位累加器；多通道同步 DAC+共时钟 DAC+以及同步更新 LDAC。

隔离层

Stimjim 每个通道都有独立隔离电源和数字隔离，这个非常值得借鉴；刺激输出不能让 PC、USB、示波器地线直接参与刺激回路，可以设计成：

地刺激通道地

多通道之间也可以隔离：

电流输出层

如果目标是神经刺激，电流源比电压源更常见，因为组织/电极阻抗变化较大，电流源可以让刺激剂量更稳定：

而电压源下：

阻抗一变，电流就变。

但是电流源必须满足：

这就是 Stimjim 的主要限制。

监测层

Stimjim 的 ADC 回读也非常值得借鉴，真正的刺激系统最好同时测：

这样可以实时估计负载阻抗：

也能发现好多测量时候的问题。

后记

我觉得这就是比较好的工作，可以复现，感谢前人让我学习；当然这个论文我只是先介绍一下，真真正正的器件选型和设计还没有开始写，那更加有意思。