可充用的植入式腦深部刺激器及其低功耗設(shè)計(jì)

摘要：腦深部電刺激作為一種治療帕金森病的有效的臨床治療方法，已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，但是其供電問題卻一直是有待解決的技術(shù)難題。介紹了一種可充電的植入式腦深部電刺激器系統(tǒng)，并提出了低功耗的解決方案。該系統(tǒng)利用現(xiàn)代電子學(xué)測量技術(shù)，結(jié)合微處理器和無線發(fā)射接收技術(shù)，從工程上解決了其供電問題。 關(guān)鍵詞：腦深部電刺激 帕金森病 低功耗 帕金森?。≒arkinson"s Disease——PD）是中老年人神經(jīng)系統(tǒng)的常見病之一。據(jù)估計(jì)，我國目前約有110萬～150萬帕金森病患者。臨床上采用的治療方法有藥物治療和外科手術(shù)治療兩種。但人們逐漸發(fā)現(xiàn)藥物長期應(yīng)用后療效減退，并會出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)科治療難以解決的副作用。目前對PD的外科治療方法通常是在蒼白球或蒼白球及其傳出纖維的通路上進(jìn)行毀損或刺激，但毀損術(shù)后會出現(xiàn)較多的并發(fā)癥。而腦深部電刺激術(shù)可以起到與毀損術(shù)相同的效果，而且是可逆的，因而受到廣泛的關(guān)注。腦深部刺激器俗稱腦起搏器（Deep Brain Stimulator,DBS）。DBS在治療運(yùn)行障礙性疾病中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，是目前最有前途的治療帕金森病的方法。 目前臨床上所使用DBS均為美國美敦力（Medtronic）公司獨(dú)家生產(chǎn)的產(chǎn)品。該產(chǎn)品最大的缺點(diǎn)在于：植入人體的DBS的供電電池不能從體外為其補(bǔ)充電能，只能一次性使用，其壽命為3～5年。電池電能一旦耗盡，病人只能再次接受手術(shù)，取出DBS進(jìn)行更抽象，既增加了患者的痛苦，又加重了其經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。為了克服現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，本文介紹了一種可充電的植入式腦深部電刺激器系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了DBS的組成、關(guān)鍵器件的選擇以及低功耗方案，具有很高的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 圖1 1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 腦深部刺激器由植放皮下的刺激脈沖發(fā)生器和體外控制監(jiān)測器構(gòu)成。刺激脈沖發(fā)生器包括：微控制器模塊、刺激脈沖輸出模塊、電極定位測量模塊、無線射頻傳輸模塊、電能耦合及電源調(diào)理監(jiān)視模塊等。體外控制監(jiān)測器由微處理器、按鍵、液晶顯示器、無線射頻傳輸模塊、電能耦合模塊等構(gòu)成。DBS植入人體后，由體外控制監(jiān)測器控制其開啟和關(guān)閉，并控制其刺激脈沖的發(fā)生方式。操作者（醫(yī)生或患者本人）可以通過按鍵和液晶顯示器設(shè)置刺激脈沖的幅度、寬度和頻率，選擇工作電極及其極性。上述參數(shù)均由體外控制器通過無線射頻傳輸模塊與體內(nèi)刺激脈沖發(fā)生器中的無線射頻傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和應(yīng)答完成。當(dāng)使用者欲知體內(nèi)脈沖發(fā)生器電源的電量情況時(shí)，可發(fā)出電量測量定命令。當(dāng)電源電量低于某閾值時(shí)，DBS發(fā)出報(bào)警信息，但此時(shí)DBS仍能正常工作。體外控制器可記錄充電日期，給出下次充電的預(yù)估日期，并在預(yù)估日期到來時(shí)，給患者以提醒。圖1所示為系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。 刺激脈沖發(fā)生器以低功耗微控制器為核心，通過無線射頻傳輸模塊接收體外控制器發(fā)來的刺激脈沖參數(shù)，據(jù)此產(chǎn)生刺激脈沖，并由刺激脈沖輸出模塊予以輸出，刺激脈沖經(jīng)電極導(dǎo)入至靶區(qū)，對靶區(qū)神經(jīng)元產(chǎn)生刺激作用。在這里，通過恰當(dāng)?shù)剡x擇微控制器的低功耗模塊，盡可能地降低其電能的消耗。電極兼?zhèn)鋬煞矫娴墓δ埽和ǔＧ闆r下，電極用于輸出刺激脈沖；而當(dāng)需要了解電極位置是否正常時(shí)，可將其用于測量電極周期介質(zhì)的阻抗特性。無線射頻傳輸模塊同樣采用低功耗設(shè)計(jì)方案，在滿足5米內(nèi)可靠收發(fā)信號的前提下，以盡可能低的功率傳遞信息。 2 低功耗解決方案 刺激脈沖發(fā)生器的低功耗解決方案如下： （1）作為刺激脈沖發(fā)生器核心的微處理器選用超低功耗的單片機(jī)MSP430系列，自帶A/D轉(zhuǎn)換器，另配超低功耗D/A轉(zhuǎn)換器MAX5512。 （2）無線射頻通信模塊選用XE1201，因是近距離通信，故選擇其四種輸出功率模式中輸出功率最小的一種方式。并且，該模塊的供電電源由外部控制其通斷，只在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)被接通。 2．1 微處理器 微處理器是刺激脈沖發(fā)生器的核心器件，因此它關(guān)系到系統(tǒng)的整體功耗。這里選擇了TI公司推出的一款新型超低功耗單片機(jī)MSP430F1222進(jìn)行控制管理。與其它品牌的單片機(jī)相比，該單片機(jī)不但具有操作簡單、接口方便的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是它還有多種低功耗工作模式（LPM），能夠大大地降低系統(tǒng)功耗。 恰當(dāng)?shù)剡x擇微控制器的低功耗模式，可以降低其電能的消耗。在應(yīng)用中，將單片機(jī)定義在LPM4的模式下，當(dāng)有中斷事件發(fā)生時(shí)才進(jìn)入正常模式，這樣可以大大降低單片機(jī)的功耗。 2．2 無線射頻通信模塊 無線射頻通訊模塊采用XEMICS公司生產(chǎn)的RF芯片XE1201。它集無線電發(fā)射與接收功能于一身，同時(shí)集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制等功能，它超低功耗等優(yōu)點(diǎn)，并具有外圍元件少的特點(diǎn)?？墒褂每偩€接口來選擇發(fā)射、接收與待機(jī)三種傳輸狀態(tài)。在市場上常見的RF芯片中，XE1201功耗最低。 2．3 系統(tǒng)低功耗 在選定所有器件之后，可以保證每個(gè)器件的功耗都是最低的。但是合理安排各個(gè)器件的工作狀態(tài)還有能夠進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗。主體思路就是在某一期間只啟動(dòng)需要工作的器件，對于不需要工作的器件，應(yīng)關(guān)閉或者使其進(jìn)入休眠狀態(tài)。 刺激脈沖發(fā)生器要產(chǎn)生強(qiáng)度、頻率、脈寬可調(diào)的刺激脈沖信號。一般情況下，單片機(jī)要控制D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)需要產(chǎn)生刺激脈沖信號，但是其實(shí)單片機(jī)只需在脈沖信號發(fā)生電平跳變時(shí)工作，其它時(shí)間單片機(jī)可以片于低功耗模式。這個(gè)過程可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)無線射頻傳輸模塊需要工作時(shí)，它向單牒同申請中斷，將單片機(jī)喚醒。這樣就可以大大節(jié)省系統(tǒng)對電源的消耗。 3 系統(tǒng)功耗 在DBS系統(tǒng)的功耗中，使用者只關(guān)心刺激脈沖發(fā)生器的功耗，因此體外控制監(jiān)測器的電源更抽象起來較容易。刺激脈沖發(fā)生器功耗主要包括單片機(jī)的功耗、D/A轉(zhuǎn)換器的功耗和無線射頻傳輸模塊的功耗。 對于單片機(jī)，大部分時(shí)間工作在低功耗模式4，只有在D/A輸出脈沖的電平轉(zhuǎn)換時(shí)才進(jìn)入中斷服務(wù)程序，此時(shí)單片機(jī)要工作在正常模式。中斷服務(wù)程序大致占用20μs，而刺激參數(shù)設(shè)定范圍為200～400μs。假設(shè)工作和低功耗工作的時(shí)間之比為1：10，所以平均電流大致為30μA。對無線傳輸模塊而方，假設(shè)每天要設(shè)定一次參數(shù)，操作時(shí)間為5分鐘，則平均電流大致為21μA。D/A轉(zhuǎn)換器的功耗約為1μA，三部分的電流加起來為52μA。工作電壓為3V，選用1F的法拉電容作為儲能元件，大約15天左右要充一次電。 4 電源模塊 本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之一就在于該電源可經(jīng)皮非接觸充電。其中電能耦合模塊采用電磁耦合方式接收來自體外的高頻電磁場的能量，經(jīng)電源調(diào)理模塊調(diào)理后，將電能儲存于儲能元件中。電源監(jiān)視及報(bào)警模塊與微控制器相連，對儲能元件中的電量進(jìn)行監(jiān)測。需要顯示監(jiān)測結(jié)果時(shí)可通過微控制器控制無線射頻傳輸模塊，將監(jiān)測結(jié)果傳送給體外控制監(jiān)測器予以顯示。 5 軟件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟件采用全中文的人機(jī)對話界面。通過軟件部分可完成對系統(tǒng)的刺激參數(shù)的設(shè)置、參數(shù)的運(yùn)算與顯示，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)與命令的通訊、刺激參數(shù)的讀取與修改改以及電源報(bào)警和計(jì)時(shí)等工作。與硬件相對應(yīng)，軟件部分也分為刺激脈沖發(fā)生器部分和體外控制監(jiān)測器部分前者完成刺激脈沖發(fā)生器的全部功能，包括刺激脈沖的發(fā)生、通訊及電源管理等；后者完成刺激參數(shù)設(shè)置、鍵盤控制、顯示及通訊等功能。體外控制監(jiān)測器結(jié)構(gòu)相對比較簡單，由單片機(jī)控制鍵盤及顯示，并控制無線射頻傳輸模塊的工作；其參數(shù)設(shè)置模塊的主要功能是把用戶輸入的刺激信號轉(zhuǎn)換成控制定時(shí)器和D/A轉(zhuǎn)換器可以直接使用的數(shù)據(jù)。刺激脈沖發(fā)生器軟件功能模塊如圖2所示。 通訊模塊程序完成通訊模塊的初始化及按照數(shù)據(jù)通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)刺激脈沖發(fā)生器與外體外控制監(jiān)測器的快速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸。刺激脈沖輸出模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生脈沖信號的功能，由預(yù)先設(shè)定的參數(shù)對定時(shí)器和D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，產(chǎn)生可控的脈沖信號。電源管理模塊主要是完成對電源的控制，通過改變控制脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)對電源輸出電壓的控制；同時(shí)檢測電源的電能，電量不足時(shí)報(bào)警。參數(shù)設(shè)置模塊的主要功能是把用戶輸入的刺激信號轉(zhuǎn)換成控制定時(shí)器和D/A轉(zhuǎn)換器可以直接使用的數(shù)據(jù)。體外控制監(jiān)測器結(jié)構(gòu)相對比較簡單，由單片機(jī)控制鍵盤、顯示，控制無線射頻傳輸模塊的工作。 DBS的功耗是目前最受到關(guān)心的問題，它直接關(guān)系到儀器使用壽命，文章提出了一種可充電的設(shè)計(jì)方案。雖然無線收發(fā)模塊工作時(shí)間很短，但是它還是最大的耗能部分，使用更好的無線芯片可以實(shí)現(xiàn)更低的功耗。電壓分辨率、時(shí)間分辨率兩個(gè)指標(biāo)主要取決于選擇的D/A轉(zhuǎn)換器是8位的，電壓分辨率為0.012V。工作時(shí)鐘為1MHz，定時(shí)分辨率為1μs。電壓分辨率、時(shí)鐘分辨率還可以根據(jù)需要進(jìn)一步提高，但是是以犧牲功耗為代價(jià)的。