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(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用，但是其供電問(wèn)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(cè)量技術(shù)，結(jié)合微處理器和無(wú)線發(fā)射接收技術(shù)，從工程上解決了其供電問(wèn)題。 關(guān)鍵詞：腦深部電刺激 帕金森病 低功耗 帕金森病（Parkinson"s Disease——PD）是中老年人神經(jīng)系統(tǒng)的常見(jiàn)病之一。據(jù)估計(jì)，我國(guó)目前約有110萬(wàn)～150萬(wàn)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(zhǎng)期應(yīng)用后療效減退，并會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)科治療難以解決的副作用。目前對(duì)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(huì)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(chēng)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(guó)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(huì)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(cè)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(cè)量模塊、無(wú)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(cè)器由微處理器、按鍵、液晶顯示器、無(wú)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(cè)器控制其開(kāi)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(guò)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(guò)無(wú)線射頻傳輸模塊與體內(nèi)刺激脈沖發(fā)生器中的無(wú)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(cè)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(lái)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(guò)無(wú)線射頻傳輸模塊接收體外控制器發(fā)來(lái)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(duì)靶區(qū)神經(jīng)元產(chǎn)生刺激作用。在這里，通過(guò)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(cè)量電極周期介質(zhì)的阻抗特性。無(wú)線射頻傳輸模塊同樣采用低功耗設(shè)計(jì)方案，在滿(mǎn)足5米內(nèi)可靠收發(fā)信號(hào)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(wú)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(jiǎn)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(wú)線射頻通信模塊 無(wú)線射頻通訊模塊采用XEMICS公司生產(chǎn)的RF芯片XE1201。它集無(wú)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)。可使用總線接口來(lái)選擇發(fā)射、接收與待機(jī)三種傳輸狀態(tài)。在市場(chǎng)上常見(jiàn)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(duì)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(hào)。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(hào)，但是其實(shí)單片機(jī)只需在脈沖信號(hào)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(guò)程可以通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)無(wú)線射頻傳輸模塊需要工作時(shí)，它向單牒同申請(qǐng)中斷，將單片機(jī)喚醒。這樣就可以大大節(jié)省系統(tǒng)對(duì)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(cè)器的電源更抽象起來(lái)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(wú)線射頻傳輸模塊的功耗。 對(duì)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(duì)無(wú)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(lái)為52μA。工作電壓為3V，選用1F的法拉電容作為儲(chǔ)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(lái)自體外的高頻電磁場(chǎng)的能量，經(jīng)電源調(diào)理模塊調(diào)理后，將電能儲(chǔ)存于儲(chǔ)能元件中。電源監(jiān)視及報(bào)警模塊與微控制器相連，對(duì)儲(chǔ)能元件中的電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。需要顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)可通過(guò)微控制器控制無(wú)線射頻傳輸模塊，將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳送給體外控制監(jiān)測(cè)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(duì)話(huà)界面。通過(guò)軟件部分可完成對(duì)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(duì)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(cè)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(pán)控制、顯示及通訊等功能。體外控制監(jiān)測(cè)器結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，由單片機(jī)控制鍵盤(pán)及顯示，并控制無(wú)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(hù)輸入的刺激信號(hào)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(cè)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(hào)的功能，由預(yù)先設(shè)定的參數(shù)對(duì)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(hào)。電源管理模塊主要是完成對(duì)電源的控制，通過(guò)改變控制脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出電壓的控制；同時(shí)檢測(cè)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(hù)輸入的刺激信號(hào)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(cè)器結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，由單片機(jī)控制鍵盤(pán)、顯示，控制無(wú)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(wèn)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(wú)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(wú)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。