一種基于MSP430的可充電腦起搏器設(shè)計(jì)方案

　　摘要：腦起搏器是目前治療帕金森病的理想方法，但是目前只有美國Medtronic公司研制并生產(chǎn)腦起搏器，其價(jià)格非常昂貴，電池只能用幾年，而且電池用完之后還需要通過手術(shù)更換內(nèi)部刺激器。提出一種基于MSP430的可充電腦起搏器的設(shè)計(jì)方案，通過經(jīng)皮充電方式解決了電池耗盡問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：帕金森 腦起搏器 MSP430 經(jīng)皮充電 無線通信

　　在運(yùn)動(dòng)障礙性疾病(Movement Disorders)中，帕金森病(Parkinson Disease,PD)以肌張力增高、運(yùn)動(dòng)減少為主要臨床特征，因首先由英國人帕金木(Janes Parkinson)于1817年描述而得名。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國約為120～130萬帕金森病患者，而全世界則有幾千萬患者。帕金森病患病率比較高，是僅次于腦血管病的神經(jīng)系統(tǒng)常見病之一，給患者及其家屬帶來了巨大的痛苦。 現(xiàn)階段帕金森病還沒有非常有效的治療方法，國內(nèi)和國際經(jīng)常使用藥物治療和手術(shù)治療兩種方法，但是都不能達(dá)到治愈的效果，所以治療帕金森病的長遠(yuǎn)目標(biāo)是通過有效地控制癥狀，從而長久地維持病人的日常生活功能。腦深站電刺激(Deep Brain Stimulation,DBS)由于具有可逆及調(diào)等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而成為手術(shù)治療帕金森病的理想方法。該方法療效長，可改善幾乎所有的PD癥狀、延緩PD的發(fā)展，而且不會(huì)損壞大腦，被稱為帕金森病的“綠色治療”。然而全世界只有美國Medtronic一家公司研制生產(chǎn)腦起搏器，價(jià)格非常昂貴(雙側(cè)的手術(shù)要 20萬人民幣)，其電池只能用5～8年，電池耗盡之后必須更換體內(nèi)脈沖發(fā)生器。因此設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高性價(jià)比的腦起搏器并應(yīng)用到臨床上去已經(jīng)成為廣大患者、醫(yī)務(wù)人員及全社會(huì)的共同愿望。 圖1 本方案所設(shè)計(jì)的腦起搏器的主要特點(diǎn)是價(jià)格低、功能強(qiáng)、功耗低、可以體外充電而不用在電池耗盡之后更換內(nèi)部刺激器，因此具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　腦深部電刺激手術(shù)通過發(fā)放弱電脈沖刺激腦內(nèi)控制運(yùn)動(dòng)的特定功能神經(jīng)核團(tuán)(蒼白球腹手側(cè)核、丘腦底核等，即手術(shù)靶點(diǎn))，抑制引起帕金森病癥狀的異常脈神經(jīng)信號(hào)，從而消除帕金森病的癥狀，使患者恢復(fù)自由活動(dòng)和自理能力。 整個(gè)腦起搏器系統(tǒng)由體內(nèi)刺激器和體外遙控器兩部分組成，如圖1所示。植入體內(nèi)的DBS刺激器由脈沖發(fā)生器、延伸導(dǎo)致和腦深部刺激電極三部分組成。脈沖發(fā)生器是系統(tǒng)的核心部分，它的主要功能是產(chǎn)生幅值、頻率、脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)，并經(jīng)過延伸導(dǎo)線和刺激電極刺激靶點(diǎn)。脈沖發(fā)生器由微處理器 MSP430F169、供電電路、通信模塊、信號(hào)倍壓和限頻電路等組成，并由鈦金密封后通過手術(shù)植入鎖骨皮下。延伸導(dǎo)線為一絕緣導(dǎo)線，通過皮下隧道植于頭、頸、肩的皮下，連接植入腦內(nèi)的刺激電極和鎖骨皮下的脈沖發(fā)生器。腦深部刺激電極為一絕緣的細(xì)導(dǎo)線，內(nèi)層由鉑銥材料制成，外層為聚亞安脂保護(hù)外套，在尖端有兩個(gè)電極觸點(diǎn)，應(yīng)用影像設(shè)備和立體定向儀器可將電極植入腦深部的特定位置，將電極固定于顱骨上。 對(duì)于不同的人、不同的神經(jīng)核團(tuán)，需要使用不同幅值、頻率、脈寬的弱電脈沖信號(hào)。所以在手術(shù)過程中以及手術(shù)完成以后，醫(yī)生會(huì)通過遙測(cè)技術(shù)多次對(duì)體內(nèi)的脈沖發(fā)生器進(jìn)行調(diào)控，幫助患者達(dá)到最佳的病狀控制。而這一程控過程主要通過體外遙控器來實(shí)現(xiàn)。另外由于體內(nèi)電源系統(tǒng)在使用一個(gè)階段以后能量會(huì)耗盡，使內(nèi)部刺激器無法正常工作，所以外部遙控器還要具備給內(nèi)部刺激器充電的功能。手術(shù)結(jié)束以后，患者每年需要到醫(yī)院隨訪1～3次，進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)、程序和充電。

　　1.2 脈沖發(fā)生器的組成及工作原理

　　脈沖發(fā)生器是系統(tǒng)的核心部件，它最終通過手術(shù)植入胸部皮膚下面，再經(jīng)皮下通過導(dǎo)線把脈沖發(fā)生器與刺激電極起起來。基于體積和功耗的考慮，選擇美國TI公司生產(chǎn)的高集成度、低功耗的微處理器MSP430F169和短距離單片無線收發(fā)芯片A來實(shí)現(xiàn)。MSP430F169作為內(nèi)部刺激器的控制核心，接收外部遙控器發(fā)出并通過內(nèi)外通信電路傳送的指令，產(chǎn)生電壓、頻率、脈寬和電極可調(diào)的脈沖信號(hào)。其中電壓調(diào)節(jié)范圍為0～10.5V，常用為 1～3.5V，可調(diào)精度為0.1V;頻率調(diào)節(jié)范圍為3～250Hz，常用為130～220Hz，可調(diào)精度為5Hz;脈寬調(diào)節(jié)范圍為60～450μs，常用為60～250μs，可調(diào)精度為30μs。刺激電極采用3.6V電壓工作，而最后需輸出0～10.5V的脈沖信號(hào)，所以MSP430F169的DA輸出端與三倍壓電路相連。當(dāng)輸出電壓幅值設(shè)置為0～3.6V時(shí)，該部分電路停止工作，從而大大降低了系統(tǒng)功耗。為了防止突發(fā)高頻刺激對(duì)病人的危害，專門設(shè)計(jì)了一個(gè)限頻電路，通過硬件的方式將刺激器輸出信號(hào)頻率限定在200pps(Pulse Per Second)以內(nèi)。 MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的高集成度、高精度的單芯片系統(tǒng)(SOC)，是目前工業(yè)界中具有最低功耗的flash 16-bit RISC微控制器。MSP430 F169具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，是一款性價(jià)比極高的單片機(jī)，利用它作系統(tǒng)的控制核心，不僅極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路，還大大提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。 MSP430單片機(jī)集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機(jī)先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)理念，其時(shí)鐘系統(tǒng)提供了豐富的中硬件組合形成。它包括一個(gè)片內(nèi)DCO和兩個(gè)晶體振蕩器，可以產(chǎn)生三種系統(tǒng)適用的時(shí)鐘信號(hào)，支持六種工作方式，有五種低功耗模式，可以通過軟件對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行不同設(shè)置來控制芯片，使它處于不同工作方式，從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最低的功耗并發(fā)揮最優(yōu)的性能，所以該單片機(jī)非常適合腦起搏器的設(shè)計(jì)要求。利用芯片內(nèi)置的自動(dòng)掃描功能，ADC可以不需要中央處理器的協(xié)助而獨(dú)立地工作，從而讓處理器去執(zhí)行其它操作或進(jìn)入省電工作模式。當(dāng)CPU接收到來自遙控器的檢測(cè)刺激器內(nèi)法拉電容的電壓信號(hào)的指令時(shí)，啟動(dòng)ADC，經(jīng)端口6進(jìn)入ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果被自動(dòng)存放在相應(yīng)通道的寄存器中，并通過無線收發(fā)器送到外部遙控器進(jìn)行液晶顯示。MSP430F169產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)DAC12輸出后通過倍壓限頻電路、延伸導(dǎo)線和刺激電極刺激靶點(diǎn)。

　　1.3 外部遙控器的組成及工作原理

　　外部遙控器以為控制核心，采用中文液晶菜單界面，四按鍵控制，為醫(yī)護(hù)人員提供直觀簡(jiǎn)易的操作方式。醫(yī)護(hù)人員只要按照液晶菜單的提示進(jìn)行相應(yīng)的按鍵操作即可。遙控器開機(jī)后，MSP430F149首先對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行編碼和初始化，并準(zhǔn)備接收由醫(yī)護(hù)人員通過按鍵發(fā)送過來的指令，并將這些指令通過外部通信模塊發(fā)送到內(nèi)部通信模塊，經(jīng)解碼后將信號(hào)送至刺激器CPU，然后CPU執(zhí)行相應(yīng)的操作并把執(zhí)行后的結(jié)果送回遙控器顯示窗口。 系統(tǒng)采用COG-MOBI2006-02 LCD模塊，內(nèi)部使用NEC公司生產(chǎn)的uPD16682A控制器，可顯示漢字及圖形，共有21個(gè)引腳，管腳分布如表1所示。采用8位串行數(shù)據(jù)輸入方式，可以使用MSP430F149的USART0模塊對(duì)其進(jìn)行控制，將SI、A0、SCL、/CS1、/RES分別與MSP430F149的 P3.1(SIMO0)、P3.2(SOMI0)、P3.3(SCL)、P3.4、P3.5引腳相連即可。LCD控制器uPD16682A內(nèi)部定義了一組命令，MCU通過向LCD發(fā)送這些命令和數(shù)據(jù)操作LCD，包括顯示開/關(guān)、行地址設(shè)置、列地址設(shè)置、寫數(shù)據(jù)以及電壓控制等。 表1 MOBI2006的管腳分布 管腳號(hào)管腳名說 明管腳號(hào)管腳名說 明 1，21 NC 不連接 2～13 　電壓控制 14 GND 地 15 VCC 電源 16 SI 數(shù)據(jù)輸入 17 SCL 時(shí)鐘 18 A0 數(shù)據(jù)/命令選擇 19 /RES 復(fù)位 20 /CS1 片選　　　外部遙控器為醫(yī)護(hù)人員提供四個(gè)操作按鍵，并利用軟按鍵輪詢技術(shù)將菜單和按鍵組合在一起從而在單一按鍵上實(shí)現(xiàn)不同的功能。菜單包括歡迎菜單、主菜單、次級(jí)菜單等三個(gè)層次，均由液晶顯示提供，每一組菜單都給醫(yī)護(hù)人員提供簡(jiǎn)單直觀的提示。由于系統(tǒng)只有四個(gè)按鍵，所以采用查詢方式的獨(dú)立式按鍵電路，分別占用 MSP430F149的四個(gè)口線。

　　1.4 內(nèi)外通信模塊的組成及工作原理

　　外部遙控器對(duì)內(nèi)部刺激器的控制主要通過內(nèi)外通信模塊實(shí)現(xiàn)。TRF6900A是構(gòu)成內(nèi)外通信模塊的主要器件，是TI公司最新推出的短距離無線射頻芯片。該芯片采用FSK調(diào)制，使用ISP頻段，頻率無需申請(qǐng)，其有效數(shù)據(jù)傳輸距離為100m，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)50kbps，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，體積小，與 MSP430系列單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，從而可以從從節(jié)省電路板空間。圖2是TRF6900A與MSP430F149和MSP430F169的接口示意圖。在內(nèi)部刺激器中，TRF6900A與MSP430F169的P1口相連，利用P1口的中斷功能可實(shí)現(xiàn)低功耗性能;在外部遙控器中，TRF6900A與 MSP430F149的P4口相連即可。

　　1.5 系統(tǒng)供電電路

　　供電是腦起搏器設(shè)計(jì)中的一大技術(shù)難題。為了避免體內(nèi)刺激器電源能量耗盡后必須更換脈沖發(fā)生器帶給患者的痛苦以及節(jié)省巨額費(fèi)用，本方案設(shè)計(jì)的腦起搏器可以進(jìn)行非接觸式充電。患者在手術(shù)后到醫(yī)院隨訪問需要對(duì)體內(nèi)刺激器進(jìn)行電壓檢測(cè)，若電量不足，則由醫(yī)護(hù)人員通過遙控器對(duì)體內(nèi)電池進(jìn)行充電。 該非接觸式經(jīng)皮充電系統(tǒng)是基于線圈耦合的基本原理改造實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)方法是在耦合線圈的輸入端加交流電，輸出端就會(huì)通過與輸入端之間的互感效應(yīng)產(chǎn)生電能。但這種方法需要在鐵氧體等鐵芯片纏繞很多細(xì)導(dǎo)線，這會(huì)在鐵芯生線圈上產(chǎn)生能量損耗，致使輸入的部分電能變成熱量，電源傳輸效率非常低，通常只有 20%～30%;而且由于使用的是細(xì)導(dǎo)線，線圈無法傳輸大電流。

　　經(jīng)改造后的充電系統(tǒng)原理圖如圖3所示。，交流市電通過濾波整流后，由諧振電路提高其頻率再通過線圈耦合的方式傳輸?shù)酱渭?jí)圈，再經(jīng)整流后給法拉電容充電;同時(shí)微處理 器MSP430F169通過內(nèi)部12位ADC檢測(cè)法拉電容電壓，并將該電壓值進(jìn)行編碼，然后通過內(nèi)外通信模塊TRF6900A傳輸?shù)酵獠窟b控器的微處理器MSP430F149，CPU將該電壓編碼值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，若小于該預(yù)設(shè)值則繼續(xù)充電，若達(dá)到該預(yù)設(shè)值則關(guān)閉外部充電電路，充電結(jié)束。 實(shí)驗(yàn)表明，提高輸入交流電的頻率可以達(dá)到與增加線圈匝數(shù)同等的效果。所以本系統(tǒng)采用高頻電能傳送方式，可以大大減少線圈匝數(shù)，節(jié)省內(nèi)部中電路空間。同時(shí)，選NiFe等高性能導(dǎo)體兼容材料作芯，大大降低了鐵芯和線圈造成的損耗，提高了電源傳輸效率。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)腦起搏器的硬件組成，系統(tǒng)軟件分為兩個(gè)部件，如圖4所示。一部分是在外部接受器上運(yùn)行的程序，在結(jié)構(gòu)上分為兩層，上層是與功能相關(guān)的主控模塊和各功能模塊，底層是硬件驅(qū)動(dòng)程序模塊。主控模塊和功能模塊控制整個(gè)程序的流程，當(dāng)需要操作硬件時(shí)調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序提供的接口函數(shù);底層硬件驅(qū)動(dòng)包括液晶驅(qū)動(dòng)程序、按鍵驅(qū)動(dòng)程序和TRF6900通信程序，為上層主控模塊和功能模塊提供接口函數(shù)。另外一部分是在內(nèi)部刺激器上運(yùn)行的程序，主要包括主程序和中斷子程序。其中主程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和工作刺激信號(hào)的產(chǎn)生，中斷子程序主要負(fù)責(zé)從外部遙控器發(fā)送過來的控制信號(hào)的接收、電池電壓信號(hào)及工作記錄信號(hào)的檢測(cè)與發(fā)送以及對(duì)內(nèi)部電池進(jìn)行充電。

　　腦起搏器因其具有療效好、安全性高、可逆、可通過術(shù)后調(diào)整達(dá)到最佳癥狀控制效果和最少副作用等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為治療帕金森病的主要外科手段。在我國，設(shè)計(jì)符合本國國情的腦起搏器已經(jīng)成為眾望所歸。本文提供了一種基于MSP430的可充電腦起搏器的設(shè)計(jì)方案，與國外生產(chǎn)的腦起搏器相比，具有更高的性價(jià)比。