可充用的植入式腦深部刺激器及其低功耗設計

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，已在國內外廣泛應用，但是其供電問題卻一直是有待解決的技術難題。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)代電子學測量技術，結合微處理器和無線發(fā)射接收技術，從工程上解決了其供電問題。 關鍵詞：腦深部電刺激 帕金森病 低功耗 帕金森?。≒arkinson"s Disease——PD）是中老年人神經系統(tǒng)的常見病之一。據(jù)估計，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治療兩種。但人們逐漸發(fā)現(xiàn)藥物長期應用后療效減退，并會出現(xiàn)嚴重的內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行毀損或刺激，但毀損術后會出現(xiàn)較多的并發(fā)癥。而腦深部電刺激術可以起到與毀損術相同的效果，而且是可逆的，因而受到廣泛的關注。腦深部刺激器俗稱腦起搏器（Deep Brain Stimulator,DBS）。DBS在治療運行障礙性疾病中已經得到了廣泛的應用，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）公司獨家生產的產品。該產品最大的缺點在于：植入人體的DBS的供電電池不能從體外為其補充電能，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，取出DBS進行更抽象，既增加了患者的痛苦，又加重了其經濟負擔。為了克服現(xiàn)有產品的不足，本文介紹了一種可充電的植入式腦深部電刺激器系統(tǒng)，并詳細介紹了DBS的組成、關鍵器件的選擇以及低功耗方案，具有很高的經濟和社會效益。 圖1 1 系統(tǒng)硬件實現(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、電能耦合模塊等構成。DBS植入人體后，由體外控制監(jiān)測器控制其開啟和關閉，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刺激脈沖發(fā)生器中的無線射頻傳輸模塊進行數(shù)據(jù)交換和應答完成。當使用者欲知體內脈沖發(fā)生器電源的電量情況時，可發(fā)出電量測量定命令。當電源電量低于某閾值時，DBS發(fā)出報警信息，但此時DBS仍能正常工作。體外控制器可記錄充電日期，給出下次充電的預估日期，并在預估日期到來時，給患者以提醒。圖1所示為系統(tǒng)的構成框圖。 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)此產生刺激脈沖，并由刺激脈沖輸出模塊予以輸出，刺激脈沖經電極導入至靶區(qū)，對靶區(qū)神經元產生刺激作用。在這里，通過恰當?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；而當需要了解電極位置是否正常時，可將其用于測量電極周期介質的阻抗特性。無線射頻傳輸模塊同樣采用低功耗設計方案，在滿足5米內可靠收發(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MSP430系列，自帶A/D轉換器，另配超低功耗D/A轉換器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，只在進行數(shù)據(jù)通信時被接通。 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MSP430F1222進行控制管理。與其它品牌的單片機相比，該單片機不但具有操作簡單、接口方便的優(yōu)點，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?shù)剡x擇微控制器的低功耗模式，可以降低其電能的消耗。在應用中，將單片機定義在LPM4的模式下，當有中斷事件發(fā)生時才進入正常模式，這樣可以大大降低單片機的功耗。 2．2 無線射頻通信模塊 無線射頻通訊模塊采用XEMICS公司生產的RF芯片XE1201。它集無線電發(fā)射與接收功能于一身，同時集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調制等功能，它超低功耗等優(yōu)點，并具有外圍元件少的特點。可使用總線接口來選擇發(fā)射、接收與待機三種傳輸狀態(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，可以保證每個器件的功耗都是最低的。但是合理安排各個器件的工作狀態(tài)還有能夠進一步降低系統(tǒng)的功耗。主體思路就是在某一期間只啟動需要工作的器件，對于不需要工作的器件，應關閉或者使其進入休眠狀態(tài)。 刺激脈沖發(fā)生器要產生強度、頻率、脈寬可調的刺激脈沖信號。一般情況下，單片機要控制D/A轉換器根據(jù)需要產生刺激脈沖信號，但是其實單片機只需在脈沖信號發(fā)生電平跳變時工作，其它時間單片機可以片于低功耗模式。這個過程可以通過軟件編程實現(xiàn)。當無線射頻傳輸模塊需要工作時，它向單牒同申請中斷，將單片機喚醒。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的功耗、D/A轉換器的功耗和無線射頻傳輸模塊的功耗。 對于單片機，大部分時間工作在低功耗模式4，只有在D/A輸出脈沖的電平轉換時才進入中斷服務程序，此時單片機要工作在正常模式。中斷服務程序大致占用20μs，而刺激參數(shù)設定范圍為200～400μs。假設工作和低功耗工作的時間之比為1：10，所以平均電流大致為30μA。對無線傳輸模塊而方，假設每天要設定一次參數(shù)，操作時間為5分鐘，則平均電流大致為21μA。D/A轉換器的功耗約為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 本設計的優(yōu)點之一就在于該電源可經皮非接觸充電。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，經電源調理模塊調理后，將電能儲存于儲能元件中。電源監(jiān)視及報警模塊與微控制器相連，對儲能元件中的電量進行監(jiān)測。需要顯示監(jiān)測結果時可通過微控制器控制無線射頻傳輸模塊，將監(jiān)測結果傳送給體外控制監(jiān)測器予以顯示。 5 軟件結構 系統(tǒng)軟件采用全中文的人機對話界面。通過軟件部分可完成對系統(tǒng)的刺激參數(shù)的設置、參數(shù)的運算與顯示，自動完成數(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警和計時等工作。與硬件相對應，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)設置、鍵盤控制、顯示及通訊等功能。體外控制監(jiān)測器結構相對比較簡單，由單片機控制鍵盤及顯示，并控制無線射頻傳輸模塊的工作；其參數(shù)設置模塊的主要功能是把用戶輸入的刺激信號轉換成控制定時器和D/A轉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)議進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)刺激脈沖發(fā)生器與外體外控制監(jiān)測器的快速準確的數(shù)據(jù)傳輸。刺激脈沖輸出模塊實現(xiàn)產生脈沖信號的功能，由預先設定的參數(shù)對定時器和D/A轉換器進行控制，產生可控的脈沖信號。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，實現(xiàn)對電源輸出電壓的控制；同時檢測電源的電能，電量不足時報警。參數(shù)設置模塊的主要功能是把用戶輸入的刺激信號轉換成控制定時器和D/A轉換器可以直接使用的數(shù)據(jù)。體外控制監(jiān)測器結構相對比較簡單，由單片機控制鍵盤、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心的問題，它直接關系到儀器使用壽命，文章提出了一種可充電的設計方案。雖然無線收發(fā)模塊工作時間很短，但是它還是最大的耗能部分，使用更好的無線芯片可以實現(xiàn)更低的功耗。電壓分辨率、時間分辨率兩個指標主要取決于選擇的D/A轉換器是8位的，電壓分辨率為0.012V。工作時鐘為1MHz，定時分辨率為1μs。電壓分辨率、時鐘分辨率還可以根據(jù)需要進一步提高，但是是以犧牲功耗為代價的。