可充用的植入式脑深部刺激器及其低功耗设计

摘要：脑深部电刺激作为一种治疗帕金森病的有效的临床治疗方法，已在国内外广泛应用，但是其供电问题却一直是有待解决的技术难题。介绍了一种可充电的植入式脑深部电刺激器系统，并提出了低功耗的解决方案。该系统利用现代电子学测量技术，结合微处理器和无线发射接收技术，从工程上解决了其供电问题。 关键词：脑深部电刺激 帕金森病 低功耗 帕金森病（Parkinson"s Disease——PD）是中老年人神经系统的常见病之一。据估计，我国目前约有110万～150万帕金森病患者。临床上采用的治疗方法有药物治疗和外科手术治疗两种。但人们逐渐发现药物长期应用后疗效减退，并会出现严重的内科治疗难以解决的副作用。目前对PD的外科治疗方法通常是在苍白球或苍白球及其传出纤维的通路上进行毁损或刺激，但毁损术后会出现较多的并发症。而脑深部电刺激术可以起到与毁损术相同的效果，而且是可逆的，因而受到广泛的关注。脑深部刺激器俗称脑起搏器（Deep Brain Stimulator,DBS）。DBS在治疗运行障碍性疾病中已经得到了广泛的应用，是目前最有前途的治疗帕金森病的方法。 目前临床上所使用DBS均为美国美敦力（Medtronic）公司独家生产的产品。该产品最大的缺点在于：植入人体的DBS的供电电池不能从体外为其补充电能，只能一次性使用，其寿命为3～5年。电池电能一旦耗尽，病人只能再次接受手术，取出DBS进行更抽象，既增加了患者的痛苦，又加重了其经济负担。为了克服现有产品的不足，本文介绍了一种可充电的植入式脑深部电刺激器系统，并详细介绍了DBS的组成、关键器件的选择以及低功耗方案，具有很高的经济和社会效益。 图1 1 系统硬件实现 脑深部刺激器由植放皮下的刺激脉冲发生器和体外控制监测器构成。刺激脉冲发生器包括：微控制器模块、刺激脉冲输出模块、电极定位测量模块、无线射频传输模块、电能耦合及电源调理监视模块等。体外控制监测器由微处理器、按键、液晶显示器、无线射频传输模块、电能耦合模块等构成。DBS植入人体后，由体外控制监测器控制其开启和关闭，并控制其刺激脉冲的发生方式。操作者（医生或患者本人）可以通过按键和液晶显示器设置刺激脉冲的幅度、宽度和频率，选择工作电极及其极性。上述参数均由体外控制器通过无线射频传输模块与体内刺激脉冲发生器中的无线射频传输模块进行数据交换和应答完成。当使用者欲知体内脉冲发生器电源的电量情况时，可发出电量测量定命令。当电源电量低于某阈值时，DBS发出报警信息，但此时DBS仍能正常工作。体外控制器可记录充电日期，给出下次充电的预估日期，并在预估日期到来时，给患者以提醒。图1所示为系统的构成框图。 刺激脉冲发生器以低功耗微控制器为核心，通过无线射频传输模块接收体外控制器发来的刺激脉冲参数，据此产生刺激脉冲，并由刺激脉冲输出模块予以输出，刺激脉冲经电极导入至靶区，对靶区神经元产生刺激作用。在这里，通过恰当地选择微控制器的低功耗模块，尽可能地降低其电能的消耗。电极兼备两方面的功能：通常情况下，电极用于输出刺激脉冲；而当需要了解电极位置是否正常时，可将其用于测量电极周期介质的阻抗特性。无线射频传输模块同样采用低功耗设计方案，在满足5米内可靠收发信号的前提下，以尽可能低的功率传递信息。 2 低功耗解决方案 刺激脉冲发生器的低功耗解决方案如下： （1）作为刺激脉冲发生器核心的微处理器选用超低功耗的单片机MSP430系列，自带A/D转换器，另配超低功耗D/A转换器MAX5512。 （2）无线射频通信模块选用XE1201，因是近距离通信，故选择其四种输出功率模式中输出功率最小的一种方式。并且，该模块的供电电源由外部控制其通断，只在进行数据通信时被接通。 2．1 微处理器 微处理器是刺激脉冲发生器的核心器件，因此它关系到系统的整体功耗。这里选择了TI公司推出的一款新型超低功耗单片机MSP430F1222进行控制管理。与其它品牌的单片机相比，该单片机不但具有操作简单、接口方便的优点，更重要的是它还有多种低功耗工作模式（LPM），能够大大地降低系统功耗。 恰当地选择微控制器的低功耗模式，可以降低其电能的消耗。在应用中，将单片机定义在LPM4的模式下，当有中断事件发生时才进入正常模式，这样可以大大降低单片机的功耗。 2．2 无线射频通信模块 无线射频通讯模块采用XEMICS公司生产的RF芯片XE1201。它集无线电发射与接收功能于一身，同时集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制等功能，它超低功耗等优点，并具有外围元件少的特点。可使用总线接口来选择发射、接收与待机三种传输状态。在市场上常见的RF芯片中，XE1201功耗最低。 2．3 系统低功耗 在选定所有器件之后，可以保证每个器件的功耗都是最低的。但是合理安排各个器件的工作状态还有能够进一步降低系统的功耗。主体思路就是在某一期间只启动需要工作的器件，对于不需要工作的器件，应关闭或者使其进入休眠状态。 刺激脉冲发生器要产生强度、频率、脉宽可调的刺激脉冲信号。一般情况下，单片机要控制D/A转换器根据需要产生刺激脉冲信号，但是其实单片机只需在脉冲信号发生电平跳变时工作，其它时间单片机可以片于低功耗模式。这个过程可以通过软件编程实现。当无线射频传输模块需要工作时，它向单牒同申请中断，将单片机唤醒。这样就可以大大节省系统对电源的消耗。 3 系统功耗 在DBS系统的功耗中，使用者只关心刺激脉冲发生器的功耗，因此体外控制监测器的电源更抽象起来较容易。刺激脉冲发生器功耗主要包括单片机的功耗、D/A转换器的功耗和无线射频传输模块的功耗。 对于单片机，大部分时间工作在低功耗模式4，只有在D/A输出脉冲的电平转换时才进入中断服务程序，此时单片机要工作在正常模式。中断服务程序大致占用20μs，而刺激参数设定范围为200～400μs。假设工作和低功耗工作的时间之比为1：10，所以平均电流大致为30μA。对无线传输模块而方，假设每天要设定一次参数，操作时间为5分钟，则平均电流大致为21μA。D/A转换器的功耗约为1μA，三部分的电流加起来为52μA。工作电压为3V，选用1F的法拉电容作为储能元件，大约15天左右要充一次电。 4 电源模块 本设计的优点之一就在于该电源可经皮非接触充电。其中电能耦合模块采用电磁耦合方式接收来自体外的高频电磁场的能量，经电源调理模块调理后，将电能储存于储能元件中。电源监视及报警模块与微控制器相连，对储能元件中的电量进行监测。需要显示监测结果时可通过微控制器控制无线射频传输模块，将监测结果传送给体外控制监测器予以显示。 5 软件结构 系统软件采用全中文的人机对话界面。通过软件部分可完成对系统的刺激参数的设置、参数的运算与显示，自动完成数据与命令的通讯、刺激参数的读取与修改改以及电源报警和计时等工作。与硬件相对应，软件部分也分为刺激脉冲发生器部分和体外控制监测器部分前者完成刺激脉冲发生器的全部功能，包括刺激脉冲的发生、通讯及电源管理等；后者完成刺激参数设置、键盘控制、显示及通讯等功能。体外控制监测器结构相对比较简单，由单片机控制键盘及显示，并控制无线射频传输模块的工作；其参数设置模块的主要功能是把用户输入的刺激信号转换成控制定时器和D/A转换器可以直接使用的数据。刺激脉冲发生器软件功能模块如图2所示。 通讯模块程序完成通讯模块的初始化及按照数据通讯协议进行数据通讯，实现刺激脉冲发生器与外体外控制监测器的快速准确的数据传输。刺激脉冲输出模块实现产生脉冲信号的功能，由预先设定的参数对定时器和D/A转换器进行控制，产生可控的脉冲信号。电源管理模块主要是完成对电源的控制，通过改变控制脉冲的占空比，实现对电源输出电压的控制；同时检测电源的电能，电量不足时报警。参数设置模块的主要功能是把用户输入的刺激信号转换成控制定时器和D/A转换器可以直接使用的数据。体外控制监测器结构相对比较简单，由单片机控制键盘、显示，控制无线射频传输模块的工作。 DBS的功耗是目前最受到关心的问题，它直接关系到仪器使用寿命，文章提出了一种可充电的设计方案。虽然无线收发模块工作时间很短，但是它还是最大的耗能部分，使用更好的无线芯片可以实现更低的功耗。电压分辨率、时间分辨率两个指标主要取决于选择的D/A转换器是8位的，电压分辨率为0.012V。工作时钟为1MHz，定时分辨率为1μs。电压分辨率、时钟分辨率还可以根据需要进一步提高，但是是以牺牲功耗为代价的。