一种基于MSP430的可充电脑起搏器设计方案

摘要：脑起搏器是目前治疗帕金森病的理想方法，但是目前只有美国Medtronic公司研制并生产脑起搏器，其价格非常昂贵，电池只能用几年，而且电池用完之后还需要通过手术更换内部刺激器。提出一种基于MSP430的可充电脑起搏器的设计方案，通过经皮充电方式解决了电池耗尽问题，具有广阔的应用前景。

关键词：帕金森 脑起搏器 MSP430 经皮充电 无线通信

在运动障碍性疾病(Movement Disorders)中，帕金森病(Parkinson Disease,PD)以肌张力增高、运动减少为主要临床特征，因首先由英国人帕金木(Janes Parkinson)于1817年描述而得名。据不完全统计，目前我国约为120～130万帕金森病患者，而全世界则有几千万患者。帕金森病患病率比较高，是仅次于脑血管病的神经系统常见病之一，给患者及其家属带来了巨大的痛苦。 现阶段帕金森病还没有非常有效的治疗方法，国内和国际经常使用药物治疗和手术治疗两种方法，但是都不能达到治愈的效果，所以治疗帕金森病的长远目标是通过有效地控制症状，从而长久地维持病人的日常生活功能。脑深站电刺激(Deep Brain Stimulation,DBS)由于具有可逆及调等独特的优势而成为手术治疗帕金森病的理想方法。该方法疗效长，可改善几乎所有的PD症状、延缓PD的发展，而且不会损坏大脑，被称为帕金森病的“绿色治疗”。然而全世界只有美国Medtronic一家公司研制生产脑起搏器，价格非常昂贵(双侧的手术要 20万人民币)，其电池只能用5～8年，电池耗尽之后必须更换体内脉冲发生器。因此设计和生产高性价比的脑起搏器并应用到临床上去已经成为广大患者、医务人员及全社会的共同愿望。 图1 本方案所设计的脑起搏器的主要特点是价格低、功能强、功耗低、可以体外充电而不用在电池耗尽之后更换内部刺激器，因此具有极为广阔的应用前景。

1 系统硬件设计

1.1 系统总体设计

脑深部电刺激手术通过发放弱电脉冲刺激脑内控制运动的特定功能神经核团(苍白球腹手侧核、丘脑底核等，即手术靶点)，抑制引起帕金森病症状的异常脉神经信号，从而消除帕金森病的症状，使患者恢复自由活动和自理能力。 整个脑起搏器系统由体内刺激器和体外遥控器两部分组成，如图1所示。植入体内的DBS刺激器由脉冲发生器、延伸导致和脑深部刺激电极三部分组成。脉冲发生器是系统的核心部分，它的主要功能是产生幅值、频率、脉宽可调的脉冲信号，并经过延伸导线和刺激电极刺激靶点。脉冲发生器由微处理器 MSP430F169、供电电路、通信模块、信号倍压和限频电路等组成，并由钛金密封后通过手术植入锁骨皮下。延伸导线为一绝缘导线，通过皮下隧道植于头、颈、肩的皮下，连接植入脑内的刺激电极和锁骨皮下的脉冲发生器。脑深部刺激电极为一绝缘的细导线，内层由铂铱材料制成，外层为聚亚安脂保护外套，在尖端有两个电极触点，应用影像设备和立体定向仪器可将电极植入脑深部的特定位置，将电极固定于颅骨上。 对于不同的人、不同的神经核团，需要使用不同幅值、频率、脉宽的弱电脉冲信号。所以在手术过程中以及手术完成以后，医生会通过遥测技术多次对体内的脉冲发生器进行调控，帮助患者达到最佳的病状控制。而这一程控过程主要通过体外遥控器来实现。另外由于体内电源系统在使用一个阶段以后能量会耗尽，使内部刺激器无法正常工作，所以外部遥控器还要具备给内部刺激器充电的功能。手术结束以后，患者每年需要到医院随访1～3次，进行相应的检测、程序和充电。

1.2 脉冲发生器的组成及工作原理

脉冲发生器是系统的核心部件，它最终通过手术植入胸部皮肤下面，再经皮下通过导线把脉冲发生器与刺激电极起起来。基于体积和功耗的考虑，选择美国TI公司生产的高集成度、低功耗的微处理器MSP430F169和短距离单片无线收发芯片A来实现。MSP430F169作为内部刺激器的控制核心，接收外部遥控器发出并通过内外通信电路传送的指令，产生电压、频率、脉宽和电极可调的脉冲信号。其中电压调节范围为0～10.5V，常用为 1～3.5V，可调精度为0.1V;频率调节范围为3～250Hz，常用为130～220Hz，可调精度为5Hz;脉宽调节范围为60～450μs，常用为60～250μs，可调精度为30μs。刺激电极采用3.6V电压工作，而最后需输出0～10.5V的脉冲信号，所以MSP430F169的DA输出端与三倍压电路相连。当输出电压幅值设置为0～3.6V时，该部分电路停止工作，从而大大降低了系统功耗。为了防止突发高频刺激对病人的危害，专门设计了一个限频电路，通过硬件的方式将刺激器输出信号频率限定在200pps(Pulse Per Second