一種基于MSP430的可充電腦起搏器的設計

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(guò)手術(shù)更換內部刺激器。提出一種基于MSP430的可充電腦起搏器的設計方案，通過(guò)經(jīng)皮充電方式解決了電池耗盡問(wèn)題，具有廣闊的應用前景。關(guān)鍵詞：帕金森 腦起搏器 MSP430 經(jīng)皮充電 無(wú)線(xiàn)通信 在運動(dòng)障礙性疾?。∕ovement Disorders）中，帕金森?。≒arkinson Disease,PD）以肌張力增高、運動(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。據不完全統計，目前我國約為120～130萬(wàn)帕金森病患者，而全世界則有幾千萬(wàn)患者。帕金森病患病率比較高，是僅次于腦血管病的神經(jīng)系統常見(jiàn)病之一，給患者及其家屬帶來(lái)了巨大的痛苦。 現階段帕金森病還沒(méi)有非常有效的治療方法，國內和國際經(jīng)常使用藥物治療和手術(shù)治療兩種方法，但是都不能達到治愈的效果，所以治療帕金森病的長(cháng)遠目標是通過(guò)有效地控制癥狀，從而長(cháng)久地維持病人的日常生活功能。腦深站電刺激（Deep Brain Stimulation,DBS）由于具有可逆及調等獨特的優(yōu)勢而成為手術(shù)治療帕金森病的理想方法。該方法療效長(cháng)，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(chēng)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（雙側的手術(shù)要20萬(wàn)人民幣），其電池只能用5～8年，電池耗盡之后必須更換體內脈沖發(fā)生器。因此設計和生產(chǎn)高性?xún)r(jià)比的腦起搏器并應用到臨床上去已經(jīng)成為廣大患者、醫務(wù)人員及全社會(huì )的共同愿望。圖1本方案所設計的腦起搏器的主要特點(diǎn)是價(jià)格低、功能強、功耗低、可以體外充電而不用在電池耗盡之后更換內部刺激器，因此具有極為廣闊的應用前景。 1 系統硬件設計 1．1 系統總體設計 腦深部電刺激手術(shù)通過(guò)發(fā)放弱電脈沖刺激腦內控制運動(dòng)的特定功能神經(jīng)核團（蒼白球腹手側核、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，從而消除帕金森病的癥狀，使患者恢復自由活動(dòng)和自理能力。 整個(gè)腦起搏器系統由體內刺激器和體外遙控器兩部分組成，如圖1所示。植入體內的DBS刺激器由脈沖發(fā)生器、延伸導致和腦深部刺激電極三部分組成。脈沖發(fā)生器是系統的核心部分，它的主要功能是產(chǎn)生幅值、頻率、脈寬可調的脈沖信號，并經(jīng)過(guò)延伸導線(xiàn)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、信號倍壓和限頻電路等組成，并由鈦金密封后通過(guò)手術(shù)植入鎖骨皮下。延伸導線(xiàn)為一絕緣導線(xiàn)，通過(guò)皮下隧道植于頭、頸、肩的皮下，連接植入腦內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導線(xiàn)，內層由鉑銥材料制成，外層為聚亞安脂保護外套，在尖端有兩個(gè)電極觸點(diǎn)，應用影像設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。 對于不同的人、不同的神經(jīng)核團，需要使用不同幅值、頻率、脈寬的弱電脈沖信號。所以在手術(shù)過(guò)程中以及手術(shù)完成以后，醫生會(huì )通過(guò)遙測技術(shù)多次對體內的脈沖發(fā)生器進(jìn)行調控，幫助患者達到最佳的病狀控制。而這一程控過(guò)程主要通過(guò)體外遙控器來(lái)實(shí)現。另外由于體內電源系統在使用一個(gè)階段以后能量會(huì )耗盡，使內部刺激器無(wú)法正常工作，所以外部遙控器還要具備給內部刺激器充電的功能。手術(shù)結束以后，患者每年需要到醫院隨訪(fǎng)1～3次，進(jìn)行相應的檢測、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)生器是系統的核心部件，它最終通過(guò)手術(shù)植入胸部皮膚下面，再經(jīng)皮下通過(guò)導線(xiàn)把脈沖發(fā)生器與刺激電極起起來(lái)?；隗w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(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片TRF6900A來(lái)實(shí)現。MSP430F169作為內部刺激器的控制核心，接收外部遙控器發(fā)出并通過(guò)內外通信電路傳送的指令，產(chǎn)生電壓、頻率、脈寬和電極可調的脈沖信號。其中電壓調節范圍為0～10.5V，常用為1～3.5V，可調精度為0.1V;頻率調節范圍為3～250Hz，常用為130～220Hz，可調精度為5Hz；脈寬調節范圍為60～450μs，常用為60～250μs，可調精度為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，所以MSP430F169的DA輸出端與三倍壓電路相連。當輸出電壓幅值設置為0～3.6V時(shí)，該部分電路停止工作，從而大大降低了系統功耗。為了防止突發(fā)高頻刺激對病人的危害，專(zhuān)門(mén)設計了一個(gè)限頻電路，通過(guò)硬件的方式將刺激器輸出信號頻率限定在200pps(Pulse Per Second)以?xún)取? MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的高集成度、高精度的單芯片系統（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具有豐富的片內外設，是一款性?xún)r(jià)比極高的單片機，利用它作系統的控制核心，不僅極大地簡(jiǎn)化了系統硬件電路，還大大提高了系統的性?xún)r(jià)比。MSP430單片機集中體現了現代單片機先進(jìn)的低功耗設計理念，其時(shí)鐘系統提供了豐富的中硬件組合形成。它包括一個(gè)片內DCO和兩個(gè)晶體振蕩器，可以產(chǎn)生三種系統適用的時(shí)鐘信號，支持六種工作方式，有五種低功耗模式，可以通過(guò)軟件對內部時(shí)鐘系統進(jìn)行不同設置來(lái)控制芯片，使它處于不同工作方式，從而使整個(gè)系統達到最低的功耗并發(fā)揮最優(yōu)的性能，所以該單片機非常適合腦起搏器的設計要求。利用芯片內置的自動(dòng)掃描功能，ADC可以不需要中央處理器的協(xié)助而獨立地工作，從而讓處理器去執行其它操作或進(jìn)入省電工作模式。當CPU接收到來(lái)自遙控器的檢測刺激器內法拉電容的電壓信號的指令時(shí)，啟動(dòng)ADC，經(jīng)端口6進(jìn)入ADC進(jìn)行模/數轉換，轉換的結果被自動(dòng)存放在相應通道的寄存器中，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器送到外部遙控器進(jìn)行液晶顯示。MSP430F169產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)DAC12輸出后通過(guò)倍壓限頻電路、延伸導線(xiàn)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MSP430F149為控制核心，采用中文液晶菜單界面，四按鍵控制，為醫護人員提供直觀(guān)簡(jiǎn)易的操作方式。醫護人員只要按照液晶菜單的提示進(jìn)行相應的按鍵操作即可。遙控器開(kāi)機后，MSP430F149首先對各種參數進(jìn)行編碼和初始化，并準備接收由醫護人員通過(guò)按鍵發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，并將這些指令通過(guò)外部通信模塊TRF6900A發(fā)送到內部通信模塊，經(jīng)解碼后將信號送至刺激器CPU，然后CPU執行相應的操作并把執行后的結果送回遙控器顯示窗口。 系統采用COG-MOBI2006-02 LCD模塊，內部使用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位串行數據輸入方式，可以使用MSP430F149的USART0模塊對其進(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內部定義了一組命令，MCU通過(guò)向LCD發(fā)送這些命令和數據操作LCD，包括顯示開(kāi)/關(guān)、行地址設置、列地址設置、寫(xiě)數據以及電壓控制等。表1 MOBI2006的管腳分布 管腳號管腳名說(shuō) 明管腳號管腳名說(shuō) 明1，21NC不連接2～13　電壓控制14GND地15VCC電源16SI數據輸入17SCL時(shí)鐘18A0數據/命令選擇19/RES復位20/CS1片選　　　外部遙控器為醫護人員提供四個(gè)操作按鍵，并利用軟按鍵輪詢(xún)技術(shù)將菜單和按鍵組合在一起從而在單一按鍵上實(shí)現不同的功能。菜單包括歡迎菜單、主菜單、次級菜單等三個(gè)層次，均由液晶顯示提供，每一組菜單都給醫護人員提供簡(jiǎn)單直觀(guān)的提示。由于系統只有四個(gè)按鍵，所以采用查詢(xún)方式的獨立式按鍵電路，分別占用MSP430F149的四個(gè)口線(xiàn)。 1．4 內外通信模塊的組成及工作原理 外部遙控器對內部刺激器的控制主要通過(guò)內外通信模塊實(shí)現。TRF6900A是構成內外通信模塊的主要器件，是TI公司最新推出的短距離無(wú)線(xiàn)射頻芯片。該芯片采用FSK調制，使用ISP頻段，頻率無(wú)需申請，其有效數據傳輸距離為100m，數據傳輸速率高達50kbps，抗干擾能力強，功耗低，體積小，與MSP430系列單片機接口簡(jiǎn)單，從而可以從從節省電路板空間。圖2是TRF6900A與MSP430F149和MSP430F169的接口示意圖。在內部刺激器中，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 系統供電電路 供電是腦起搏器設計中的一大技術(shù)難題。為了避免體內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省巨額費用，本方案設計的腦起搏器可以進(jìn)行非接觸式充電?；颊咴谑中g(shù)后到醫院隨訪(fǎng)問(wèn)需要對體內刺激器進(jìn)行電壓檢測，若電量不足，則由醫護人員通過(guò)遙控器對體內電池進(jìn)行充電。 該非接觸式經(jīng)皮充電系統是基于線(xiàn)圈耦合的基本原理改造實(shí)現的。傳統方法是在耦合線(xiàn)圈的輸入端加交流電，輸出端就會(huì )通過(guò)與輸入端之間的互感效應產(chǎn)生電能。但這種方法需要在鐵氧體等鐵芯片纏繞很多細導線(xiàn)，這會(huì )在鐵芯生線(xiàn)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導線(xiàn)，線(xiàn)圈無(wú)法傳輸大電流。經(jīng)改造后的充電系統原理圖如圖3所示。，交流市電通過(guò)濾波整流后，由諧振電路提高其頻率再通過(guò)線(xiàn)圈耦合的方式傳輸到次級圈，再經(jīng)整流后給法拉電容充電；同時(shí)微處理 器MSP430F169通過(guò)內部12位ADC檢測法拉電容電壓，并將該電壓值進(jìn)行編碼，然后通過(guò)內外通信模塊TRF6900A傳輸到外部遙控器的微處理器MSP430F149，CPU將該電壓編碼值與預設值進(jìn)行比較，若小于該預設值則繼續充電，若達到該預設值則關(guān)閉外部充電電路，充電結束。 實(shí)驗表明，提高輸入交流電的頻率可以達到與增加線(xiàn)圈匝數同等的效果。所以本系統采用高頻電能傳送方式，可以大大減少線(xiàn)圈匝數，節省內部中電路空間。同時(shí)，選NiFe等高性能導體兼容材料作芯，大大降低了鐵芯和線(xiàn)圈造成的損耗，提高了電源傳輸效率。 2 系統軟件設計 根據腦起搏器的硬件組成，系統軟件分為兩個(gè)部件，如圖4所示。一部分是在外部接受器上運行的程序，在結構上分為兩層，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，當需要操作硬件時(shí)調用硬件驅動(dòng)程序提供的接口函數；底層硬件驅動(dòng)包括液晶驅動(dòng)程序、按鍵驅動(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。另外一部分是在內部刺激器上運行的程序，主要包括主程序和中斷子程序。其中主程序主要負責系統初始化和工作刺激信號的產(chǎn)生，中斷子程序主要負責從外部遙控器發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信號的接收、電池電壓信號及工作記錄信號的檢測與發(fā)送以及對內部電池進(jìn)行充電。 腦起搏器因其具有療效好、安全性高、可逆、可通過(guò)術(shù)后調整達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，設計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計方案，與國外生產(chǎn)的腦起搏器相比，具有更高的性?xún)r(jià)比。