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公司研制并生產腦起搏器，其價格非常昂貴，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，通過經皮充電方式解決了電池耗盡問題，具有廣闊的應用前景。 ;;;; 關鍵詞：帕金森 腦起搏器 MSP430 經皮充電 無線通信在運動障礙性疾?。∕ovement Disorders）中，帕金森?。≒arkinson Disease,PD）以肌張力增高、運動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，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系統(tǒng)常見病之一，給患者及其家屬帶來了巨大的痛苦?，F(xiàn)階段帕金森病還沒有非常有效的治療方法，國內和國際經常使用藥物治療和手術治療兩種方法，但是都不能達到治愈的效果，所以治療帕金森病的長遠目標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）由于具有可逆及調等獨特的優(yōu)勢而成為手術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一家公司研制生產腦起搏器，價格非常昂貴（雙側的手術要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脈沖發(fā)生器。因此設計和生產高性價比的腦起搏器并應用到臨床上去已經成為廣大患者、醫(yī)務人員及全社會的共同愿望。

圖1

;;; 本方案所設計的腦起搏器的主要特點是價格低、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(tǒng)硬件設計1．1 系統(tǒng)總體設計腦深部電刺激手術通過發(fā)放弱電脈沖刺激腦內控制運動的特定功能神經核團（蒼白球腹手側核、丘腦底核等，即手術靶點），抑制引起帕金森病癥狀的異常脈神經信號，從而消除帕金森病的癥狀，使患者恢復自由活動和自理能力。整個腦起搏器系統(tǒng)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(tǒng)的核心部分，它的主要功能是產生幅值、頻率、脈寬可調的脈沖信號，并經過延伸導線和刺激電極刺激靶點。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手術植入鎖骨皮下。延伸導線為一絕緣導線，通過皮下隧道植于頭、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，內層由鉑銥材料制成，外層為聚亞安脂保護外套，在尖端有兩個電極觸點，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。所以在手術過程中以及手術完成以后，醫(yī)生會通過遙測技術多次對體內的脈沖發(fā)生器進行調控，幫助患者達到最佳的病狀控制。而這一程控過程主要通過體外遙控器來實現(xiàn)。另外由于體內電源系統(tǒng)在使用一個階段以后能量會耗盡，使內部刺激器無法正常工作，所以外部遙控器還要具備給內部刺激器充電的功能。手術結束以后，患者每年需要到醫(yī)院隨訪1～3次，進行相應的檢測、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(tǒng)的核心部件，它最終通過手術植入胸部皮膚下面，再經皮下通過導線把脈沖發(fā)生器與刺激電極起起來?；隗w積和功耗的考慮，選擇美國TI公司生產的高集成度、低功耗的微處理器MSP430F169和短距離單片無線收發(fā)芯片TRF6900A來實現(xiàn)。MSP430F169作為內部刺激器的控制核心，接收外部遙控器發(fā)出并通過內外通信電路傳送的指令，產生電壓、頻率、脈寬和電極可調的脈沖信號。其中電壓調節(jié)范圍為0～10.5V，常用為1～3.5V，可調精度為0.1V;頻率調節(jié)范圍為3～250Hz，常用為130～220Hz，可調精度為5Hz；脈寬調節(jié)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