一種基于MSP430的可充電腦起搏器的設(shè)計(jì)

;;;;;; 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手術(shù)更換內(nèi)部刺激器。提出一種基于MSP430的可充電腦起搏器的設(shè)計(jì)方案，通過經(jīng)皮充電方式解決了電池耗盡問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。 ;;;; 關(guān)鍵詞：帕金森 腦起搏器 MSP430 經(jīng)皮充電 無線通信在運(yùn)動(dòng)障礙性疾?。∕ovement Disorders）中，帕金森?。≒arkinson Disease,PD）以肌張力增高、運(yùn)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(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(jīng)系統(tǒng)常見病之一，給患者及其家屬帶來了巨大的痛苦。現(xiàn)階段帕金森病還沒有非常有效的治療方法，國內(nèi)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(dá)到治愈的效果，所以治療帕金森病的長遠(yuǎn)目標(biāo)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(diào)等獨(dú)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，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(cè)的手術(shù)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(nèi)脈沖發(fā)生器。因此設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高性價(jià)比的腦起搏器并應(yīng)用到臨床上去已經(jīng)成為廣大患者、醫(yī)務(wù)人員及全社會(huì)的共同愿望。

圖1

;;; 本方案所設(shè)計(jì)的腦起搏器的主要特點(diǎn)是價(jià)格低、功能強(qiáng)、功耗低、可以體外充電而不用在電池耗盡之后更換內(nèi)部刺激器，因此具有極為廣闊的應(yīng)用前景。1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)腦深部電刺激手術(shù)通過發(fā)放弱電脈沖刺激腦內(nèi)控制運(yùn)動(dòng)的特定功能神經(jīng)核團(tuán)（蒼白球腹手側(cè)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(hào)，從而消除帕金森病的癥狀，使患者恢復(fù)自由活動(dòng)和自理能力。整個(gè)腦起搏器系統(tǒng)由體內(nèi)刺激器和體外遙控器兩部分組成，如圖1所示。植入體內(nèi)的DBS刺激器由脈沖發(fā)生器、延伸導(dǎo)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(chǎn)生幅值、頻率、脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)，并經(jīng)過延伸導(dǎo)線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(hào)倍壓和限頻電路等組成，并由鈦金密封后通過手術(shù)植入鎖骨皮下。延伸導(dǎo)線為一絕緣導(dǎo)線，通過皮下隧道植于頭、頸、肩的皮下，連接植入腦內(nèi)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(xì)導(dǎo)線，內(nèi)層由鉑銥材料制成，外層為聚亞安脂保護(hù)外套，在尖端有兩個(gè)電極觸點(diǎn)，應(yīng)用影像設(shè)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(tuán)，需要使用不同幅值、頻率、脈寬的弱電脈沖信號(hào)。所以在手術(shù)過程中以及手術(shù)完成以后，醫(yī)生會(huì)通過遙測技術(shù)多次對體內(nèi)的脈沖發(fā)生器進(jìn)行調(diào)控，幫助患者達(dá)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(shí)現(xiàn)。另外由于體內(nèi)電源系統(tǒng)在使用一個(gè)階段以后能量會(huì)耗盡，使內(nèi)部刺激器無法正常工作，所以外部遙控器還要具備給內(nèi)部刺激器充電的功能。手術(shù)結(jié)束以后，患者每年需要到醫(yī)院隨訪1～3次，進(jìn)行相應(yīng)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(shù)植入胸部皮膚下面，再經(jīng)皮下通過導(dǎo)線把脈沖發(fā)生器與刺激電極起起來。基于體積和功耗的考慮，選擇美國TI公司生產(chǎn)的高集成度、低功耗的微處理器MSP430F169和短距離單片無線收發(fā)芯片TRF6900A來實(shí)現(xiàn)。MSP430F169作為內(nèi)部刺激器的控制核心，接收外部遙控器發(fā)出并通過內(nèi)外通信電路傳送的指令，產(chǎn)生電壓、頻率、脈寬和電極可調(diào)的脈沖信號(hào)。其中電壓調(diào)節(jié)范圍為0～10.5V，常用為1～3.5V，可調(diào)精度為0.1V;頻率調(diào)節(jié)范圍為3～250Hz，常用為130～220Hz，可調(diào)精度為5Hz；脈寬調(diào)節(jié)范圍為60～450μs，常用為60～250μs，可調(diào)精度為30μs。刺激電極采用3.6V電壓工作，而最后需輸出0