植入式電刺激系統(tǒng)的研究

摘 要:植入式電刺激系統(tǒng)依據(jù)人體自主的運動機理，通過施加一定的脈沖電刺激信號，達到對癱瘓或衰退的肌肉功能重建或恢復的效果。本文綜述了植入式電刺激系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并對植入式電刺激系統(tǒng)的結構和功能模塊進行了描述。

關鍵詞:植入式 電刺激FPGA Zlgbee協(xié)議

0 引言

電刺激療法是使用低頻電流刺激失去神經(jīng)控制的神經(jīng)、肌肉及其他靶器官，達到防止肌肉萎縮、促進神經(jīng)再生、緩解疼痛、改善器官及肢體功能的方法。隨著微電子技術、通信技術、材料技術以及生物等技術的發(fā)展，電刺激已從傳統(tǒng)的經(jīng)皮刺激逐步發(fā)展到植入式電刺激的階段。與經(jīng)皮電刺激相比，植入式電刺激具有刺激定位準確、治療效果好而刺激電流小、疼痛感輕等優(yōu)點。植入式神經(jīng)電刺激系統(tǒng)的基礎研究，將有助于因脊髓損傷導致的癱瘓、周期性偏頭痛等病的治療，造福于患者。

1 植入式電刺激系統(tǒng)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀

上世紀70年代興起的經(jīng)皮神經(jīng)電刺激是通過皮膚將特定的低頻脈沖電流輸入人體以治療疼痛的電療方法，在直通方面收到較好的效果，得到了廣泛應用。但是這種方法具有定位不準確、刺激信號大小不易控制等缺點。

植入式電刺激技術開始于上世紀80年代末。早期的植入式電刺激系統(tǒng)電路采用分立元件設計，功能簡單、可靠性低。到了90年代初，電刺激系統(tǒng)開始采用CMOS專用集成電路以實現(xiàn)程控邏輯功能，但是其研制費用和風險大，硬件邏輯靈活性差，邏輯功能有限。

90年代中期以來的現(xiàn)代植入式電刺激系統(tǒng)設計多采用帶微處理器的專用集成電路，再和電容、晶振等分立元件一起組成系統(tǒng)電路。如此設計的電路功能強，可靠性高，編程靈活，系統(tǒng)擴展性好。

目前世界范圍內(nèi)研究比較多的植入式電刺激系統(tǒng)有人工耳蝸、膀胱功能恢復、心肌細胞培養(yǎng)以及腦深部電刺激等。

2 植入式電刺激系統(tǒng)設計方案

2.1 系統(tǒng)結構和工作原理植入式電刺激系統(tǒng)主要由兩個部分構成:體外控制器和植入體內(nèi)的刺激器，通過無線通信方式完成兩部分之間的信息傳遞，結構見圖1。系統(tǒng)工作原理是首先，通過體外控制器的按鍵模塊選擇存儲在存儲模塊里的刺激信號波形參數(shù)，然后經(jīng)無線通信模塊向體內(nèi)刺激器發(fā)送刺激信號的波形類型等參數(shù)信息，而體內(nèi)刺激器由無線模塊接收到體外控制器的刺激信號波形的相關參數(shù)后，經(jīng)信號控制模塊產(chǎn)生相應的控制信號指導刺激信號發(fā)生模塊產(chǎn)生頻率、極性、脈寬、強度等可變的刺激信號，最后通過生理電極陣列對神經(jīng)或肌肉進行電刺激，同時體內(nèi)的刺激器可以通過無線通信模塊向體外控制器返回其工作狀態(tài)，并在顯示模塊予以顯示。

2.2 體外控制器的電路設計體外控制器總體上包括微控制器、無線通信模塊、電源管理模塊、存儲模塊、鍵盤以及顯示模塊、RS232串口模塊等部分組成。

2.2.1 控制模塊微控制器選用比較常見的S3C2410。$3C2410處理器是samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0.18um制造工藝的32位微控制器。該處理器擁有:獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口等，可以支持wince、Linux等操作系統(tǒng)。

微控制器主要負責協(xié)調(diào)各個模塊之間的正常工作。其主要工作包括:①通過外圍串口與上位機進行數(shù)據(jù)傳遞:②通過鍵盤選擇并讀取存儲器中預先設置好的刺激信號的波形信息通過無線通信模塊發(fā)送給體內(nèi)刺激器，產(chǎn)生相應的刺激信號，同時將接收到的體內(nèi)刺激器的狀態(tài)信息寫入存儲器;③控制顯示模塊正確顯示刺激信號樣本以及體內(nèi)刺激器的相關狀態(tài)信號。

2.2.2 串口通信模塊采用MAX232電平轉換芯片，與S3C2410自帶的UART接口完成串行通信模塊的硬件電路設計。串行通信模塊主要負責與上位機的通信:上位機通過串口通信模塊將一些預設好的刺激信號波形參數(shù)傳輸至控制模塊，并由控制模塊寫入存儲模塊。

2.2.3 存儲模塊存儲模塊采用型號為K9F6408QOC的NANDFIash，K9F6408QOC是三星公司生產(chǎn)的8Mx8構成、超低電壓型、48腳TBGA封裝、0.15微米制成的閃存芯片，很容易與S3C2410的NAND Flash閃存控制器進行接口。存儲模塊的作用是存儲一些刺激信號波形參數(shù)以及系統(tǒng)工作時的狀態(tài)信息。

2.2.4 無線通信模塊無線通信模塊采用基于Zigbee協(xié)議的無線通信方式，Zigbee是一種低成本、低功耗、低復雜度的無線通信技術。同時Zigbee通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。除此之外，zigbee還采用了碰撞避免策略，為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式。無線收發(fā)芯片選擇MCl3192，它是飛思卡爾公司提供的符合}EEE802，15.4標準的帶數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器的射頻收發(fā)芯片。該芯片性能穩(wěn)定，功耗很低，采用經(jīng)濟高效的CMOS設計，幾乎不需要外部組件，它選擇的工作頻率是2.405—2.480GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用O-QPSK調(diào)試方式。這種功能豐富的雙向2.4GHz無線收發(fā)器帶有一個數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，可以在ZigBee技術應用中使用，它還具有一個優(yōu)化的數(shù)字核心，有助于降低Mcu處理功率，縮短執(zhí)行周期。無線通信模塊的主要作用是將用戶選擇的刺激信號波形信息發(fā)送至體內(nèi)刺激器的無線通信模塊，同時接收體內(nèi)刺激器傳回的一些狀態(tài)信息。

2.2.5 顯示、按鍵以及電源模塊顯示、按鍵部分主要負責向用戶提供一個可操作、可視化的功能界面，用戶可以通過按鍵選擇存儲在存儲器中的刺激信號，同時可以在顯示器上觀察到系統(tǒng)的工作狀態(tài)。電源模塊負責向體外控制器的各個部分提供穩(wěn)定的電壓信號。

2.3 體內(nèi)刺激器的電路設計植入到人體內(nèi)的刺激器電路由無線通信模塊、信號控制模塊、刺激信號發(fā)生模塊、電源模塊以及相應的刺激電極組成。其基本工作過程是:當無線通信模塊接收到體外控制器的控制命令之后，喚醒信號控制模塊，信號控制模塊解析接收到的命令，進而控制刺激信號發(fā)生模塊產(chǎn)生刺激信號，經(jīng)刺激電極對刺激部位進行電刺激。

2.3.1信號控制模塊信號控制模塊控制體內(nèi)刺激器的無線通信模塊和刺激信號發(fā)生模塊的工作，是整個植八式電刺激器的核心。由于植入式電刺激器對功耗要求相當嚴格，所以信號控制模塊通常采用集成度高、低功耗的微處理器及其外圍接口電路組成。

信號控制模塊采用xiIinx公司生產(chǎn)的Virtex-5產(chǎn)品，它采用65nm工藝，與之前的90nm工藝的FPGA相比，速度平均提高了30%，容量增加了65%，動態(tài)功耗降低了35%，使用面積減少了45%。通過硬件描述語言完成電路的設計，可方便地構造出無線通信模塊接口以及刺激信號發(fā)生模塊接口，最主要的是基于FPGA平臺，應用DDS(Direct DiqitaI Frequency Synthesize，直接數(shù)字頻率合成)技術可方便地產(chǎn)生任意所需的刺激信號波形。

2.3.2 無線通信模塊植入式電刺激器通過無線通信的方式與體外控制器進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。由于工作在體內(nèi)，所以對無線通信模塊有低功耗、高可靠性的要求。目前運用在植入式電刺激器上的主要有RF射頻無線通信和基于Zigbee協(xié)議的無線通信方式等。

考慮到功耗以及與體外無線收發(fā)接口等因素，無線通信模塊也采用基于Zjgbee協(xié)議的無線通信方式，同時也采用與體外無線收發(fā)模塊相同的芯片。無線通信模塊的主要作用是接收體外控制器輸入的刺激信號參數(shù)信息，并傳遞給信號控制模塊，同時向體外控制器返回體內(nèi)刺激器的工作狀態(tài)信息。

2.3.3 刺激信號發(fā)生模塊通常生理刺激電極間的人體組織負載電阻在1K到幾十K歐姆之間變化，加之長期單向電刺激會在刺激組織內(nèi)產(chǎn)生極化作用，因此通常采用雙相恒流電刺激…㈣。

刺激信號的產(chǎn)生采用基于FPGA的DDS技術實現(xiàn)。該技術具有頻率分辨率高、變頻速度快、變頻相位連續(xù)、相位噪聲低等優(yōu)點，其幅度、相位、頻率均可通過程序控制。由于FPGA產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)是數(shù)字信號，所以需要經(jīng)過D/A轉換，才能形成刺激信號。在本系統(tǒng)中，D/A轉換器采用MAX530，它是一款低功耗、12位、并行輸入的數(shù)模轉換器。通常情況下，D/A轉換后的信號是單相的，此時需要將單相信號經(jīng)過正相側加法器轉變?yōu)殡p向信號，其電路如圖2-1所示，圖中的運算放大器采用Tl公司生產(chǎn)的單電源供電、微功耗OPA2336PA運放。由于刺激信號是恒流信號，所以在正相側加法器后面還需要加一級壓控恒流源電路。普遍采用如圖2—2所示的雙運放壓控恒流源電路，圖中的運放采用ADI公司生產(chǎn)的低功耗運算放大器0P200GP，其內(nèi)部集成了兩個OP07。

對于不同部位的電刺激，刺激信號的波形也有所不同:對于同一-部位，模仿不同的生理反射的電刺激，刺激信號的波形也有所不同。因此在體外控制器的存儲模塊以及體內(nèi)刺激器的信號控制模塊中需要預先設置一些刺激信號波形，如高頻阻塞式波形、寬脈)中、窄脈沖刺激信號等，如圖2-3所示。

3 植入式電刺激系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

植入式電刺激系統(tǒng)在微電子方面研究的關鍵熱點技術主要有:①植入式天線設計;②低功耗植入式集成電路設計技術;③RF射頻電路的設計技術;④植入式系統(tǒng)的能量供給技術;⑤集成電路中微弱信號的提取技術:⑥各種前沿的數(shù)字信號處理技術的應用;⑦傳感器技術和神經(jīng)電極技術;⑧植入式系統(tǒng)的制作與封裝技術。

隨著微電子技術和微納米技術的高速發(fā)展，集成電路的特征尺寸已進入0.1μm左右的深亞微米階段，電路的規(guī)模從超大規(guī)模發(fā)展到了片上系統(tǒng)(SOC)，相應的植入式電刺激器的設計業(yè)開始朝著以SOC為核心，實現(xiàn)與神經(jīng)信號檢測處理電路和神經(jīng)刺激電路混合集成或單片集成的方向發(fā)展。

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