可用于持續性房顫動物模型的無線植入式電刺激和心電采集系統

金勛，張文贊，李毅剛，羅章源，袁志華

1 杰升生物科技(上海)有限公司，上海市，201112

2 上海交通大學醫學院附屬新華醫院，上海市，200093

可用于持續性房顫動物模型的無線植入式電刺激和心電采集系統

【作 者】金勛1，張文贊1，李毅剛2，羅章源1，袁志華1

1 杰升生物科技(上海)有限公司，上海市，201112

2 上海交通大學醫學院附屬新華醫院，上海市，200093

快速心房起搏房顫模型是目前研究最多，應用最廣的慢性房顫動物模型；根據這種經典模型，設計了一種基于無線通信功能的可植入式電刺激和心電采集系統，該文介紹了系統各部分的硬件結構和軟件流程，給出了利用該系統在模擬測試環境和動物試驗中得到的結果。經過動物實驗驗證，該系統可用于引發和實時監測持續性房顫。

房顫；無線通信；植入式；電刺激；心電采集；低功耗

心房顫動（房顫）是臨床上最常見的心律失常，也是增加心血管病發病率和死亡率的重要因素[1]。房顫的電生理機制尚處于爭議之中，目前多認為，房顫可能有多種類型，不同類型房顫的機制可能不同，治療方法上也會有區別[2]。對房顫動物模型的深入研究為我們提供了許多重要認識，依據不同的制備方法，可將房顫動物模型歸納為藥物房顫模型、創傷房顫模型、電刺激房顫模型、缺氧房顫模型、基因工程房顫模型等。快速心房起搏房顫模型是電刺激房顫模型的一種，也是研究最多，應用最廣的房顫動物模型[3]。

目前，快速心房起搏房顫模型通常采用兩種實驗方法。(1) 利用體外電刺激器作為快速起搏源[4-6]，動物活動受到限制，不利于長期的動物實驗，以及誘發持續性房顫。(2) 利用植入式神經刺激器作為快速起搏源[7-9]，雖然這種方法可以避免有線方式帶來的部分問題，但是設置刺激參數困難，同時還需要額外的體外心電圖機或Holter檢測心電，不能隨時、持續、實時地檢測心電，誘發房顫缺乏控制，而且價格昂貴，不適于開展大量動物的比較實驗。如果將電刺激系統和心電采集系統集成到一個小型植入子中，通過無線通信方式調節電刺激波形的參數，同時實時采集心電數據，就能克服有線電刺激方法和植入式神經刺激器方法帶來的弊端。

本文中介紹的植入式電刺激和心電采集系統正是基于上述理論和思想設計的一款體積小巧(56×28×15) mm3、功能完善、價格合理的長期植入式電刺激器。

1 儀器的設計特點及參數

系統的設計框圖，如圖1所示。本系統由植入子、接收控制器、數據采集卡和上位機(PC)等四個部分組成。

為便于在中大型動物(新西蘭兔、比格犬等)上進行在體(in vivo)實驗，要求植入子體積小巧重量輕，可以根據實驗需求埋置在動物體內。植入子具有兩對相互獨立的電極，其中一對電極用于輸出電刺激信號；另一對電極用于采集動物的心電信號。

該植入子具有以下功能和主要技術特點：

(1) 植入子體積小于25 cm3，重量小于30 g。植入子的重量應小于動物體重的5%，因此這一款植入子適合用于體重大于600 g動物的實驗中。

(2) 刺激電極的輸出波形是電流型脈沖序列，輸出電流范圍是(0.1～5) mA(300 Ω生物阻抗下)，電刺激脈沖的頻率可在(1～100) Hz，(60～6 000) 次/min范圍內調節，脈沖寬度可在(0.1～10) ms范圍內調節。脈沖波形是一種帶有電荷補償的不對稱雙相波，這種波形可以有效地防止脈沖引入的靜電荷導致組織損傷[10]。為了防止動物組織會對電刺激產生適應癥，設計不同的刺激模式。

(3) 心電電極采用了醫用不銹鋼導線，可以有效地防止基線漂移。心電信號放大倍數為500倍，通帶頻率范圍在(0.2～40) Hz。心電波形的采樣率為200 Hz，分辨率為12 bit，充分滿足了實驗的要求。以上功能可由操作者通過操作界面設定。

(4) 無線通信部分可以實時傳送心電數據，要求無線通信芯片的數據傳輸速度高，同時實時接收控制器發出的控制和設置信號。

(5) 由于植入子的體積和重量較小，植入子中的電池容量非常有限。為滿足2個月實驗時間的要求，植入子的平均功率應控制在2.5 mW以下。

圖1 系統整體設計框圖Fig.1 Schematic block diagram of the system

2 植入子硬件設計

植入子部分的電路以單片機為核心，外加電源電路模塊、心電放大模塊、電刺激模塊、RF通信模塊等部分組成。

2.1 處理器

單片機采用Microchip公司的PIC18F27J13，它是內置128 kB閃存的低電壓、高性能的8 bit微控制器，片內有12 bitA/D、SPI通信模塊等豐富的功能。這一款單片機在存儲器容量、體積、性能、功能、I/O口數量和功耗等方面都滿足了設計的需求。

目前，嘉興市農村土地流轉的價格水平在53元/公頃左右，據嘉興市農經局記載，2005年，流轉價格平均在20元/公頃，呈現快速增長的趨勢。

2.2 電刺激模塊

電刺激模塊的框圖如圖2所示。刺激電路中的數模轉換器（DAC）中采用了Texas Instruments公司生產的DAC8831，分辨率為16 bit，3 V供電電壓下功率低至15 μW。

圖2 電刺激模塊框圖Fig.2 The diagram of electrical stimulation module

電壓電流轉換電路采用了經典的單電源電壓-電流轉換電路（圖3）。

圖3 電壓-電流轉換和電荷補償電路Fig.3 Voltage-current converting circuit with charge-balancing

2.3 心電放大模塊

心電放大模塊的框圖如圖4所示。儀表放大器采用了Texas Instruments公司的INA321，INA321采用了改進型雙運放儀表放大器結構，共模抑制比（CMRR）達到94 dB，在3 V供電電壓下功率低至120 μW，待機電流小于1 μA。模擬數字轉換利用了單片機中的12 bit ADC模塊，提高了系統集成度。

圖4 心電放大電路框圖Fig.4 The diagram of ECG amplifying circuit

2.4 無線通信模塊

圖5 無線通信模塊框圖Fig.5 The diagram of RF circuit

2.5 電源部分

電源電路采用了安森美公司的NCP698作為主要穩壓芯片，芯片的輸入電壓范圍是(2.8～6.0) V，輸出電壓是2.8 V，最大輸出電流是150 mA，靜態電流小至2.5 μA，因此非常適合用在電池供電的植入子中。

3 接收控制器硬件設計

接收控制器也同樣以單片機為核心，外加電源模塊、RF模塊和心電信號輸出模塊等部分組成。單片機采用Microchip公司的PIC18F26J50，具有USB通信模塊、SPI通信模塊等豐富的功能。電源電路采用了Texas Instruments公司生產的TPS79333。RF通信模塊中，采用了與植入子相同的Texas Instruments公司生產的CC1101，以及射頻前端芯片CC1190。心電輸出模塊中的數模轉換芯片采用了Texas Instruments公司的DAC7616。

4 軟件設計

軟件程序設計包括三個部分，植入子中單片機程序、接收控制器中單片機程序、以及上位機中的用戶界面等。

植入子單片機的程序流程如圖6(a)所示。程序啟動后，單片機首先對片內和片外外設模塊進行初始化，如片內A/D模塊、SPI通信模塊、片外CC1101芯片和DAC8831芯片等，之后開始數據采集和刺激輸出的循環。

圖6 軟件流程圖Fig.6 The software fow chart

體外單片機流程如圖6(b)所示。程序啟動后，單片機首先對片內和片外外設模塊進行初始化，如片內SPI通信模塊、USB通信模塊、片外CC1101芯片和DAC7616芯片等，之后進入USB等待模式，循環監聽USB數據的同時，通過外部中斷監聽射頻通信模塊中是否有對應的心電數據傳送進來。接收到植入子發出的心電數據后，通過數字模擬轉換器輸出心電波形，如有上位機輸入的命令或設置參數，通過無線通信模塊傳送到植入子。

使用者可以通過上位機界面開始或停止電刺激信號，開啟或關閉實時心電采集。刺激信號的電流強度、頻率、占空比、刺激模式，以及間隔刺激中的刺激時間和停止時間等各種參數也可以通過本界面設置。

5 實驗結果

根據動物實驗的檢測結果，發現動物心房組織兩個刺激電極間的阻抗一般在300 Ω左右，在仿真實驗中，為檢測儀器的輸出性能，用500 Ω可變電阻作為負載，測試輸出波形的恒流特性。圖7所示的是刺激系統輸出的刺激時間為1 s，停止時間為3 s的間隔刺激波形。

圖7 間隔刺激波形Fig.7 The shape of interval pulse mode

另外，為評價心電采集模塊的工作情況，把植入子的一端心電電極留置左協腹部皮下，另一端電極通過皮下隧道引至胸骨右側第1肋間皮下，引導狗的體表II導聯心電圖，通過采集卡和分析系統得到的心電波形如圖8所示。

圖8 狗的心電波形Fig.8 The ECG of a dog

6 結論

通過模擬環境實驗和動物實驗證實，本文中介紹的植入式電刺激和心電采集系統運行穩定、安全。它的參數設計符合新西蘭兔、比格犬等中大型動物植入式實驗的要求，刺激模塊的電流型刺激波形輸出穩定性很好，可以有效地對動物進行快速起搏；心電采集模塊能夠實時、準確地采集到動物的心電信號，可以幫助實驗人員很好地判斷刺激產生的效果。在此基礎上正在進行不同應用環境下用于中大型動物植入式電刺激和生物電采集系統的開發。

本系統不僅可以用在持續性動物房顫模型的實驗中，還可以通過調節參數應用到神經、肌肉刺激等廣泛的實驗環境中，為動物實驗的開展提供了很好的可行性方案。

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圖5 EMG、關節角度、足底壓力、肌肉厚度、羽狀角角度信號聯合圖Fig.5 The combined fgure of EMG, joint angle, plantar pressure, muscle thickness, pinnate angle signal

5 討論

本文開發了一個多通道運動信號采集系統，并給出了詳細的軟硬件組成。該系統結構簡單，運行穩定，配合跑步機可以實現被試者在不同步行速度下的超聲圖像、表面肌電信號、關節角度信號、足底壓力信號等四種信號的同步采集和存儲。系統以超聲圖像每幀對應的時間為參照，確定其對應的表面肌電信號、關節角度信號，足底壓力信號。實驗結果表明，該數據采集系統有較高的精確性，滿足實驗研究的需求。

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A Wireless lmplantable Stimulating and ECG Monitoring System for Animal Models of Chronic Atrial Fibrillation

【Writers】Jin Xun1, Zhang Wenzan1, Li Yigang2, Luo Zhangyuan1, Yuan Zhihua1
1 Genix Biotek Science Technology Co. Ltd., Shanghai, 201112
2 Xinhua Hospital Affliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai, 200093

atrial fbrillation, wireless communication, implantable, electrical stimulation, ECG monitoring, low-power

R318.11

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.05.005

1671-7104(2014)05-0329-04

2014-03-10

上海市2011年度“科技創新行動計劃”基礎研究領域科技項目(11JC1408200)；上海市2012年度“科技創新行動計劃”實驗動物專項(12411951900)

李毅剛，博士生導師，E-mail: drliyigang@outlook.com

【 Abstract 】The rapid atrial pacing model is one of the most popular atrial fibrillation animal models. In this paper, a novel implementation of wireless implantable stimulating and ECG monitoring system is described based on the requirements of rapid atrial pacing model. Hardware circuits and software structure of the system are introduced. And test outcomes through in-vitro simulation and in-vivo animal models are presented. Affter verifed by animal tests, the system can be used to initiate and monitor chronic atrial fbriation in real time.