一種可編程無線神經刺激系統的設計與實現

【作 者】張章，余文成，譚燁，曾劍敏，解光軍

1 合肥工業大學電子科學與應用物理學院，合肥市，230009

2 復旦大學信息科學與工程學院，上海市，200433

一種可編程無線神經刺激系統的設計與實現

【作 者】張章1,2，余文成1，譚燁1，曾劍敏1，解光軍1

1 合肥工業大學電子科學與應用物理學院，合肥市，230009

2 復旦大學信息科學與工程學院，上海市，200433

該文提出并設計實現了一種用于神經系統疾病的功能電刺激療法的可編程無線神經刺激系統。系統由控制器和神經刺激器兩部分組成，控制器將脈沖參數經無線傳遞給刺激器，刺激器根據接收到的參數產生電荷平衡的雙向脈沖。通過在刺激器中利用ADC對輸出的雙向脈沖采樣，再將采樣結果與預置的幅值比較微調DAC的輸出，實現電壓校準。經過測試，雙相電荷平衡刺激脈沖輸出準確，脈沖幅值范圍為0～5 V可調；刺激頻率范圍為1～200 Hz可調；脈寬500 μs、1 000 μs、1 500 μs三檔可調；刺激持續時間10 s～10 min可調。

無線傳輸；電荷平衡；電壓校準

0 引言

植入式神經刺激(Implantable Neural Stimulation)是以一定程度的電流脈沖刺激靶點神經，以調整或恢復腦部、神經或肌肉的功能，使癥狀緩解的一種方法[1]。人工耳蝸[2]、人工視覺修復[3]、腦深部電刺激器[4]等均已在臨床上實現，其中人工耳蝸是人體植入裝置中最成功的一個范例[5]。植入式神經電刺激療法已被證實對二十余種神經功能失調疾病具有確切的療效，且安全可逆，正在成為這些疾病的首選治療方案。

刺激器所產生的刺激波形為電荷平衡的雙相脈沖，由陽極相和陰極相組成。陽極相負責去極化組織而引發動作電位，陰極相用來除去在電極和組織中的殘留電荷以減少組織損傷[6]。因此，在慢性電刺激中確保電荷平衡至關重要。圖1為典型的矩形雙向刺激脈沖波形，T1為陽極脈沖寬度，T2為陰極脈沖寬度。為了避免陰極脈沖引起纖維興奮，通常陰極脈沖的電壓幅度要小于陽極脈沖的電壓幅度[7-9]。T3為相間延遲，作用是避免突加的反向刺激脈沖對由陽極相激發的神經沖動在神經纖維上的傳導產生阻礙[10-11]。當V1×T1= V2× T2時，實現電荷平衡。

圖1 典型的雙相刺激脈沖Fig.1 Typical biphasic stimulation pulse

本文提出并設計實現了一種用于神經系統疾病的功能電刺激療法的可編程無線神經刺激系統。該系統由控制器和神經刺激器兩部分組成，神經刺激器產生電荷平衡的雙向脈沖經微電極傳輸來刺激靶點神經，控制器利用無線傳輸將刺激脈沖的脈寬、頻率、幅度、工作時間傳遞給刺激器。采用的刺激波形中陽極脈沖幅度與陰極脈沖幅度之比為V1:V2=4:1，脈寬之比為T1:T2=1:4，符合雙相電荷平衡的要求。

1 系統整體結構

無線神經刺激系統的整體結構框圖如圖2所示，系統包括控制器和神經刺激器。控制器由控制界面、微控制器和無線發射組成，是整個系統的控制中心。控制界面是用Visual Basic編寫的軟件助手，刺激脈沖的參數(幅度、脈寬、頻率)利用RX232串口通信傳送到微控制器，再經過無線發射與接收傳送到刺激器中，微處理器根據接收到的參數來確定數模轉換器(Digital to Analog Converter，DAC)的預設值和開關的導通時間。為了實現電荷平衡，系統利用模數轉換器(Analog to Digital Converter，ADC)采樣輸出的脈沖幅值并將采樣結果與DAC預設值比較形成反饋環路來微調脈沖的輸出幅值。

圖2 系統整體結構框圖Fig.2 Overall block diagram of the system

2 關鍵模塊實現

2.1 雙相平衡刺激脈沖產生電路

為了避免電荷在刺激處的積累對組織造成損害，該刺激器采用雙極性脈沖，并且陽極脈沖和陰極脈沖的面積相同，以保證電荷平衡。圖3為雙向平衡刺激脈沖產生電路，DAC1輸出恒定的電壓值作為陽極脈沖的幅值，DAC2輸出恒定的電壓值作為陰極脈沖的幅值。當電極作用于靶細胞時，電極間的阻抗約為9 kΩ[12]。由于負載很大，需要在DAC的輸出端接入運放，起緩沖與阻抗變換的作用。輸出脈沖的極性是通過四個開關S1-4選擇的。在T1時間內，DAC1輸出幅值為V1的恒定電壓，并且開關S1、S4打開，S2、S3關閉。輸出點a的電位高于輸出點b的電位，則稱T1時間內產生的波形為陽極脈沖。在T2時間內，DAC2輸出幅值為V2的恒定電壓，并且開關S2、S3打開，S1、S3關閉。輸出點a的電位低于輸出點b的電位，則稱T2時間內產生的波形為陰極脈沖。T3時間內，DAC1、DAC2不工作，并且開關S1、S2關閉，S3、S4打開。輸出點a、b相當于短接到地，兩端的電壓為零，則稱這個過程為相間延遲。在實際電路中開關用CMOS實現，開關的導通與關斷時間以及脈沖幅值由 MCU 程序精確調節，并通過ADC采樣輸出脈沖的幅值再反饋到MCU中，從而保證電極的兩個觸點在一個刺激波形的周期內的平均值接近零，以實現電荷平衡。

圖3 雙向平衡刺激脈沖產生電路Fig.3 Biphasic balance stimulation pulse generating circuit

2.2 無線通信設計

由圖2可知，無線通信是連接控制器和神經刺激器的橋梁。控制界面輸入的刺激脈沖參數通過控制器的發射模塊調制發射出去，刺激器的接收模塊經過解調將數據恢復，微控制器根據接收到的數據使脈沖產生電路輸出雙相平衡刺激脈沖。該系統使用的無線通信模塊是挪威Nordic公司推出的單片射頻發射器芯片NRF905[13]，傳輸速率達到50 kbps。

2.3 電壓校準模塊

為了避免電荷積累在刺激處對組織造成損傷，該系統采用雙向平衡刺激脈沖，使得在一個刺激周期內，電極和組織上的凈電荷量接近零，從而保證電荷平衡。而實際電路中由于DAC的輸出誤差和運放的失調電壓會導致電荷不平衡，因此需要電壓校準模塊進行校準，使得雙向刺激脈沖的電荷在可接受的誤差范圍之內。本系統中利用微處理器片內集成的ADC對輸出刺激脈沖進行采樣，微處理器將ADC采樣的數據利用中位值平均濾波法得到刺激脈沖的幅值，然后再將幅值與預置的DAC值比較，自動調節DAC的預置。經過一定的時間，刺激脈沖的幅值與預置的電壓相同，從而實現了電荷平衡。

2.4 控制界面

為了刺激電壓的靈活控制，本文基于 Visual Basic編寫了用戶軟件，便于遠程操作。Visual Basic提供了MSComm(Microsoft Communications Control)控件來支持應用程序對串口的訪問。在應用程序中插入MSComm控件后就可以較為方便地實現對計算機串口收發數據。控制器利用RX232與計算機進行串口通信，實現了將雙相平衡刺激脈沖的所有參數從操作界面傳遞到刺激器中，極大方便了對刺激器輸出脈沖的調控。

3 測試結果與分析

該系統產生的雙向刺激脈沖如圖4所示，示波器的通道一顯示的是陽極脈沖的波形，通道二顯示的是陰極脈沖的波形，中間math通道顯示的是通道一與通道二相減后的波形。從圖中可以看出系統產生的刺激波形符合圖1中描述的典型雙向平衡脈沖。圖4(a)、(b)分別列出了不同頻率、幅值、脈寬的刺激脈沖。由于本文提出并運用了ADC校準技術，使得刺激脈沖的幅值與預設值存在很小的誤差。根據示波器中顯示的參數和測量可知，陽極脈沖和陰極脈沖的幅度之比滿足4:1的關系，脈寬之比也滿足1:4的關系，因此實現了電荷平衡。實物模型和測試平臺如圖5所示。

圖4 測試波形Fig. 4 Measured waveforms

圖5 實物模型與測試平臺Fig. 5 Physical model and test platform

4 結束語

本文設計了一種可編程無線神經刺激系統，實現了輸出兩相電荷平衡的刺激脈沖。在控制界面中設置好的脈沖參數，通過串口和無線通信模塊由電腦傳遞到刺激器。刺激器根據接收到的參數控制DAC輸出相應的刺激脈沖。電壓校準在整個系統中形成反饋，使得輸出的陰極脈沖和陽極脈沖達到電荷平衡的要求。該系統作為板級刺激器模型具有成本低、穩定性強、可靠性高以及操作方便等特點，同時也為集成單片系統(SoC)的實現提供了前瞻性研究。

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Design and lmplementation of a Programmable Wireless Neural Stimulation System

【 Writers 】ZHANG Zhang1,2, YU Wencheng1, TAN Ye1, ZENG Jianmin1, XIE Guangjun1
1 School of Electronics Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei, 230009
2 School of Information Science and Technology, Fudan University, Shanghai, 200433

wireless transmission, charge balance, voltage calibration

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.01.008

1671-7104(2016)01-0030-03

2015-10-15

國家自然科學基金（61404043）；中科院重點實驗室開放課題（IIMDKFJJ-13-06, IIMDKFJJ-14-04）；合肥工業大學中央高校基本科研業務費專項資金資助（2015HGZX0026）

張章，E-mail: zhangzhang@hfut.edu.cn

【 Abstract 】The paper proposes and realizes a programmable wireless neural stimulation system which can be used as a solution of functional electrical stimulation to treat neural diseases. The system is composed of two parts: controller and neural stimulator. The controller can transmit pulse parameters to the stimulator wirelessly, and the stimulator can generate bidirectional pulses with charge balance. The simulator takes use of ADCs to sample on the bidirectional pulse output, which compared with preset amplitude to the DAC output voltage to realize the voltage calibration. Through the test, the whole system works stably and the output of the biphasic charge balanced circuit is definite. The stimulator output ranges from 0 to 5 V ajustably, and the frequency ranges from 1 Hz to 200 Hz ajustably, while the pulse width ranges from 500 μs to 1500 μs ajustably. The duration of the stimulation can be set from 10 s to 10 min.