【作 者】張章，余文成，譚燁，曾劍敏，解光軍

1 合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，合肥市，230009

2 復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海市，200433

一種可編程無線神經(jīng)刺激系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【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(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，合肥市，230009

2 復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海市，200433

該文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的功能電刺激療法的可編程無線神經(jīng)刺激系統(tǒng)。系統(tǒng)由控制器和神經(jīng)刺激器兩部分組成，控制器將脈沖參數(shù)經(jīng)無線傳遞給刺激器，刺激器根據(jù)接收到的參數(shù)產(chǎn)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(jié)果與預(yù)置的幅值比較微調(diào)DAC的輸出，實(shí)現(xiàn)電壓校準(zhǔn)。經(jīng)過測試，雙相電荷平衡刺激脈沖輸出準(zhǔn)確，脈沖幅值范圍為0～5 V可調(diào)；刺激頻率范圍為1～200 Hz可調(diào)；脈寬500 μs、1 000 μs、1 500 μs三檔可調(diào)；刺激持續(xù)時(shí)間10 s～10 min可調(diào)。

無線傳輸；電荷平衡；電壓校準(zhǔn)

0 引言

植入式神經(jīng)刺激(Implantable Neural Stimulation)是以一定程度的電流脈沖刺激靶點(diǎn)神經(jīng)，以調(diào)整或恢復(fù)腦部、神經(jīng)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(fù)[3]、腦深部電刺激器[4]等均已在臨床上實(shí)現(xiàn)，其中人工耳蝸是人體植入裝置中最成功的一個(gè)范例[5]。植入式神經(jīng)電刺激療法已被證實(shí)對二十余種神經(jīng)功能失調(diào)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(chǎn)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(fù)責(zé)去極化組織而引發(fā)動(dòng)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(guān)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(fā)的神經(jīng)沖動(dòng)在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)產(chǎn)生阻礙[10-11]。當(dāng)V1×T1= V2× T2時(shí)，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的功能電刺激療法的可編程無線神經(jīng)刺激系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制器和神經(jīng)刺激器兩部分組成，神經(jīng)刺激器產(chǎn)生電荷平衡的雙向脈沖經(jīng)微電極傳輸來刺激靶點(diǎn)神經(jīng)，控制器利用無線傳輸將刺激脈沖的脈寬、頻率、幅度、工作時(shí)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

無線神經(jīng)刺激系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，系統(tǒng)包括控制器和神經(jīng)刺激器?？刂破饔煽刂平缑妗⑽⒖刂破骱蜔o線發(fā)射組成，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心?？刂平缑媸怯肰isual Basic編寫的軟件助手，刺激脈沖的參數(shù)(幅度、脈寬、頻率)利用RX232串口通信傳送到微控制器，再經(jīng)過無線發(fā)射與接收傳送到刺激器中，微處理器根據(jù)接收到的參數(shù)來確定數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，DAC)的預(yù)設(shè)值和開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)電荷平衡，系統(tǒng)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，ADC)采樣輸出的脈沖幅值并將采樣結(jié)果與DAC預(yù)設(shè)值比較形成反饋環(huán)路來微調(diào)脈沖的輸出幅值。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Overall block diagram of the system

2 關(guān)鍵模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 雙相平衡刺激脈沖產(chǎn)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(chǎn)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(dāng)電極作用于靶細(xì)胞時(shí)，電極間的阻抗約為9 kΩ[12]。由于負(fù)載很大，需要在DAC的輸出端接入運(yùn)放，起緩沖與阻抗變換的作用。輸出脈沖的極性是通過四個(gè)開關(guān)S1-4選擇的。在T1時(shí)間內(nèi)，DAC1輸出幅值為V1的恒定電壓，并且開關(guān)S1、S4打開，S2、S3關(guān)閉。輸出點(diǎn)a的電位高于輸出點(diǎn)b的電位，則稱T1時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的波形為陽極脈沖。在T2時(shí)間內(nèi)，DAC2輸出幅值為V2的恒定電壓，并且開關(guān)S2、S3打開，S1、S3關(guān)閉。輸出點(diǎn)a的電位低于輸出點(diǎn)b的電位，則稱T2時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的波形為陰極脈沖。T3時(shí)間內(nèi)，DAC1、DAC2不工作，并且開關(guān)S1、S2關(guān)閉，S3、S4打開。輸出點(diǎn)a、b相當(dāng)于短接到地，兩端的電壓為零，則稱這個(gè)過程為相間延遲。在實(shí)際電路中開關(guān)用CMOS實(shí)現(xiàn)，開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間以及脈沖幅值由 MCU 程序精確調(diào)節(jié)，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(gè)觸點(diǎn)在一個(gè)刺激波形的周期內(nèi)的平均值接近零，以實(shí)現(xiàn)電荷平衡。

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

2.2 無線通信設(shè)計(jì)

由圖2可知，無線通信是連接控制器和神經(jīng)刺激器的橋梁。控制界面輸入的刺激脈沖參數(shù)通過控制器的發(fā)射模塊調(diào)制發(fā)射出去，刺激器的接收模塊經(jīng)過解調(diào)將數(shù)據(jù)恢復(fù)，微控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)使脈沖產(chǎn)生電路輸出雙相平衡刺激脈沖。該系統(tǒng)使用的無線通信模塊是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片NRF905[13]，傳輸速率達(dá)到50 kbps。

2.3 電壓校準(zhǔn)模塊

為了避免電荷積累在刺激處對組織造成損傷，該系統(tǒng)采用雙向平衡刺激脈沖，使得在一個(gè)刺激周期內(nèi)，電極和組織上的凈電荷量接近零，從而保證電荷平衡。而實(shí)際電路中由于DAC的輸出誤差和運(yùn)放的失調(diào)電壓會導(dǎo)致電荷不平衡，因此需要電壓校準(zhǔn)模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，使得雙向刺激脈沖的電荷在可接受的誤差范圍之內(nèi)。本系統(tǒng)中利用微處理器片內(nèi)集成的ADC對輸出刺激脈沖進(jìn)行采樣，微處理器將ADC采樣的數(shù)據(jù)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(yù)置的DAC值比較，自動(dòng)調(diào)節(jié)DAC的預(yù)置。經(jīng)過一定的時(shí)間，刺激脈沖的幅值與預(yù)置的電壓相同，從而實(shí)現(xiàn)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(yuǎn)程操作。Visual Basic提供了MSComm(Microsoft Communications Control)控件來支持應(yīng)用程序?qū)Υ诘脑L問。在應(yīng)用程序中插入MSComm控件后就可以較為方便地實(shí)現(xiàn)對計(jì)算機(jī)串口收發(fā)數(shù)據(jù)?？刂破骼肦X232與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信，實(shí)現(xiàn)了將雙相平衡刺激脈沖的所有參數(shù)從操作界面?zhèn)鬟f到刺激器中，極大方便了對刺激器輸出脈沖的調(diào)控。

3 測試結(jié)果與分析

該系統(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)產(chǎn)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(yùn)用了ADC校準(zhǔn)技術(shù)，使得刺激脈沖的幅值與預(yù)設(shè)值存在很小的誤差。根據(jù)示波器中顯示的參數(shù)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(guān)系，脈寬之比也滿足1:4的關(guān)系，因此實(shí)現(xiàn)了電荷平衡。實(shí)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(shí)物模型與測試平臺Fig. 5 Physical model and test platform

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種可編程無線神經(jīng)刺激系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輸出兩相電荷平衡的刺激脈沖。在控制界面中設(shè)置好的脈沖參數(shù)，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(jù)接收到的參數(shù)控制DAC輸出相應(yīng)的刺激脈沖。電壓校準(zhǔn)在整個(gè)系統(tǒng)中形成反饋，使得輸出的陰極脈沖和陽極脈沖達(dá)到電荷平衡的要求。該系統(tǒng)作為板級刺激器模型具有成本低、穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高以及操作方便等特點(diǎn)，同時(shí)也為集成單片系統(tǒng)(SoC)的實(shí)現(xiàn)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(xué)基金（61404043）；中科院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（IIMDKFJJ-13-06, IIMDKFJJ-14-04）；合肥工業(yè)大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)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.