【作 者】劉明碩

創(chuàng)領心律管理醫(yī)療器械（上海）有限公司，上海市，201203

0 引言

心房顫動（房顫）是目前最為常見的慢性心律失常，經(jīng)過醫(yī)學臨床研究，房顫是導致慢性心力衰竭、栓塞和死亡主要元兇之一[1]。此外，房顫的病理生理機制較為復雜，目前主要有自主神經(jīng)調(diào)節(jié)機制、心房形態(tài)學機制、心房電功能機制，其針對性的解決方案也在不斷研究[2]。根據(jù)不同的機制，可將房顫模型主要分為：心房肌組織膜片計算機房顫模型、離體心臟房顫模型、疾病狀態(tài)下動物房顫模型、轉(zhuǎn)基因鼠房顫模型等。其中疾病狀態(tài)下動物房顫模型中又以心房肌電重構(gòu)房顫模型研究較多，快速心房起搏房顫模型是電刺激房顫模型的一種，廣泛用于慢性房顫發(fā)生機制、電生理及結(jié)構(gòu)變化、治療等研究[3-4]。

快速心房起搏房顫模型建立主要通過以下方式：①早期應用體外電刺激器作為快速起搏源，動物需在固定狀態(tài)下進行實驗，無法長時間發(fā)放刺激脈沖誘發(fā)出持續(xù)性房顫[5]。②后期應用植入式神經(jīng)刺激器作為快速起搏源，相對于早期能夠擺脫動物受限問題，但是會面臨心電信號采集和程控刺激器參數(shù)實時通信的新難題，同時由于高成本使得動物試驗樣本較少[6-8]。③目前有一些改進植入式電刺激器引入模型中，主要依賴于2.4 GHz通信，但是該通信會受體內(nèi)組織衰減嚴重和受外部WiFi、藍牙等同頻率干擾，造成數(shù)據(jù)丟失嚴重[9]。因此，需要建立一種抗干擾、穿透強、符合ISM（工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段要求的植入式快速經(jīng)皮起搏系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過433 MHz無線通信，且滿足起搏、采集需求，并加入程控功能，以彌補上述幾種方式帶來的不足。

1 起搏器系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)主要由植入式起搏器、起搏電極、程控頭、數(shù)據(jù)采集和上位機五部分組成，系統(tǒng)框架，如圖1所示。

圖1 起搏器系統(tǒng)框架Fig.1 The diagram of pacemaker system

該起搏器系統(tǒng)設計主要應用房顫模型，因此考慮采集ECG（心電圖）信號進行實時觀測動物狀態(tài)，不采集EGM（心腔內(nèi)電圖）信號。

系統(tǒng)工作原理為：

（1）起搏器通過電極實時采集心電模擬信號，將處理后的數(shù)字信號傳輸至微控制器（MCU），經(jīng)無線通信模塊以幀數(shù)據(jù)格式向外廣播，程控頭接收到數(shù)據(jù)后會把數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)上傳到PC端。

（2）PC端程控軟件會把設置好的起搏參數(shù)通過程控頭無線廣播給起搏器，起搏器在獲取到起搏數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)解析，由起搏模塊把脈沖發(fā)放至心臟，使其響應。

（3）起搏器會通過對通信頻率進行頻分和時分，與程控頭建立星型網(wǎng)絡，以低成本方式滿足在建立動物模型時多樣本量的需求。

主要性能特點：

（1）起搏器需滿足輕量化，體積為5 1 mm×27 mm×12 mm，質(zhì)量小于28 g，能符合600 g及以上動物模型的使用標準。

（2）起搏電極采用不銹鋼結(jié)合鉑銥合金制作，鉑銥合金具有很好的生物相容性，阻抗較小，且在強刺激作用下腐蝕性也很小[10]。其信號為恒壓輸出，矩形脈沖，負極性，強度能大于等于基強度的兩倍，起搏頻率滿足1～50 Hz（60～3 000 bpm）調(diào)節(jié)，脈沖幅度滿足0.1～5 V調(diào)節(jié)，脈沖寬度滿足0.1～2 ms調(diào)節(jié)。

（3）心電采集頻率200 Hz，模擬信號放大倍數(shù)500倍，分辨率12位。

（4）433 MHz無線通信滿足實時廣播采集信號，同時實時接收程控信號，滿足組網(wǎng)要求。

（5）低功耗，由于應用于房顫模型研究，起搏器的輕量化造成產(chǎn)品電池容量有限，滿足180天工作時間，平均功率控制在2.5 mW以下。

2 系統(tǒng)硬件設計

起搏器部分的電路設計是以單片機為主控單元，外圍由電源管理模塊、心電采集模塊、起搏模塊、無線通信模塊等組成。

2.1 主控模塊

主控模塊是采用T I 公司多核結(jié)構(gòu)的CC1310，是一款超低功耗Sub-1GHz無線MCU，128 kB閃存，低工作電壓、高性能主CPU為32位架構(gòu)，在ROM中放置TI-RTOS、驅(qū)動程序、引導加載程序，外設有12位ADC、四個通用定時器、超低功耗時鐘比較器、SPI通信、I2C通信，該款微控制器是集有Arm Cortex-M3、Cortex-M0、傳感器控制器，在性能、Flash、尺寸、GPIO數(shù)量和功耗等方面都能夠滿足產(chǎn)品設計要求。

2.2 起搏模塊

起搏模塊負責發(fā)放起搏脈沖，該模塊是通過TI公司16位的DAC8831實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，主控單元通過SPI接口去設置脈沖幅度的寫入，在供電3 V，參考電壓2.5 V條件下，該芯片功率最低實現(xiàn)15 μW。

2.3 心電采集模塊

心電采集模塊是采用TI公司的INA333儀表放大器實現(xiàn)，共模抑制比可達到100 dB及以上，在3 V供電條件下功率低至150 μW，可通過外部電阻實現(xiàn)1～1 000增益。端口通過TVS二極管，實現(xiàn)浪涌吸收功率高達600 W，保護端口免受強電磁干擾損壞系統(tǒng)，同時設有EMI濾波電容，提高抗干擾RF電磁場干擾性能。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過采集電路處理后通過ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖2 起搏發(fā)放模塊Fig.2 Pacing signal transmitting module

圖3 心電采集模塊框架Fig.3 The diagram of ECG monitoring module

2.4 無線通信模塊

CC1310可工作在ISM頻段，吞吐量可以實現(xiàn)從50 kbps到1.5 Mbps不等，發(fā)射功率可在－10～14 dBm配置。433 MHz無線通信是由CC1310集成的RF核（Cortex-M0）進行處理，RF核可以自主處理無線協(xié)議中對時序要求嚴格的部分，從而減輕主CPU的負擔，在處理多任務過程中會更加有效。無線通信框架，如圖4所示。

圖4 無線通信模塊框架Fig.4 The diagram of wireless communication module

無線通信主要有以下表現(xiàn)：

（1）網(wǎng)絡類型：靈活設計星型網(wǎng)絡配置、定制私有應用層協(xié)議。

（2）無線穩(wěn)健性：433 MHz通常不像2.4 GHz頻帶那樣擁擠。

（3）功耗：自定義的解決方案實現(xiàn)了最佳的潛在功率優(yōu)化。

（4）距離：433 MHz頻帶載波較長，表現(xiàn)傳播距離更長，穿透性更強。

2.5 電源管理模塊

起搏器電池電壓隨放電時間不斷下降，確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作，設計了D C/D C 變換、LDO及基準電壓模塊。電源管理主要應用On Semiconductor公司的MCP702位穩(wěn)壓芯片，電壓輸入范圍2.0 V～5.5 V，輸出電壓精度±2%，最大輸出電流200 mA。CC1310通過AD采樣電池電壓，電池電量會通過無線通信廣播給程控頭中LED顯示。

3 程控頭硬件設計

程控頭功能是負責進行數(shù)據(jù)傳輸和顯示，其主控單元同樣由CC1310組成，并在其外圍設計電源管理模塊、心電數(shù)據(jù)DA轉(zhuǎn)換模塊、USB通信模塊、LED顯示模塊等。

電源管理模塊主要采用TI公司TPS7A89作為LDO，負責為各模塊供應電源。心電信號輸出模塊主要采用TI公司12 位的DAC128，具備多通道同時輸出更新功能。USB通信模塊主要為接收PC終端程控軟件的調(diào)控參數(shù)。LED顯示模塊主要顯示起搏器工作狀態(tài)及電池電量功能。RF通信部分是通過SKY65366射頻前端芯片實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分主要分為：起搏器和程控頭固件、上位機程控軟件。

4.1 固件總體設計

固件設計是依賴TI-RTOS實現(xiàn)，該系統(tǒng)是可擴展的一站式嵌入式工具生態(tài)系統(tǒng)，它可以從實時多任務內(nèi)核（SYS/BIOS）擴展到包括其他中間件組件和設備驅(qū)動程序的完整RTOS。

（1）起搏器的固件流程，如圖5所示。起搏器程序通過外部觸發(fā)開啟后，MCU首先會對底層硬件上電初始化，并通過TI-RTOS對RF核完成星型網(wǎng)絡配置，由于實時系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多任務工作，且MCU還集成有超低功耗的Sensor Controller，可低功耗處理采集的ECG數(shù)據(jù)，因此就可以應用TI-RTOS的低功耗模式（LPM）進行數(shù)據(jù)采集、加密壓縮、數(shù)據(jù)廣播、起搏發(fā)放等多任務搭建。

圖5 起搏器固件流程Fig.5 Pacemaker firmware flow chart

（2）程控頭固件流程，如圖6所示。與起搏器應用相同MCU，在開啟后，仍然通過多任務去實現(xiàn)各個需求。上電開啟后，對系統(tǒng)及相應模塊進行初始化，開啟USB通信任務，實現(xiàn)與上位機程控軟件之間的數(shù)據(jù)交互。在開啟RF通信任務后，由于配置了星型網(wǎng)絡，作為中心節(jié)點的程控頭會通過頻分和時分識別不同起搏器，握手成功后，會對起搏器廣播的數(shù)據(jù)進行解密和解壓，并把處理后的數(shù)據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出到外部數(shù)據(jù)存儲和分析系統(tǒng)中，供用戶進行建模。

圖6 程控頭固件流程Fig.6 Programmer head firmware flowchart

4.2 程控軟件設計

程控軟件部分為上位機終端應用界面，該應用程序主要是實現(xiàn)用戶調(diào)節(jié)起搏的參數(shù)通過USB通信與程控頭交互，把數(shù)據(jù)通過程控頭下發(fā)到起搏器中，以滿足開關、調(diào)節(jié)等程控要求，同時也會讀取起搏器的工作狀態(tài)、電池電量、阻抗測量值等。

5 實驗結(jié)果

系統(tǒng)搭建完成后，為驗證系統(tǒng)性能進行實驗室模擬實驗。用函數(shù)信號發(fā)生器分別輸出2個信號，一個為模擬心電信號，另一個為正弦信號，幅值為1.8 mV，頻率為1 Hz（60 bpm）。把兩個模擬信號作為兩個起搏器的輸入信號，起搏器在采集到信號后通過示波器對程控頭輸出進行檢測，如圖7所示。通過模擬實驗結(jié)果可知，兩個通道輸出信號平均幅值為880 mV，頻率為998.8 MHz，相對誤差分別為幅值2.22%，頻率0.12%。

圖7 模擬信號采集Fig.7 Analog signal acquisition

通過程控軟件設置起搏參數(shù)：幅值1.5 V，周期800 ms，脈寬500 μs。測試起搏信號，如圖8所示。起搏電壓1.68 V，周期803.0 μs，脈寬536.1 μs，相對誤差分別為電壓12%，周期0.38%，脈寬7.22%。

圖8 起搏信號Fig.8 Pacing signal

輸出電容放電時間配置為15 ms，如圖9所示。實際測試結(jié)果：放電時間為15.14 ms，相對誤差為0.93%。

圖9 輸出電容放電時間Fig.9 Output capacitor discharge time

最后通過新西蘭兔對系統(tǒng)原理樣機進行動物試驗，經(jīng)開胸手術(shù)后把起搏電極埋入心臟心耳部位，心外膜起搏試驗，把采集電極一端縫合在動物左腹部皮下，另一端通過皮下隧道方式跨胸縫合在右側(cè)第1肋間皮下，采用II導聯(lián)方式。通過外部數(shù)據(jù)存儲和分析系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行查看，心電采集，如圖10所示。起搏后心電采集，如圖11所示。

圖10 新西蘭兔心電波形Fig.10 New Zealand rabbit ECG waveform

圖11 起搏后新西蘭兔心電采集波形Fig.11 New Zealand rabbit ECG waveform after pacing

6 結(jié)論

本系統(tǒng)在實驗室和動物試驗下可知，可有效彌補以前應用在快速心房起搏房顫模型建立中的一些刺激器設備的不足，尤其通過433 MHz頻段進行無線通信，在組建網(wǎng)絡、信號衰減、通信距離、通信質(zhì)量等主要方面有著更為穩(wěn)定且安全的表現(xiàn)。起搏器系統(tǒng)的設計既可以滿足大型動物模型建立的需求，也可以通過裁剪應用在小型動物模型建立上。

本系統(tǒng)通過高集成和低功耗的表現(xiàn)，不但能夠滿足快速心房起搏房顫模型，還可以通過軟件部分的設計拓展到神經(jīng)刺激等產(chǎn)品應用中。此外也可以通過算法更改，使其應用到體外臨時起搏器等產(chǎn)品中。