在運動障礙性疾病(Movement Disorders)中, 帕金森病(Parkinson Disease, PD)以肌張力增高,、運動減少為主要臨床特征，因首先由英國人帕金森（Janes Parkinson）于1817年描述而得名,。據(jù)不完全統(tǒng)計,，目前我國約有120～130萬帕金森病患者，而全世界則有幾千萬患者,。帕金森病患病率比較高,，是僅次于腦血管病的神經(jīng)系統(tǒng)常見病之一，給患者及其家屬帶來了巨大的痛苦,。
　　現(xiàn)階段帕金森病還沒有非常有效的治療方法,，國內(nèi)和國際經(jīng)常使用藥物治療和手術(shù)治療兩種方法，但是都不能達到治愈的效果,，所以治療帕金森病的長遠目標是通過有效地控制癥狀,，從而長久地維持病人的日常生活功能。腦深部電刺激（Deep Brain Stimulation, DBS）由于具有可逆及可調(diào)" title="可調(diào)">可調(diào)等獨特的優(yōu)勢而成為手術(shù)治療帕金森病的理想方法,。該方法療效長,，可改善幾乎所有的PD癥狀、延緩PD的發(fā)展,，而且不會損壞大腦,，被稱為帕金森病的“綠色治療”。然而全世界只有美國Medtronic一家公司研制并生產(chǎn)腦起搏器,，價格非常昂貴（雙側(cè)的手術(shù)要20萬人民幣）,，其電池只能用5～8年,，電池耗盡之后必須更換體內(nèi)脈沖發(fā)生器" title="脈沖發(fā)生器">脈沖發(fā)生器。因此設(shè)計和生產(chǎn)高性價比的腦起搏器并應(yīng)用到臨床上去已經(jīng)成為廣大患者,、醫(yī)務(wù)人員及全社會的共同愿望,。
　　本方案所設(shè)計的腦起搏器的主要特點是價格低、功能強,、功耗低、可以體外充電而不用在電池耗盡之后更換內(nèi)部刺激器,，因此具有極為廣闊的應(yīng)用前景。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1?系統(tǒng)總體設(shè)計
　　腦深部電刺激手術(shù)通過發(fā)放弱電脈沖刺激腦內(nèi)控制運動的特定功能神經(jīng)核團（蒼白球腹后側(cè)核,、丘腦底核等，即手術(shù)靶點）,，抑制引起帕金森病癥狀的異常腦神經(jīng)信號,，從而消除帕金森病的癥狀，使患者恢復(fù)自由活動和自理能力,。
　　整個腦起搏器系統(tǒng)由體內(nèi)刺激器和體外遙控器兩部分組成,，如圖1所示。植入體內(nèi)的DBS刺激器由脈沖發(fā)生器,、延伸導線和腦深部刺激電極三部分組成,。脈沖發(fā)生器是系統(tǒng)的核心部分，它的主要功能是產(chǎn)生幅值,、頻率,、脈寬可調(diào)的脈沖信號" title="脈沖信號">脈沖信號，并經(jīng)過延伸導線和刺激電極刺激靶點,。脈沖發(fā)生器由微處理器MSP430F169,、供電電路、通信模塊" title="通信模塊">通信模塊,、信號倍壓和限頻電路等組成,，并由鈦金密封后通過手術(shù)植入鎖骨皮下。延伸導線為一絕緣導線,，通過皮下隧道植于頭,、頸、肩的皮下,，連接植入腦內(nèi)的刺激電極和鎖骨皮下的脈沖發(fā)生器,。腦深部刺激電極為一絕緣的細導線，內(nèi)層由鉑銥材料制成，外層為聚亞安脂保護外套,，在尖端有兩個電極觸點，應(yīng)用影像設(shè)備和立體定向儀器可將電極植入腦深部的特定位置,，將電極固定于顱骨上。

　　對于不同的病人,、不同的神經(jīng)核團,，需要使用不同幅值,、頻率、脈寬的弱電脈沖信號,。所以在手術(shù)過程中以及手術(shù)完成以后,，醫(yī)生會通過遙測技術(shù)多次對體內(nèi)的脈沖發(fā)生器進行調(diào)控，幫助患者達到最佳的癥狀控制,。而這一程控過程主要通過體外遙控器來實現(xiàn),。另外由于體內(nèi)電源系統(tǒng)在使用一個階段以后能量會耗盡，使內(nèi)部刺激器無法正常工作,，所以外部遙控器還要具備給內(nèi)部刺激器充電的功能,。手術(shù)結(jié)束以后，患者每年需要到醫(yī)院隨訪1～3次,，進行相應(yīng)的檢測,、程控和充電。
1.2?脈沖發(fā)生器的組成及工作原理
　　脈沖發(fā)生器是系統(tǒng)的核心部件,，它最終通過手術(shù)植入胸部皮膚下面,，再經(jīng)皮下通過導線把脈沖發(fā)生器與刺激電極連起來?；隗w積和功耗的考慮,，選擇美國TI公司生產(chǎn)的高集成度、低功耗的微處理器MSP430F169和短距離單片無線收發(fā)芯片TRF6900A來實現(xiàn),。MSP430F169作為內(nèi)部刺激器的控制核心,，接收外部遙控器發(fā)出并通過內(nèi)外通信電路傳送的指令，產(chǎn)生電壓,、頻率,、脈寬和電極可調(diào)的脈沖信號。其中電壓調(diào)節(jié)范圍為0～10.5V，常用為1～3.5V,，可調(diào)精度為0.1V,；頻率調(diào)節(jié)范圍為3～250Hz，常用為130～220Hz,，可調(diào)精度為5Hz,；脈寬調(diào)節(jié)范圍為60～450?滋s，常用為60～250?滋s,，可調(diào)精度為30?滋s,。刺激電極采用3.6V電壓工作，而最后需輸出0～10.5V的脈沖信號,，所以MSP430F169的DA輸出端與三倍壓電路相連,。當輸出電壓幅值設(shè)置為0～3.6V時，該部分電路停止工作,，從而大大降低了系統(tǒng)功耗,。為了防止突發(fā)高頻刺激對病人的危害，專門設(shè)計了一個限頻電路,，通過硬件的方式將刺激器輸出信號頻率限定在200pps（Pulse Per Second）以內(nèi),。
　　MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的高集成度、高精度的單芯片系統(tǒng)(SOC),，是目前工業(yè)界中具有最低功耗的flash 16-bit RISC微控制器,。MSP430 F169具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，是一款性價比極高的單片機,，利用它作系統(tǒng)的控制核心,，不僅極大地簡化了系統(tǒng)硬件電路，還大大提高了系統(tǒng)的性價比,。MSP430單片機集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機先進的低功耗設(shè)計理念,，其時鐘系統(tǒng)提供了豐富的軟硬件組合形式。它包括一個片內(nèi)DCO和兩個晶體振蕩器,，可以產(chǎn)生三種系統(tǒng)適用的時鐘信號,，支持六種工作方式，有五種低功耗模式,，可以通過軟件對內(nèi)部時鐘系統(tǒng)進行不同設(shè)置來控制芯片,，使它處于不同工作方式，從而使整個系統(tǒng)達到最低的功耗并發(fā)揮最優(yōu)的性能,，所以該單片機非常適合腦起搏器的設(shè)計要求,。利用芯片內(nèi)置的自動掃描功能，ADC可以不需要中央處理器的協(xié)助而獨立地工作,，從而讓處理器去執(zhí)行其它操作或進入省電工作模式,。當CPU接收到來自遙控器的檢測刺激器內(nèi)法拉電容的電壓信號的指令時，啟動ADC,，經(jīng)端口6進入ADC進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,，轉(zhuǎn)換的結(jié)果被自動存放在相應(yīng)通道的寄存器中,，并通過無線收發(fā)器送到外部遙控器進行液晶顯示。MSP430F169產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)DAC12輸出后通過倍壓限頻電路,、延伸導線和刺激電極刺激靶點,。
1.3 外部遙控器的組成及工作原理
　　外部遙控器以MSP430F149為控制核心，采用中文液晶菜單界面,，四按鍵控制,，為醫(yī)護人員提供直觀簡易的操作方式。醫(yī)護人員只要按照液晶菜單的提示進行相應(yīng)的按鍵操作即可,。遙控器開機后，MSP430F149首先對各種參數(shù)進行編碼和初始化,，并準備接收由醫(yī)護人員通過按鍵發(fā)送過來的指令,，并將這些指令通過外部通信模塊TRF6900A發(fā)送到內(nèi)部通信模塊，經(jīng)解碼后將信號送至刺激器CPU,，然后CPU執(zhí)行相應(yīng)的操作并把執(zhí)行后的結(jié)果送回遙控器顯示窗口,。
　　系統(tǒng)采用COG-MOBI2006-02 LCD模塊，內(nèi)部使用NEC公司生產(chǎn)的uPD16682A控制器,，可顯示漢字及圖形,，共有21個引腳，管腳分布如表1所示,。采用8位串行數(shù)據(jù)輸入方式,，可以使用MSP430F149的USART0模塊對其進行控制，將SI,、A0,、SCL、/CS1,、/RES分別與MSP430F149的P3.1（SIMO0）,、P3.2（SOMI0）、P3.3（SCL）,、P3.4,、P3.5引腳相連即可,。LCD控制器uPD16682A內(nèi)部定義了一組命令，MCU通過向LCD發(fā)送這些命令和數(shù)據(jù)操作LCD,，包括顯示開/關(guān),、行地址設(shè)置、列地址設(shè)置,、寫數(shù)據(jù)以及電壓控制等,。

　　外部遙控器為醫(yī)護人員提供四個操作按鍵，并利用軟按鍵輪詢技術(shù)將菜單和按鍵組合在一起從而在單一按鍵上實現(xiàn)不同的功能,。菜單包括歡迎菜單,、主菜單、次級菜單等三個層次,，均由液晶顯示提供,，每一級菜單都給醫(yī)護人員提供簡單直觀的提示。由于系統(tǒng)只有四個按鍵,，所以采用查詢方式的獨立式按鍵電路,，分別占用MSP430F149的四個口線。
1.4?內(nèi)外通信模塊的組成及工作原理
　　外部遙控器對內(nèi)部刺激器的控制主要通過內(nèi)外通信模塊實現(xiàn),。TRF6900A是構(gòu)成內(nèi)外通信模塊的主要器件,，是TI公司最新推出的短距離無線射頻芯片。該芯片采用FSK調(diào)制,，使用ISM頻段,，頻率無需申請，其有效數(shù)據(jù)傳輸距離為100m,，數(shù)據(jù)傳輸速率高達50kbps,，抗干擾能力強，功耗低,，體積小,，與MSP430系列單片機接口簡單，從而可以大大節(jié)省電路板空間,。圖2是TRF6900A與MSP430F149和MSP430F169的接口示意圖,。在內(nèi)部刺激器中，TRF6900A與MSP430F169的P1口相連,，利用P1口的中斷功能可實現(xiàn)低功耗性能,；在外部遙控器中，TRF6900A與MSP430F149的P4口相連即可,。

1.5?系統(tǒng)供電電路
　　供電是腦起搏器設(shè)計中的一大技術(shù)難題,。為了避免體內(nèi)刺激器電源能量耗盡后必須更換脈沖發(fā)生器帶給患者的痛苦以及節(jié)省巨額費用，本方案設(shè)計的腦起搏器可以進行非接觸式充電,?；颊咴谑中g(shù)后到醫(yī)院隨訪時需要對體內(nèi)刺激器進行電壓檢測,，若電量不足，則由醫(yī)護人員通過遙控器對體內(nèi)電池進行充電,。
　　該非接觸式經(jīng)皮充電系統(tǒng)是基于線圈耦合的基本原理改造實現(xiàn)的,。傳統(tǒng)方法是在耦合線圈的輸入端加交流電，輸出端就會通過與輸入端之間的互感效應(yīng)產(chǎn)生電能,。但這種方法需要在鐵氧體等鐵芯上纏繞很多細導線,，這會在鐵芯和線圈上產(chǎn)生能量損耗，致使輸入的部分電能變成熱量,，電源傳輸效率非常低,，通常只有20％～30％；而且由于使用的是細導線,，線圈無法傳輸大電流,。
　　經(jīng)改造后的充電系統(tǒng)原理圖如圖3所示。交流市電通過濾波整流后,，由諧振電路提高其頻率再通過線圈耦合的方式傳輸?shù)酱渭壘€圈,，再經(jīng)整流后給法拉電容充電；同時微處理器MSP430F169通過內(nèi)部12位ADC檢測法拉電容電壓,，并將該電壓值進行編碼,，然后通過內(nèi)外通信模塊TRF6900A傳輸?shù)酵獠窟b控器的微處理器MSP430F149，CPU將該電壓編碼值與預(yù)設(shè)值進行比較,，若小于該預(yù)設(shè)值則繼續(xù)充電,，若達到該預(yù)設(shè)值則關(guān)閉外部充電電路，充電結(jié)束,。
　　實驗表明,，提高輸入端交流電的頻率可以達到與增加線圈匝數(shù)同等的效果,。所以本系統(tǒng)采用高頻電能傳送方式,，可以大大減少線圈匝數(shù)，節(jié)省內(nèi)部電路空間,。同時,，選NiFe等高性能導體兼容材料作芯，大大降低了鐵芯和線圈造成的損耗,，提高了電源傳輸效率,。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　根據(jù)腦起搏器的硬件組成，系統(tǒng)軟件分為兩個部分,，如圖4所示,。一部分是在外部遙控器上運行的程序，在結(jié)構(gòu)上分為兩層,，上層是與功能相關(guān)的主控模塊和各功能模塊,，底層是硬件驅(qū)動程序模塊,。主控模塊和功能模塊控制整個程序的流程，當需要操作硬件時調(diào)用硬件驅(qū)動程序提供的接口函數(shù),；底層硬件驅(qū)動程序包括液晶驅(qū)動程序,、按鍵驅(qū)動程序和TRF6900通信程序，為上層主控模塊和功能模塊提供接口函數(shù),。另外一部分是在內(nèi)部刺激器上運行的程序,，主要包括主程序和中斷子程序。其中主程序主要負責系統(tǒng)初始化和工作刺激信號的產(chǎn)生,，中斷子程序主要負責從外部遙控器發(fā)送過來的控制信號的接收,、電池電壓信號及工作記錄信號的檢測與發(fā)送以及對內(nèi)部電池進行充電。

　　腦起搏器因其具有療效好,、安全性高,、可逆、可通過術(shù)后調(diào)整達到最佳癥狀控制效果和最少副作用等優(yōu)點,，已經(jīng)成為治療帕金森病的主要外科手段,。在我國，設(shè)計符合本國國情的腦起搏器已經(jīng)成為眾望所歸,。本文提供了一種基于MSP430的可充電腦起搏器的設(shè)計方案,，與國外生產(chǎn)的腦起搏器相比，具有更高的性價比,。