在運(yùn)動(dòng)障礙性疾病(Movement Disorders)中, 帕金森病(Parkinson Disease, PD)以肌張力增高,、運(yùn)動(dòng)減少為主要臨床特征，因首先由英國(guó)人帕金森（Janes Parkinson）于1817年描述而得名,。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),，目前我國(guó)約有120～130萬(wàn)帕金森病患者，而全世界則有幾千萬(wàn)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(jiàn)病之一，給患者及其家屬帶來(lái)了巨大的痛苦,。
　　現(xiàn)階段帕金森病還沒(méi)有非常有效的治療方法,，國(guó)內(nèi)和國(guó)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(dá)到治愈的效果,，所以治療帕金森病的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是通過(guò)有效地控制癥狀,，從而長(zhǎng)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)而成為手術(shù)治療帕金森病的理想方法,。該方法療效長(zhǎng),，可改善幾乎所有的PD癥狀、延緩PD的發(fā)展,，而且不會(huì)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(guó)Medtronic一家公司研制并生產(chǎn)腦起搏器，價(jià)格非常昂貴（雙側(cè)的手術(shù)要20萬(wàn)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(jì)和生產(chǎn)高性價(jià)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(huì)的共同愿望,。
　　本方案所設(shè)計(jì)的腦起搏器的主要特點(diǎn)是價(jià)格低、功能強(qiáng),、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(jì)
1.1?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　　腦深部電刺激手術(shù)通過(guò)發(fā)放弱電脈沖刺激腦內(nèi)控制運(yùn)動(dòng)的特定功能神經(jīng)核團(tuán)（蒼白球腹后側(cè)核,、丘腦底核等，即手術(shù)靶點(diǎn)）,，抑制引起帕金森病癥狀的異常腦神經(jīng)信號(hào),，從而消除帕金森病的癥狀，使患者恢復(fù)自由活動(dòng)和自理能力,。
　　整個(gè)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(dǎo)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(hào)" title="脈沖信號(hào)">脈沖信號(hào),，并經(jīng)過(guò)延伸導(dǎo)線和刺激電極刺激靶點(diǎn),。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(hào)倍壓和限頻電路等組成，并由鈦金密封后通過(guò)手術(shù)植入鎖骨皮下,。延伸導(dǎo)線為一絕緣導(dǎo)線,，通過(guò)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(xì)導(dǎo)線,，內(nèi)層由鉑銥材料制成,，外層為聚亞安脂保護(hù)外套，在尖端有兩個(gè)電極觸點(diǎn)，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(duì)于不同的病人、不同的神經(jīng)核團(tuán),，需要使用不同幅值,、頻率、脈寬的弱電脈沖信號(hào),。所以在手術(shù)過(guò)程中以及手術(shù)完成以后,，醫(yī)生會(huì)通過(guò)遙測(cè)技術(shù)多次對(duì)體內(nèi)的脈沖發(fā)生器進(jìn)行調(diào)控，幫助患者達(dá)到最佳的癥狀控制,。而這一程控過(guò)程主要通過(guò)體外遙控器來(lái)實(shí)現(xiàn),。另外由于體內(nèi)電源系統(tǒng)在使用一個(gè)階段以后能量會(huì)耗盡，使內(nèi)部刺激器無(wú)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(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè),、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(guò)手術(shù)植入胸部皮膚下面,，再經(jīng)皮下通過(guò)導(dǎo)線把脈沖發(fā)生器與刺激電極連起來(lái)?；隗w積和功耗的考慮,，選擇美國(guó)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(wú)線收發(fā)芯片TRF6900A來(lái)實(shí)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(guò)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(hào)。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(hào),，所以MSP430F169的DA輸出端與三倍壓電路相連,。當(dāng)輸出電壓幅值設(shè)置為0～3.6V時(shí)，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(duì)病人的危害，專門設(shè)計(jì)了一個(gè)限頻電路,，通過(guò)硬件的方式將刺激器輸出信號(hào)頻率限定在200pps（Pulse Per Second）以內(nèi),。
　　MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)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(jià)比極高的單片機(jī),，利用它作系統(tǒng)的控制核心,，不僅極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路，還大大提高了系統(tǒng)的性價(jià)比,。MSP430單片機(jī)集中體現(xiàn)了現(xiàn)代單片機(jī)先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)理念,，其時(shí)鐘系統(tǒng)提供了豐富的軟硬件組合形式。它包括一個(gè)片內(nèi)DCO和兩個(gè)晶體振蕩器,，可以產(chǎn)生三種系統(tǒng)適用的時(shí)鐘信號(hào),，支持六種工作方式，有五種低功耗模式,，可以通過(guò)軟件對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行不同設(shè)置來(lái)控制芯片,，使它處于不同工作方式,，從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最低的功耗并發(fā)揮最優(yōu)的性能,，所以該單片機(jī)非常適合腦起搏器的設(shè)計(jì)要求。利用芯片內(nèi)置的自動(dòng)掃描功能,，ADC可以不需要中央處理器的協(xié)助而獨(dú)立地工作,，從而讓處理器去執(zhí)行其它操作或進(jìn)入省電工作模式。當(dāng)CPU接收到來(lái)自遙控器的檢測(cè)刺激器內(nèi)法拉電容的電壓信號(hào)的指令時(shí),，啟動(dòng)ADC,，經(jīng)端口6進(jìn)入ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果被自動(dòng)存放在相應(yīng)通道的寄存器中,，并通過(guò)無(wú)線收發(fā)器送到外部遙控器進(jìn)行液晶顯示,。MSP430F169產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)DAC12輸出后通過(guò)倍壓限頻電路、延伸導(dǎo)線和刺激電極刺激靶點(diǎn),。
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(hù)人員提供直觀簡(jiǎn)易的操作方式,。醫(yī)護(hù)人員只要按照液晶菜單的提示進(jìn)行相應(yīng)的按鍵操作即可,。遙控器開(kāi)機(jī)后，MSP430F149首先對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行編碼和初始化,，并準(zhǔn)備接收由醫(yī)護(hù)人員通過(guò)按鍵發(fā)送過(guò)來(lái)的指令,，并將這些指令通過(guò)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(hào)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(gè)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(duì)其進(jìn)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(guò)向LCD發(fā)送這些命令和數(shù)據(jù)操作LCD,，包括顯示開(kāi)/關(guān)、行地址設(shè)置,、列地址設(shè)置,、寫(xiě)數(shù)據(jù)以及電壓控制等。

　　外部遙控器為醫(yī)護(hù)人員提供四個(gè)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(shí)現(xiàn)不同的功能,。菜單包括歡迎菜單、主菜單,、次級(jí)菜單等三個(gè)層次,，均由液晶顯示提供，每一級(jí)菜單都給醫(yī)護(hù)人員提供簡(jiǎn)單直觀的提示,。由于系統(tǒng)只有四個(gè)按鍵,，所以采用查詢方式的獨(dú)立式按鍵電路,，分別占用MSP430F149的四個(gè)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(duì)內(nèi)部刺激器的控制主要通過(guò)內(nèi)外通信模塊實(shí)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(wú)線射頻芯片。該芯片采用FSK調(diào)制,，使用ISM頻段,，頻率無(wú)需申請(qǐng)，其有效數(shù)據(jù)傳輸距離為100m,，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)50kbps,，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低,，體積小,，與MSP430系列單片機(jī)接口簡(jiǎn)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(shí)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(jì)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(fèi)用，本方案設(shè)計(jì)的腦起搏器可以進(jìn)行非接觸式充電,?；颊咴谑中g(shù)后到醫(yī)院隨訪時(shí)需要對(duì)體內(nèi)刺激器進(jìn)行電壓檢測(cè)，若電量不足,，則由醫(yī)護(hù)人員通過(guò)遙控器對(duì)體內(nèi)電池進(jìn)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(shí)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(huì)通過(guò)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(xì)導(dǎo)線,，這會(huì)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(xì)導(dǎo)線，線圈無(wú)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(guò)濾波整流后,，由諧振電路提高其頻率再通過(guò)線圈耦合的方式傳輸?shù)酱渭?jí)線圈，再經(jīng)整流后給法拉電容充電,；同時(shí)微處理器MSP430F169通過(guò)內(nèi)部12位ADC檢測(cè)法拉電容電壓,，并將該電壓值進(jìn)行編碼，然后通過(guò)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(jìn)行比較,，若小于該預(yù)設(shè)值則繼續(xù)充電，若達(dá)到該預(yù)設(shè)值則關(guān)閉外部充電電路,，充電結(jié)束,。
　　實(shí)驗(yàn)表明，提高輸入端交流電的頻率可以達(dá)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(shí),，選NiFe等高性能導(dǎo)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(jì)
　　根據(jù)腦起搏器的硬件組成，系統(tǒng)軟件分為兩個(gè)部分,，如圖4所示,。一部分是在外部遙控器上運(yùn)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(dòng)程序模塊。主控模塊和功能模塊控制整個(gè)程序的流程,，當(dāng)需要操作硬件時(shí)調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序提供的接口函數(shù),；底層硬件驅(qū)動(dòng)程序包括液晶驅(qū)動(dòng)程序、按鍵驅(qū)動(dòng)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(yùn)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(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和工作刺激信號(hào)的產(chǎn)生,，中斷子程序主要負(fù)責(zé)從外部遙控器發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信號(hào)的接收、電池電壓信號(hào)及工作記錄信號(hào)的檢測(cè)與發(fā)送以及對(duì)內(nèi)部電池進(jìn)行充電,。

　　腦起搏器因其具有療效好,、安全性高、可逆,、可通過(guò)術(shù)后調(diào)整達(dá)到最佳癥狀控制效果和最少副作用等優(yōu)點(diǎn),，已經(jīng)成為治療帕金森病的主要外科手段,。在我國(guó)，設(shè)計(jì)符合本國(guó)國(guó)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(jì)方案,，與國(guó)外生產(chǎn)的腦起搏器相比，具有更高的性價(jià)比,。