基于MSP430的可充电脑起搏器设计-生物医学硕士论文

取1 赫云擅 天洋火薯 硕士学位论文 _ 网嘎R 料| 躅强勘l a 一 学科专业：毕物医学T 幂旱 作者姓名：阮= 元 指导教师：李刚教授 门 中文摘要 在运动障碍性疾病中，帕金森病患病率比较高，是仅次于脑血管病的神经系 统常见病之一，给患者及其家属带来了巨大的痛苦。脑深部电刺激由于具有可逆 及可调等独特的优势已成为帕金森病手术治疗的理想方法，但全世界只有美国 M e d t r o n i c 公司生产脑起搏器，其价格非常昂贵、使用寿命短，我国普通老百姓 对此只能望而却步。因此，设计和生产国产脑起搏器能够产生巨大的社会效益和 经济效益。 脑起搏器通过产生幅值、频率、脉宽和极性可调的弱电脉冲刺激脑内控制运 动的特定功能神经核团，抑制引起帕金森病症状的异常脑神经信号，从而消除帕 金森病的症状，使患者恢复自如活动和自理能力。本文提出一种基于M S P 4 3 0 的 可充电脑起搏器设计方案，在实现产生弱电脉冲功能的基础上增加了非接触式经 皮充电功能。整个脑起搏器系统主要由体外遥控器和体内刺激器两部分组成，两 者之间需要进行能量和信号的传输。本论文分为四个部分，第一部分讨论了脑起 搏器非接触式能量传输系统的构建方法；第二部分介绍了体内体外无线通信系统 的组成和设计；第三部详述了体内刺激器系统的设计方法；第四部分简要地介绍 了体外遥控器的设计。 体内刺激器是系统的核心部分，也是本设计的重点和难点。由于它最终要通 过外科手术植入人体，体积、功耗及安全可靠性是最基本的要求和最大的设计困 难。为此，采用了业界最低功耗的M S P 4 3 0F 1 4 9 单片机作为系统控制核心，以 n R F 9 0 5 作为无线收发模块，采用优化的软件编程结构，将体内刺激器系统的功 耗和体积控制在最低。脑起搏器非接触式能量传输系统基于线圈感应耦合及高频 开关技术的基本原理，采用了单端反激式拓扑结构，将能量通过两个平面线圈耦 合到人体内可充电锂电池，给内部刺激器系统供电。为了能够确定最优的设计方 案，本设计详细地考虑了各种相关因素对充电效果的影响，最后以T O P 2 2 5 Y 单 片开关集成电路为核心构建了脑起搏器能量传输系统。通过试验证明，该系统具 有良好的充电效果，能够满足脑起搏器充电要求。 本论文的主要创新点在于，脑起搏器的设计在国内尚属首次探讨，在国际上 也是首次提出将非接触式感应充电方法应用到脑起搏器系统供能上。 关键词：帕金森病；脑起搏器；M S P 4 3 0 ；经皮充电；无线通信 A B S T R A C T P a r k i n s o nD i s e a s e ( P D ) i so n ek i n do ft h ed y s k i n e s i ad i s e a s e s i th a saq u i t eb i g s i c k e nr a t ea n dh a sb e e nak i n do fc o m m o nd i s e a s ei nn e r v es y s t e m T h eP Dp a t i e n t s s u f f e rf r o mh u g ea f f l i c t i o na n dt h es a m et oP Df a m i l y D e e pB r a i nS t i m u l a t i o n ( D B S ) i st h em o s ti d e a lw a yt ot r e a tP Dc u r r e n t l ya l lo v e rt h ew o r l db e c a u s eo fi t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e D B SC a ne l i m i n a t ea l m o s ta l ls y m p t o mo fP Da n dm a k eag o o dl i v i n g f o rP D p a t i e n t s A tt h es a m et i m e ，D B S h a sal o n gt e r mf u n c t i o nt oP D ，b u to n l yd o e s A m e r i c a nM e d t r o n i cI n cd e v e l o pa n dm a n u f a c t u r eD B Sa n di ti sq u i t ee x p e n s i v e I t s b a t t e r yc o u l db eu s e du pa f t e rs e v e r a ly e a r st h e nt h ew h o l es t i m u l a t o ri n s i d es h o u l db e c h a n g e da g a i n T h e r e b y ，q u i t eal o to f d o m e s t i cp e o p l ec a n ta f f o r dt ot h eh u g ef e ea n d h o m e m a d eD B Sh a sb e e nt h ee x i g e n te x p e c t a t i o no ft h ep a t i e n t sa n dt h e i rf a m i l y T h e r e f o r e ，i th a sq u i t eh u g es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t st od e s i g na n dp r o d u c eD B S i no u rc o u n t r y D B S g e n e r a t e sak i n do fw e a ke l e c t r i cp u l s et ot r e a tP Da n dt h ea m p l i t u d e ， f r e q u e n c y ，p u l s ew i d t ha n dp o l a r i t yo ft h eP W M e l e c t r i cp u l s eC a nb ea d j u s t a b l ei n l i g h to fd i f f e r e n tP Dp a t i e n t sa n dd i f f e r e n tn u c l e u sA k i n do fc h a r g e a b l eD B Sd e s i g n p r o j e c tb a s e do nM S P 4 3 0i si n t r o d u c e dt oS o l v et h ep o w e rp r o b l e mb yt r a l l s e u t a n e o u s b a t t e r yc h a r g e ri nt h ep a p e r T h ew h o l eD B Ss y s t e mi n c l u d e st w om a i np a r t s ：o n ei s t h es t i m u l a t o ri n s i d eb o d ya n dt h eo t h e ri st h er e m o t ed e v i c eo u t s i d eb o d y T h et W O p a r t sm u s th a v et h ei n t e r c o m m u n i o no fe n e r g ya n ds i g n a l T h i sp a p e ri sd i v i d e dt o f o u rm a i np a r t s T h ef i r s tp a r ti st od e s c r i b eh o wt od e s i g nt h en o n - c o n t a c tc h a r g i n g s y s t e mo fD B S T h es e c o n dp a r ti st om a k eu pt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m T h et h i r dp a r ti st od e v i s et h ei n n e rs t i m u l a t o ri nd e t a i la n dt h el a s tp a r ti st Od e s i g n ， t h eo u t e rr e m o t ed e v i c eb r i e f l y T h es i m u l a t o ri n s i d eb o d yi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f t h eD B Ss y s t e m a n di t S q u i t ed i f f i c u l tt Od e s i g n I tm u s tb ei m p l a n t e di n t oP Dp a t i e n t s b o d y ，S Oi tm u s th a v e t i n ys h a p e ，l e s sp o w e rc o n s u m p t i o na n d e x c e l l e n ts e c u r i t y U l t r al o wp o w e r c o n s u m p t i o nm i c r oc o n t r o l l e ru n i tM S P 4 3 0 F 1 4 9i Sa d o p t e di n t h i ss y s t e m ， a tt h e s a m et i m e ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d e ln R F 9 0 5i su s e dt oc o m p o s et h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m n R F 9 0 5i ss m a l li nv o l u m ea n dn e e d sf e we x t e r n a l c o m p o n e n t s ，S Oa l lt h ec i r c u i tC a nb ei n t e g r a t e di n t oas m a l lv o l u m e T h en o n c o n t a c t e n e r g yt r a n s m i s s i o ns y s t e mo fD B S i sb a s e do nt h eb a s i so fl o o p - c o u p l i n ga n dh i g h f r e q u e n c ys w i t c ht e c h n o l o g y I tC a nc h a r g el i t h i u m - c e l lb yt h et w of i l m yp l a n el o o p ， o n ei si n s i d et h eb o d ya n dt h eo t h e ri so u t s i d eo fb o d y T h ep a p e rd i s c u s s e st h e v a r i o u se f f e c t f a c t o ro nc h a r g i n gs y s t e mo fa n do p t i m i z e st h ed e s i g n F i n a l l yw e d e v e l o pt h ec h a r g i n gs y s t e mo fD B Sb ys i n g l e c h i ps w i t c h i n gi n t e g r a t e dc i r c u i t T O P 2 2 5 Y T h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i sc h a r g i n gs y s t e mh a sag o o df u n c t i o na n d c a nm e e tt h er e q u e s to f D B S T h i sp a p e rh a st w om a i ni n n o v a t i v ep o i n t s ：o n ei st h a tw ef i r s t l yb e g i nt oe x p l o r e t h em e a s u r et od e s i g nD B Si no u rc o u n t r y ，t h eo t h e ri st h a tt h en o n c o n t a c tc h a r g i n g t e c h n o l o g yi sf i r s t l yi n t r o d u c et oD B Ss y s t e mi na l lo v e rt h ew o r l d K e y w o r d s ：P D ；D B S ；M S P 4 3 0 ；N o n - c o n t a c tC h a r g i n g ：W i r e l e s sC o m m u n i c a t i o n s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得蠢鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一弥产弓办榔期：年，月伽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一魏子乙三杉 签字日期：0 2 磊月，乒日 导师签名： 阅1 签字日期：彤年f 月fu 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在运动障碍性疾病( M o v e m e n tD i s o r d e r s ) 中，帕金森病( P a r k i n s o nD i s e a s e ， P D ) 以肌张力增高，运动减少为主要l 临床特征，因首先由英国人帕金森( J a n e s P a r k i n s o n ) 于1 8 1 7 年描述而得名【l 】。帕金森病起病缓慢，最初的症状往往不易 察觉，当出现静止性震颤、肌肉强直、运动迟缓、异常姿势等症状时即可诊断为 帕金森病。 经研究表明，帕金森病的症状是由于脑内黑质神经细胞产生的多巴胺减少而 出现的。黑质是制造并贮存纹状体所需要的神经递质多巴胺的场所，并经黑 质纹状体环路向纹状体输送多巴胺。脑内与运动相关的结构通过多巴胺这种 神经递质传递信息，从而控制身体的运动。由于多巴胺的减少，使脑内一些与运 动相关的功能团( 丘脑底核、苍白求) 过度兴奋，传递异常信号，最终产生了帕 金森病的症状I l J 。 调查表明，帕金森病的发病率随年龄的增加而提高，5 0 岁以上为5 0 0 1 0 万 人。患病率，白种人为6 0 1 8 0 l O 万人，黑种人为8 5 7 1 0 万人。据不完全统计， 目前我国约有1 2 0 1 3 0 万帕金森患者，而全世界约有几千万之多。所以帕金森 病患病率比较高，是仅次于脑血管病的神经系统常见病之一，给患者及其家属带 来了巨大的痛苦I ”。 现阶段帕金森病还没有非常有效的治疗方法，国内和国际通常使用药物治疗 和手术治疗两种治疗手段，但都不能达到治愈的效果，所以治疗帕金森病的长远 目标是通过有效的控制症状从而长久地维持病人的日常生活功能。( 1 ) 药物治疗， 早期的帕金森病只有较轻的症状，可以服用较缓和的药物( 如安坦、金刚烷胺或 司来吉兰) 来控制，若想达到症状不影响日常生活，病人须服用左旋多巴、多巴 胺受体激动剂等特殊药物来提高活动功能。大多数的抗帕金森病药物都可能出现 眩晕、恶心、呕吐、幻觉、失眠等副作用以及不自主运动和“开关”现象。( 2 ) 脑细胞移植和基因治疗，帕金森病脑细胞移植术和基因治疗已在动物实验上取得 很大成功，但临床研究显示，胚胎脑移植只能轻微改善6 0 岁以下病人的症状， 5 0 的病人在手术后出现不随意运动的副作用，目前此手术还停留在实验室阶 第一章绪论 段，不宜普遍采用。( 3 ) 丘脑或苍白球毁损术，毁损术( 如采用微电极记录技术 对靶点进行定位，也通常俗称为“细胞刀”) 是用电烧灼法破坏脑内功能异常兴 奋核团，主要是苍白球和丘脑腹外侧核。毁损术的效果已得到公认，但毁损术是 一种破坏性手术，部分病人远期效果不尽人意，并且约4 病人出现脑出血、靶 点偏差等并发症，严重者还会出现偏瘫、昏迷，甚至危及生命。毁损术一般只能 进行一侧，也就是控制一侧肢体症状。但是临床上9 0 的帕金森病病人存在双 侧肢体症状和头面部症状。对这些病人只有进行双侧手术才能达到理想治疗效 果。毁损术不易双侧大脑同时手术，双侧手术产生并发症的概率高达3 0 ，术 后大多数病人出现讲话声音降低、吞咽缓慢、流口水、乏力等症状，目前国外已 很少施行这种手术。因此毁损术存在明显不足之处，双侧毁损术更不易提倡【4 J 。 ( 4 ) 脑深部电刺激( D B S ，D e e pB r a i nS t i m u l a t i o n ) ，脑起搏器治疗仅把刺激电 极植入大脑特定部位，通过慢性电刺激来达到治疗效果，是一种可逆性的神经调 节治疗，不破坏脑组织，不影响今后其他新的方法治疗，因而更体现当今微创外 科治疗原则。脑起搏器的治疗效果完全可与毁损术相媲美，还能保护脑黑质组织， 起到对因治疗作用，延缓帕金森病本身病情进展。刺激参数可通过体外电脑程控， 随时调节刺激强度和频率，找到最佳刺激触点，具有疗效更好，更持久等优点， 国外已有8 年的治疗随访结果 3 1 。对双侧症状的帕金森病病人可同时双侧植入刺 激电极，一次手术解决所有症状。治疗手术较为安全，并发症和副作用般都是 可逆的，手术死亡率在千分之一以下。脑起搏器治疗已逐步替代毁损术，是目前 最理想的外科治疗方法，被认为是帕金森病治疗的第二个里程碑( 第一个里程碑 为1 9 6 8 年发明的左旋多巴) 。 然而目前全世界只有美国M e d t r o n i e 一家公司研制并生产脑起搏器，价格非 常昂贵( X 2 侧手术需要2 0 万人民币) ，其电池只能用5 8 年，电池耗尽之后必须 更换脉冲发生器，所以D B S 虽好却让我国绝大多数帕金森病患者望而却步，他 们只能寄希望于国产脑起搏器早日问世。另外，脑起搏器不仅可以用来治疗帕金 森病，还可以治疗原发性震颤、癫痫、扭转痉挛等疾病，这些病人在中国至少有 几百万，他们时刻饱受疾病的摧残，因此设计和生产国产脑起搏器能够产生巨大 的经济效益和社会效益。 本方案所设计的脑起搏器的主要特点是在实现脑起搏器基本功能的基础上 增加了非接触式经皮充电功能，价格相对较低，使用寿命更长。 1 2 国内外研究现状 由于现阶段帕金森病的治疗方法都不能达到治愈的效果，所以治疗帕金森病 第一章绪论 的长远目标是通过有效的控制症状从而长久地维持病人的目常生活功能。脑深部 电刺激由于具有可逆及可调等独特的优势己成为帕金森病手术治疗的理想方法。 脑起搏器，医学上又称之为脑深部电刺激术，在6 0 年代曾用于控制疼痛， 1 9 8 2 年M u n d d i n g 报道了5 例患者运动障碍性疾病脑起搏器治疗均取得了明显疗 效，1 9 8 0 年B r i c e 和M e L e l l a n 用持续性电刺激治疗硬化性震颤，1 9 8 3 年 H e m i m b u r g e r 在双侧丘脑植入电极治疗严重的意向性震颤，欧洲从1 9 8 7 年开始 进行脑深部电刺激治疗帕金森的临床研究，9 0 年代中后期在欧美大量应用于I 临 床1 4 1 。1 9 9 3 年，D B S 通过了欧洲的c E 标准，1 9 9 7 年美国F D A ( F o o da n dD r u g A d m i n i s t r a t i o n ) 批准进入美国市场。自B e n a b i d 在1 9 8 7 年成功用脑起搏器刺激 丘脑腹外侧核治疗帕金森病震颤以来，国外许多单位相继开展该项技术治疗帕金 森病、扭转痉挛、痉挛性斜颈、舞蹈病、强迫症、癫痫等疾病，近几年来作的脑 深部电刺激手术已达2 万余例。国内自1 9 9 9 年开始已有近2 0 家医院开展了脑起 搏器手术，主要集中在上海和北京，共治疗帕金森病和其他疾病2 0 0 余例。 脑深部电刺激手术通过发放弱电脉冲刺激脑内控制运动的特定功能神经核 团( 苍白球腹后侧核、丘脑底核等) ，抑制引起帕金森病症状的异常脑神经信号， 从而消除帕金森病的症状，使患者恢复自如活动和自理能力1 2 1 。该方法的主要优 点有：( 1 ) 适用于多种症状，包括帕金森病、原发性震颤、癫痫、扭转痉挛等； ( 2 ) 具有可逆性，停止刺激时，又恢复到原来状态，除刺激器不会对基底节环 路造成影响；( 3 ) 可调节性，可根据病人症状的轻重调整刺激脉冲的参数；( 4 ) 疗效长，不会损坏大脑，故称为帕金森病的“绿色治疗”。因此脑起搏器治疗帕 金森病受到了越来越多的关注，成为帕金森病手术的理想方法。目前在欧洲和北 美，D B S 手术已基本取代毁损手术，在我国，由于经济方面的原因，D B S 手术 和毁损手术在一定时期内并存，成为治疗帕金森病人的主要手段。 M e d t r o n i eA c t i v aT h e r a p yS y s t e m 系统主要包括脑深部刺激器D B S 和相关手 术系统两个部分，其中手术系统在近1 0 年内进行了不断地更新换代，大大提高 了手术的效率和成功率，但是对D B S 本身却没有进行大的改进。图1 1 为该系 统的主要组成部分，除此之外还有用在手术过程中的各种系统，如立体定位仪、 E M I 扫描仪等等。 本文设计脑起搏器系统在满足M e d t r o n i cA c t i v aT h e r a p yS y s t e m 刺激系统基 本功能的基础上增加了可充电功能，出于安全性的考虑，充电系统采用了非接触 式电磁耦合的经皮能量传输方法，通过固定在体外的初级线圈与植入体内的次级 线圈之间的电磁感应藕合方式将能量耦合到内部电池，采用这种供能方式，具有 无需外接管线、无感染危险等优点。感应充电技术目前在电动车、电动刮胡刀、 大型移动机电设备、移动机器人、射频卡等场合中应用相对比较广泛，由于植入 第一章绪论 式医疗系统必须有很高的安全性，所以该充电技术在植入式医学系统领域中应有 较少，还没有成功的先例。 ( a ) 总体结构 ( b ) 程控仪 ( c ) 内部刺激器( d ) 神经测试刺激器 图卜lM e d t r o n i c 脑起搏器系统主要构成部分 1 3 本文的主要工作 对于植入式电子系统来说，必须考虑以下几个问题：( 1 ) 微小体积、超低功 耗及高可靠性；( 2 ) 电源供给；( 3 ) 植入材料的人体相容性；( 4 ) 体内外信息的 交换等。本文在此基本要求下，主要进行了以下几个方面的探讨： ( 一) 脑起搏器非接触式能量传输系统的理论研究及系统设计。为了避免体 内刺激器电源能量耗尽后必须更换脉冲发生器带给患者的痛苦以及节省巨额费 用，要求脑起搏器可以进行充电。在对各种植入式系统充电技术进行比较下，决 定采用线圈耦合及高频开关技术的基本原理，将能量通过两个平面线圈耦合到人 体内刺激器，给内部刺激器系统供电。在论文中，详细的介绍了感应充电的基本 原理和单端反激式开关电路的设计，探讨了充电线圈结构、线圈间距、充电系统 工作电压、工作频率对充电效果的影响，并在相关试验的基础上设计了以 第一章绪论 T o P 2 2 5 Y 单片开关集成电路构成的脑起搏器能量传输系统，通过试验证明，该 系统能够满足脑起搏器充电要求。 ( 二) 脑起搏器无线数据传输系统软硬件设计。内部刺激器与外部遥控器之 间的信息交流，需要通过无线数据通信的方式来进行。首先对几种短距离无线的 通信方式进行比较，从而确定R F 方式是构成脑起搏器无线通信系统的理想方法， 最后选取n R F 9 0 5 作为本系统的射频收发模块。文章着重讨论了以n R F 9 0 5 和 M S P 4 3 0F 1 4 9 构成无线通信系统的方法，通过软硬件组合实现体外遥控器和体内 刺激器之间的无线数据通信，并在实现通信功能的基础上探讨了无线通信系统节 省功耗的相关方法。 ( 三) 内部刺激器系统软硬件设计。脑深部电刺激最终通过发放弱电脉冲刺 激脑内控制运动的特定功能神经核团，达到消除帕金森病症状使患者恢复自由活 动和自理能力的目的，而刺激信号的产生则是通过内部刺激器系统来完成。由于 是植入式仪器，要求体积小、功耗低，为此选择了美国1 r I 公司生产的高集成度、 低功耗的微处理器M S P 4 3 0F 1 4 9 作为系统的控制核心，通过它来接收外部遥控 器的遥控指令，进而产生电压、频率、脉宽和电极可调的脉冲信号。整个内部刺 激器系统由钛金密封后通过手术植入于锁骨皮下，并利用植于头、颈、肩的皮下 的延伸导线，连接植入脑内的刺激电极。脑深部刺激电极为一绝缘的细导线，内 层由铂铱材料制成，外层为聚亚安脂保护外套，在尖端有四个电极触点，通过该 电极触点即可发送刺激脉冲信号来刺激耙点。由于内部刺激器是整个脑起搏器系 统中最为重要的部件，论文特别详细的介绍了该部分软硬件的设计。 ( 四) 外部遥控器系统软硬件设计。对于不同的病人、不同的神经核团需要 使用不同幅值、频率、脉宽的弱电脉冲信号，随着患者使用时间的推移，刺激参 数也要进行不断的调整，因此必须通过遥测技术与内部刺激器之问进行通信，该 程控过程主要是通过体外遥控器来实现。在整个脑起搏器系统中，外部遥控器是 医护人员对内部刺激器的刺激参数和电池参数进行检测与控制的必备工具。由于 设计难度相对较低，本文中简要的介绍其组成部分、软硬件设计以及提高可靠性 的方法。 第二章脑起搏器非接触式充电系统设计 2 1 引言 第二章脑起撙器非接触式充电系统设计 为了避免体内刺激器电源能量耗尽后必须更换脉冲发生器带给患者的痛苦 以及节省巨额费用，要求脑起搏器可以进行充电，但是由体外向体内进行充电具 有比较大的难度，国内外目前还没有相关的成熟技术出现。电源的长期供给对于 植入式电子系统来说，是一个非常重要的问题，植入高效的电池是比较直接的解 决植入系统连续供电的方法。目前人们开发出的可植入人体的电池包括化学电 池、核电池，生物电池等。由于锂电池在工作过程中不产生气体，电池可以密封 在金属壳体中，具有很高的可靠性和能量密度，因此是体内植入仪器电池的首选。 出于安全性考虑，本系统采用了非接触式电磁耦合的经皮能量传输方法。经皮能 量传输是通过固定在体外的初级线圈与植入体内的次级线圈之间的电磁感应藕 合方式供能，采用这种供能方式，具有无需外接管线、无感染危险等优点。 本章将着重介绍感应充电的基本原理和单端反激式开关电路的设计方法，探 讨充电线圈结构、线圈间距、充电系统工作电压、工作频率等因素对充电效果的 影响，并在相关试验的基础上介绍了以T o P 2 2 5 Y 单片开关集成电路构成脑起搏 器能量传输系统的设计方法，并进行相关的实验，结果表明该系统能够满足脑起 搏器充电要求。 2 2 脑起搏器能量传输系统 由于体积的限制，能量传输系统是在非接触式经皮充电的基本理论上结合开 关电源基本原理设计而成的，整个充电系统框图如图2 1 所示。通过单端反激式 变换器的开关作用将能量以耦合的方式传输到次级线圈，经整流后给内部锂电池 充电，同时微处理器M S P 4 3 0F 1 4 9 通过内部1 2 位A D C 检测充电电压和电流， 根据锂电池充电标准曲线来控制内部充电电路的开启。当充电电压和电流达到预 设值时，内部充电电路关闭并通过无线收发模块发出充电完毕信号，通知用户充 电结束。 第二章脑起搏器非接触式充电系统设计 图2 1脑起搏器非接触式充电系统结构图 2 2 1 单端反激式电路分析 l l l l J 脑起搏器能量传输系统是基于线圈耦合和高频开关技术的基本理论设计的， 由于开关工作频率高，线圈的体积可以显著减小，节省了系统空间。用于开关电 路的主拓扑按工作方式主要分为：单端反激式交换器、单端正激式变换器、推挽 式变换器、半桥式变换器、全桥式变换器。其中，后三种统称为多端变化器，多 端变化器由于电路需要的功率元件较多，控制电路复杂，因而不适合脑起搏器系 统的设计。单端反激式变换器电路形式简单，体积小，因此被选作本系统充电电 路的拓扑结构，如图2 2 所示。电路工作过程如下：当高压开关功率管Q 导通时， 它在变压器初级电感线圈中储存能量，与变压器次级相连的二极管D 2 处于反偏 置状态，所以二极管D 2 截止，在变压器次级回路无电流流过，即没有能量传递 给负载。当Q 截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转过来，使得二极 管D 2 导通，给输出电容C 2 充电，同时在负载R L 上也有了电流，电路工作波形 如图2 3 所示。 人体皮肤D 2 I c 。 I 么么一 广 厂 厂。 I 。 图2 2 单端反激式电路图2 - 3 单端反激式变换电路波形 第二章脑起搏器非接触式充电系统设计 设绕组N 1 的电感量为L l ，N 2 的电感量为L 2 ，忽略管子饱和压降，在Q 导通 ( t r t 2 ) 时，Q 的饱和压降V 。约为O 7 v ，输入电压V c e 基本上等于初级线圈 L l 上的E g 压V l ，根据电路原理可知： K = 阮= 厶鲁( 2 - 1 ) 其e o ，i 。为晶体管中的集电极电流，也就是L 1 中的电流。由此可得： = 去眇= 争。 ) 其中，I 。为L l 中的初始电流，可以忽略不计，所以可得： i o = 等t( 2 - 3 ) 由这个公式可以看出，Q 导通器件，L I 中的电流i 。是线性上升的，如图2 - 3 所示。当t = t o I l 时，初级线圈中的电流达到最大值： = 鲁，研 ( 2 川 电源V c e 输出的能量存储在线圈中，大小为： ：昙厶k z ( 2 5 ) 如果传输效率为1 0 0 ，则次级线圈中可以耦合到的能量为： ：彬：1 厶匕2 ( 2 - 6 ) 设初级次级线圈匝数比为n ，即： 堕：玎 2 ( 2 7 ) 则有： 上一1 厶 疗2 1 2 H2 n | l K ：堡 行 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 在功率开关管Q 导通( t o l l ) 期间，电路中将电场能量变为磁场能量存储在电 感中，此时负载电流I 。由电容C 2 供给。若输出电压最大允许变化量为v o ，输 出平均电流为I 。，则C 2 的容量应该为： 第二章脑起搏器非接触式充电系统设计 c ：盈 V o ( 2 - 1 1 ) 在功率开关管Q 截止( t o n ) 期间，电感L 2 存储的能量通过整流管D 2 流向负 载，此时若忽略整流管的正向压降，1 , 2 两端电压就等于输出电压V 。，流过电感 L 2 的电流为： ：k 一善( f - 6 ) 1 2 ) ( 2 - 1 2 2 刮锄一壬Q 当t = t 3 时，i 2 = 0 ，则： k = 笔) = 笔。 综合可得： 乏切硼鲁。 ( 2 聊 即： 圪= 等毒= 鲁磊= 等志 Q 彤， 。 疗。 押丁( 1 6 )甩( 1 一万) 、 占：盆 其中：T ，为开关控制P W M 信号的占空比。 在此电路中，功率开关管Q 截止时承受的电压V 。应该等于V c e 加上t 咂期 间L l 两端的感应电压，即： 吃= 吃+ V o 刀= 吃F 1 了( 2 - 1 6 ) 因此，功率开关管必须能够承受较大电压，必须选取V 。足够大的管子。 2 2 2 减小平面线圈体积的措施 由于内部刺激器最后需要通过外科手术植入人体，对体积有严格要求，因此， 控制平面线圈的大小成为充电系统设计的关键。假设原线圈匝数为N 1 ，副线圈 匝数为N 2 ，忽略原、副线圈之间的漏磁影响，铁芯中各个横截面上的磁感应通 量中都一样大，原线圈上电流不断变化使得磁感应通量也跟着不断变化，从而会 在绕制在铁芯上的每一匝线圈中都产生同样的感应电动势： ：一! 竺( 2 1 7 ) 协 则原线圈中感应总电动势为： 第二章脑起搏器非接触式充电系统设计 毛一l 警 ( 2 1 8 ) 副线圈中感应总电动势为： s 2 一N 1 ( 2 - 1 9 ) 假设原线圈上的电压是按正弦规律变化的，则电流和磁感应通量中也按照正 弦变化。设磁感应通量矿2 s i n 纠，其中丸为工作磁通的幅值。则原、副线圈 中感应总电动势为： e ，= 一l 警= 一m l 丸c o s 刎= 缈l 九s i n ( 研一争 ：。出2 屯3 i n ( 纠一 ( 2 。2 0 ) 为了验证频率对能量及信号传输的影响，选取线径为O 1 2 m m 的漆包线( 可 承受O 0 2 A 的最大电流) ，原线圈4 5 0 匝( 内阻5 3 欧姆) ，副线圈4 0 0 匝( 内阻 4 6 欧姆) ，当两线圈间距为l m m 时，在原线圈加电压V i n = 3 s i n w t ( v ) 。选取不同 的频率，粗略测得副线圈两端电压如图2 - 4 所示，其中纵坐标代表输出电压有效 值m ，横坐标代表信号频率( K H z ) 。 2 5 V 幽2 脚 1 5 1 0 5 0 Q - 、 7 j l 频率 、白p 夺p 椤矿p 矿，K 图2 4 相同输入下电压输出与频率之间的关系曲线 可见，提高加在初级线圈上交流电的频率可以达到与增加线圈匝数同样的效 果，所以本系统采用高频电能传送方式。采用平面超薄型线圈，可以大大减少线 圈匝数，从而达到节省内部空间的目的。 第二章脑起搏器非接触式充电系统设计 2 2 3 平面线圈自感与互感 为了合理的设计平面线圈，必须对它的参数进行分析。首先计算平面线圈的 自感。假设圆截面细导线构成的圆环的半径为R ，导线的半径为a ，且有R a ， 真空磁导率为po ，则其自感为： L = , u o R O n 坠一1 7 5 ) ：，七R ( 1 l l R l n a + I n 8 1 7 5 )( 2 2 1 ) 多匝的平面螺旋线圈的电感可看成是多个圆环电感的串联，设总匝数为N ， 则总电感应该是各个单圆环电感之和： L = , u o 妻R ( 1 l l 警- 1 7 5 ) ：胁兰 R ( 1 1 1 8 一I n a - 1 7 5 ) + 妯置 ( 2 - 2 2 ) 线圈匝数不多时，R i 可以看成公差为b 的等差数列，设& 为螺旋线圈内侧 圆周半径，则上式中的最后一项近似为： 置h l R = ( R + f 6 ) t n ( R + f 6 ) ? - o I n 民+ 西l l l ( R + 1 )( 2 - 2 3 ) 则N 匝平面线圈的总电感可以用下式近似表示： 上风陋2 9 4 一I n 口) ( 岛+ 掣6 ) + R o I n e , o + 掣b ( 1 n R o + 1 ) i ( 2 - 2 4 ) L 上厶 j 由此可见，影响电感L 的主要因素是匝数N ，在N 和R o 较小的情况下，平 面线圈的电感与匝数、半径近似成正比例关系。 充电系统的能量靠两个平面线圈之间的耦合来实现的，两线圈之间的互感对 能量传输效率起重要作用，现在以两个线圈之间理想耦合方式为例计算两个平面 线圈之问的互感。两个单匝圆环D l 和0 2 同轴平行放置，如图2 5 所示，两者间 距为h 。 图2 5 两个平面线圈之间的同轴耦合 在D l 和Q 上分别截取线元d L l 和d 1 2 ，设d L l 和d 1 2 之间的距离为r ，r 在 环平面上的投影为r J ，夹角为0 ，则根据三角函数和立体几何的有关知识有： 第二章脑起搏器非接触式充电系统设计 ，= 矗2 + 2 ，r j 2 = R 2 + R 2 一R l R 2c o s O ，川鸩= R 1 R 2 c o s O d I v d O 则通过线圈的磁链与电流之间的关系，可以得到两个线圈间的互感： M 啦。= M ：= 争= 鲁LL 等 = 丝4 7 rn 如r 而雨R 萨2 c o s 0 丽矗口 ：巡e 。百 亍芸竺一0 ( 2 - 2 5 ) 2 山 2 + 马2 + 坞2 2 置R c o s O 由式( 2 2 5 ) 可以看出，两个平面线圈之间的互感主要与两者之间的距离和 各自的尺寸相关，h 越小，M 越大。 2 2 4 非接触式能量传输试验及数据分析 结合前面的电路和分析，选用大功率开关管E 1 3 0 0 5 A 、肖特基整流管二极管 I N 5 8 1 9 、电解电容l O O u F ，初级线圈和次级线圈均采用平面线圈形式。平面结构 线圈，导线一般采用铜箔，多采用单层和多层印刷电路版制造，也可利用圆形铜 箔多个折叠而成。但是在试验阶段，设计了如图2 - 6 所示的线圈，其中初级线圈 采用0 3 5 m m 漆包线，缠绕2 0 0 匝，次级线圈采用O 1 m m 漆包线，缠绕1 0 0 匝。 初级线圈 次级线圈 图2 6 初次级线圈结构 第二章脑起搏器非接触式充电系统设计 充电电流受到开关管工作频率、电源电压、线圈间距及其错位的影响，相关 试验数据如下：其中，图2 7 显示的是，在电源电压为3 0 V 、开关频率为1 0 8 2 k H z ， 线圈中心同轴、无磁芯条件下，充电电流随着两个平面线圈之间距离的变化情况。 E V 蠖 脚 4 5 81 01 21 51 82 0 2 32 63 0 图2 7相同条件下，不同线圈间距时的充电电流 图2 - 8 显示的是，在电源电压为3 0 V 、线圈间距为2 0 m m ，线圈中心同轴、 无磁芯条件下，充电电流随着开关工作频率而变化的情况。 E 一 蜒 诏 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 O 82 84 86 88 81 0 81 2 01 4 01 6 0 1 8 02 0 0 图2 8相同条件下，不同开关工作频率时的充电电流 频率 ( k H z ) 柏 拈 筋 加 佰 竹 5 o 第二章脑起搏器非接触式充电系统设计 图2 - 9 示的是，在开关频率为1 0 8 k H z 、线圈间距为2 0 r a m ，线圈中心同轴、 无磁芯条件下，充电电流随着电源电压而变化的情况。 鼍 一 斌 世 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 3691 21 51 82 1 2 4 2 7 3 0 图2 - 9相同条件下，不同电源电压时的充电电流 电压 ( 、n 图2 1 0 显示的是，在电源电压为3 0 V 、线圈间距为2 0 r a m ，线圈中心同轴、 有磁芯条件下，充电电流随着开关工作频率而变化的情况。 E V 煺 脚 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 8 2 84 86 88 81 0 81 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 图2 1 0相同条件下，不同开关工作频率时的充电电流 频率 ( k H z ) 图2 1 1 示的是，在开关频率为1 0 8 k H z 、线圈间距为2 0 r a m ，线圈中心同轴、 有磁芯条件下，充电电流随着电源电压而变化的情况。 第二章脑起搏器非接触式充电系统设计 ，、5 0 E4 5 避4 0 脚 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 3691 21 51 82 12 42 73 0 图2 1 l相同条件下，不同电源电压时的充电电流 电压 ( 、n 从上面几组实验可以看出，两线圈间距越小、电源电压越大，锂电池获得的 充电电流越大，增加磁芯可以取得一定的效果，但是对频率则有较高的要求，整 个充电系统只有在合适的工作频率时才可以取得最大的充电效果。另外在此实验 基础上需要对线圈的标准化设计进行进一步的改进，首先是要采用合理的磁芯， 对磁芯材料的主要要求是损耗小，温度范围宽，软磁铁氧体是现在高频电子变压 器使用的主要磁芯材料，是目前比较理想的选择。其次需要通过内部刺激器的总 体体积，来确定磁芯以及线圈的形状和尺寸，同时合理的考虑电磁性能、散热等 参数。 2 2 5 脑起搏器能量传输电路 通过前面的分析可知，基于高频开关电源技术设计的充电电路具有体积小、 效率高、稳定性好、性能灵活等优点，特别适合于脑起搏器能量传输电路的设计。 由于开关工作频率比较高，线圈的体积可以显著减小，从而节省系统空间。单端 反激式变换器电路形式简单，体积小，而且变换器工作电压越高，输出电流也会 越大。为了得到较大充电电流的同时简化充电电路设计，脑起搏器能量传输系统 直接通过市电5 0 H z 取电，经整流滤波后给单端反激式变换器供电。由于是高电 压强电流供电，因此必须考虑大功率开关管的选取、电感绕制、工作温度、安全 性、控制环的稳定性等一系列问题，故其设计过程较复杂。为此，本系统尽量采 用高集成度、高可靠性的芯片来完成设计。美国P o w e rI n t e g r a t i o n 公司生产的 第二章脑起搏器非接触式充电系统设计 T O P s w i t c h 系列集成电路将脉宽调制( P W M ) 电路与高压M O S F E T 开关管及驱 动电路集成在一起，从而可大大减少外围电路，降低系统成本，提高系统可靠性。 同时，该芯片的M O S F E T 开关管刚好工作在1 0 0 k H z 开关频率，刚好符合脑起 搏器的设计要求。 T O P