（通信与信息系统专业论文）无线控制脑深部电刺激器dbs技术研究.pdf

中北大学学位论文 无线控制脑深部电刺激器( d b s ) 技术研究 摘要 长期以来，药物成瘾带来了严重的社会问题，寻找一种有效的“戒瘾”手段也成为医 学界研究的重要课题。目前，治疗药物成瘾的方式主要为两种：药物治疗和非药物治疗。 两种方法具有一定的疗效，但都存在着一些不足，应用上受到一定限制。随着脑深部电 刺激器( d e e pb r a i ns t i m u l a t i o n ，d b s ) 在运动障碍性疾病、癫痫、疼痛、精神疾病等外 科治疗中的成功应用，d b s 在手术戒毒治疗中的应用议题引起了学界的广泛关注。 脑深部电刺激技术具有对脑结构损伤小、并发症少、可逆等优点，然而，该技术在 药物成瘾治疗中的应用仍处于实验研究阶段，为了支撑该技术在药物成瘾治疗中的实验 研究，满足众多患者临床应用的强烈需求，研究设计。套体积微小、功耗低、可靠性高 的脑深部电刺激系统也显得尤为重要。 本文在查阅大量文献的基础上，分析总结了脑深部电刺激技术治疗药物成瘾的机理 及发展现状；根据脑深部电刺激器的组成结构及工作原理，深入研究了d b s 设计的各项 关键技术，包括供电技术、通信技术、低功耗技术、系统控制技术等。结合d b s 微型化、 低功耗的设计要求，提出了一种基于无线控制技术的d b s 设计方案，并详细论述了方案 的可行性。无线控制主要体现在两个方面：低功耗短距离射频通信技术和低频唤醒技术。 为满足数据通信稳定可靠的需要，设计采用低功耗短距离射频通信技术实现d b s 系统的 数据传输；同时，出于低功耗的考虑，采用低频唤醒技术实现系统的任意时刻唤醒。 整个d b s 系统分为体外控制器和体内刺激器两大部分，论文重点分析研究体内刺激 器的设计方法。根据体内刺激器设计指标，采用单片机a t m e g a 4 8 、低功耗短距离射频通 信模块n r f 2 4 l 0 1 、低频唤醒芯片a t a 5 2 8 3 及运算放大器t l v 2 4 0 4 实现压控恒流输出刺 激信号的体内刺激系统的软硬件设计，并进行了相应的刺激脉冲输出、通信质量、功耗 等功能测试分析。实验结果表明，刺激脉冲可调恒流输出，数据通信稳定可靠，系统功 耗较低，满足设计要求。 关键词：d b s ，药物成瘾，无线控制、低功耗 中北大学学位论文 r e s e a r c ho nt h ew i r e l e s sc o n t r o ld e e pb r a i ns t i m u l a t i o n ( d bs ) t e c h n o l o g y a b s t r a c t d r u ga d d i c t i o nh a sb e c o m eab i gs o c i a lp r o b l e mf o ral o n gh i s t o r y t of i n da ne f f e c t i v e s o l u t i o nf o rt h ed r u ga d d i c t i o nt h e r a p yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c n o w ，t h e r e a l em a i n l yt w os o l u t i o n sf o rt h ed r u ga d d i c t i o nt h e r a p y ：m e d i c i n et h e r a p ya n dn o n m e d i c i n e t h e r a p y b o t hs o l u t i o n sw e r ep r o v e dt ob ee f f e c t i v e ，b u tt h e ya l en o ts op o p u l a r f o r t h ec l i n i c a l a p p l i c a t i o n sb e c a u s eo fs o m ed r a w b a c k s a saq u i t ep r o m i s i n gt e c h n i q u ew h i c hh a sb e e n a l r e a d yw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d sl i k ep h y s i c a ld i s a b l e dd i s e a s e ，f a l l i n gs i c k n e s s ，p s y c h o s e s ， e ta 1 ，d b si sah o tr e s e a r c ht o p i cf o rt h ea p p l i c a t i o n si nt h es u r g e r yo nt h ed r u ga d d i c t i o n i th a sa l r e a d yb e e np r o v e dt h a td b s t e c h n i q u eh a sm u c hl e s sb r a i nd e s t r u c t i o na n d m u c h l e s ss y n d r o m ea n di sr e v e r s i b l e b u tt h ea p p l i c a t i o no ft h i st e c h n i q u eo nt h ed r u ga d d i c t i o n t h e r a p yi s s t i l lf a rf r o mt h ec l i n i c a la p p l i c a t i o n al o to fr e l a t e dr e s e a r c hw o r ki ss t i l li n p r o g r e s s t os u p p o r tt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hr e q u i r e m e n t so nd r u ga d d i c t i o nt h e r a p ya n d t o s a t i s f yt h ec l i n i c a la p p l i c a t i o n ，i ti sq u i t ei m p o r t a n t t od e s i g nas m a l l ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， h i g hr e l i a b i l i t yd b ss y s t e m b a s e do nt h ec o l l e c t e dd o c u m e n t s ，t h ep r i n c i p l ea n dt h ed e v e l o p m e n to fd bst e c h n i q u e a n di t sa p p l i c a t i o no nt h ed r u ga d d i c t i o nt h e r a p ya r ec o n c l u d e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h e s y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l e s ，w ea n a l y z e dt h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h ed b s s y s t e md e s i g n ，w h i c hi n c l u d e s ：p o w e rs u p p l ys y s t e m ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，l o w c o n s u m p t i o nt e c h n i q u e ，s y s t e mc o n t r o ls y s t e me t c t a k i n gi n t oa c c o u n tt h em i c r o a n dl o w 。p o w e r r e q u i r e m e n t si nt h ea p p l i c a t i o n s ，t h ed b sd e s i g ns c h e m e ，w h i c hi sb a s e do n w i r e l e s sc o n t r o l t e c h n o l o g yt e c h n i q u e ，i sd i s c u s s e di n t h ep a p e r t h ef e a s i b i l i t yi sa l s od i s c u s s e di nd e t a i l w i r e l e s sc o n t r o li sm a i n l yr e f l e c t e di nt w oa s p e c t s ：l o wp o w e rr fc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ei n s h o r tr a n g ea n dl o wf r e q u e n c ya w a k i n gt e c h n i q u e c o n s i d e r i n gt h eh i g hs t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yd u r i n gc o m m u n i c a t i o n ，l o wp o w e rr fc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e i su s e df o r 中北大学学位论文 t r a n s m i t t i n gd a t ai nt h ed b ss y s t e m m e a n w h i l e ，i no r d e rt or e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o n ， l o w f r e q u e n c ya w a k i n gt e c h n i q u e i su s e df o rt h ea w a k i n ga ta n yt i m e t h et o t a ld b ss y s t e mi sc o m p o s e do ft w op a r t s ：e x t e r n a lr e m o t ec o n t r o la n di n t e r n a l s t i m u l a t i o np a r t t h et h e s i si sf o c u s e do nt h ed e s i g no ft h ei n t e r n a ls t i m u l a t i o ns y s t e m f o l l o w e dt h es y s t e md e s i g ni n d e x ，w ed e s i g nd b si n t e r n a ls t i m u l a t i o ns y s t e mw h i c hi s m a i n l yc o m p o s e do fa t m e g a 4 8m c um o d u l e ，n r f 2 4 l 0 1r fc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， a t a 5 2 8 3l o wf j r e q u e n c ya w a k i n gm o d u l e ，s t i m u l a t i o ns i g n a lg e n e r a t o rb yad o u b l ea m p l i f i e r t l v 2 4 0 4 ，a n dt h er e l a t e ds o f t w a r e t h es y s t e mt e s tw a sp e r f o r m e d t h et e s tw o r kw a sf o c u s e do nt h ef o l l o w e dp a r a m e t e r s ： m i m u l m i o np u l s e s ，c o m m u n i c a t i o nq u a l i t y , p o w e rc o n s u m p t i o n a c c o r d i n gt ot h er e l a t e d a p p l i c a t i o nt e s t ，i ti sp r o v e dt h a t o u rs y s t e mw o r k sf i n ea n dc a ns a t i s f yt h ea p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：d b s ，d r u ga d d i c t i o n ，w i r e l e s sc o n t r o l ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：垂左红日期：丝仝：垒兰坌 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：垂煮叁日期：坦翌：生丝 导师签名：垣世毯 日期： 中北大学学位论文 1 1 本课题研究背景及意义 1 绪论 长期以来，药物成瘾( 吸毒) 已成为全世界关注的严重社会问题。药物成瘾( 吸毒) 可以严重危害人类的身心健康，诱发违法犯罪事件的发生，危害社会治安的稳定，造成 国民经济的巨大损失【l 】。 目前，全世界每年因吸毒丧失工作和生活能力者超过1 0 0 0 万。根据联合国最新报 道：全球1 0 的人口卷入毒品的生产与消费，并且以每年3 - - 一4 的速度在增长。全球 约有1 8 亿药物成瘾者，占全球人口比例的3 3 - - - 4 1 。全世界吸毒造成每年约1 0 万 人死亡，其中美国吸毒致死人数以3 万5 千人居世界首位，估计花费在此方面的费用每 年超过约3 0 0 0 亿美元【2 1 。 我国面临的禁毒、戒毒形势也非常严峻，据不完全统计【3 】，目前我国各类吸毒人员 超过4 0 0 万，且该数字呈逐年上升的趋势。他们年消费海洛因等阿片类药物超过8 5 吨， 约合人民币2 0 0 0 亿元，并且每年有增无减。因此，寻找一种有效的“戒瘾”手段已经刻 不容缓。 目前，治疗药物成瘾的方式主要为两种：药物治疗和非药物治疗。 药物治疗脱毒已基本实现，但吸毒人员或药物成瘾者脱毒后的复吸现象仍十分严 重，医学界运用了药物、心理等多种治疗方法，但仍然没有解决这一难题。在药物治疗 方面，美沙酮、丁丙诺啡等药物在治疗脱毒方面收到了良好效果，但在本质上它们也属 于强效阿片受体激动剂。具有成瘾性，只是戒断症状弱于其它阿片类毒品，持续时间较 长，且对智力功能中的记忆、注意等认知功能有一定程度的损害，复吸率较高，无法从 根本上解除药物成瘾【4 1 。 在非药物治疗方面，人们尝试了手术切除或损毁脑内某些结构( 如扣带回、额前内 侧皮质) 的方法，虽然能够中止患者的复吸行为，但手术破坏了脑组织结构，对情感、 记忆力、性功能等损失的副作用和伦理学争论限制了这种方法的应用【5 6 】，也有报道采用 针灸或穴位电刺激方法，但患者是否长期配合治疗以及反复复吸等原因同样限制了这种 方法的应用【7 1 。 随着脑深部电刺激器( d e e pb r a i ns t i m u l a t i o n ，d b s ) 在运动障碍性疾病、癫痫、疼 中北大学学位论文 痛、精神疾病等外科治疗中的成功应用1 8 1 ，d b s 在手术戒毒治疗中的应用议题引起了学 界的广泛关注。 d b s 手术是通过植入刺激电极和脉冲发生器，由体外控制器调整刺激参数，对脑内 特定区域进行一定脉宽、频率、时间的持续性生物电刺激来发挥作用的治疗和研究技术， 该技术具有对脑结构损伤极小、并发症少、体外可调控、可逆等优点【9 】。因此，既能避 免由于神经核团破坏引起的严重不可逆性并发症，又能在手术后进行无创调节以达到最 佳治疗效果，且该技术的出现为研究者们在伦理学允许的范围内探索以前被认为是禁区 的脑深部结构及保守疗法无效的难治性功能性脑疾病提供了可能。 然而，d b s 手术在药物成瘾治疗中的应用仍处于临床研究阶段f 1 0 1 ，该项手术的技术 要点、适应症、安全性、有效性等方面还没有做出结论，这种手术用于外科治疗仍需进 一步研究。为了支撑d b s 手术在药物成瘾治疗中的实验研究，脑深部电刺激器( d b s ) 的设计研发也显得尤为重要。d b s 的性能优劣将直接影响实验研究结果，甚者危及实验 对象的生命安全，在很大程度上也限制了d b s 临床应用的研究进展。目前，m e d t r o n i c 等国外公司已有成型的产品，由于其功能固定，不能满足有些实验需求，且价格昂贵， 很难开展疗法机理和参数优化等基础医学研究。在强烈的临床应用和基础研究需求下， 国内近年开始了研制工作，但进展缓慢。因此，研究设计一套体积微小、功耗低、可靠 性高和低成本的脑深部电刺激系统，一方面可以根据实验目标满足各种临床试验研究的 需要，另一方面也可以为我国的脑深部电刺激器( d b s ) 的发展应用作出贡献，带来巨 大的经济和社会效益，具有重要的理论现实意义。 目前，本课题组与生物医学工程实验室合作，为生物医学工程实验室开展d b s 对药 物成瘾治疗研究提供硬件技术支持。由于目前采用的脑深部电刺激器( d b s ) 存在功能 单一、体外程控距离短、数据传输不稳定等不足之处，本课题根据其实验需求，重点对 脑深部电刺激器( d b s ) 技术展开研究。采用无线控制改进设计适合于动物长期植入又 能够遥测编程的脑深部电刺激器，以支撑在动物模型上研究d b s 对药物依赖和复吸的 效果和机理，同时，脑深部电刺激器的设计也可为其它疾病的治疗研究提供技术支持， 具有重要的实用价值。 1 2d b s 治疗药物成瘾研究现状 2 一 中北大学学位论文 药物成瘾也称为药物依赖，是一种由神经活性物质作用于大脑所导致的心理行为异 常状态的慢性反复发作的功能性脑疾病。研究表明1 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 】，中脑腹侧被盖区伏隔核 额叶皮质是成瘾性药物引起奖赏效应的最后公共通路。伏隔核是该环路的中心，黑质 边缘系统是连接锥体外系的接口，调控情绪和动机，一切天然的奖赏性刺激都是通过作 用于该系统，最终引起伏核内多巴胺释放增多，从而产生奖赏效应。同时，采用高频电 刺激能够抑制神经元活动，能够达到激活和阻断的效果。因此，伏隔核是成瘾机制中的 重要环节，对伏隔核内特定区采用高频生物电刺激能够降低对阿片类药物的依赖。 生物电刺激是指将特定频率和形状的电流或电压施加于生物体兴奋组织后，所产生 的各种生理反应【l6 。主要可分为3 类：( 1 ) 功能电刺激：指借电刺激恢复人体的某些功 能；( 2 ) 治疗电刺激：指借电刺激减轻病痛；( 3 ) 诊断电刺激：如记录诱发电位对神经进 行电刺激。因此，根据刺激的对象、部位以及采用刺激电极的不同，对电刺激仪的幅度 和频率等要求也不同。由于生物电足由细胞受刺激或兴奋而产生的，生物电能够反映器 官和组织的生理或病理，且在适当的刺激下这些细胞可产生动作电位。因此，生物电刺 激有着广泛的应用。 脑深部电刺激器( d b s ) 属于治疗电刺激中的一种。近年来，d b s 逐步应用于肌张 力障碍、精神疾病、难治性癫痫、丛集性头痛、脑损伤后的持续昏迷等疾病的治疗。1 9 9 9 年，n u t t i n 等应用双侧内囊前肢d b s 代替内囊前肢切开术治疗强迫症伴抑郁【l7 1 ，取得 了较满意的效果。2 0 0 3 年，v o l k e r 等以右侧n a c 壳部为靶点，应用d b s 治疗4 例严重 的强迫焦虑神经症患者，刺激数日至数周后，3 例症状有显著改善【1 8 】。药物成瘾的强迫 件碌药行为与强迫症的某些症状有相似之处，并日具有长期反复发作的特点( 反复复 吸) 。因此，提示我们可以将d b s 应用于药物成瘾的治疗。学界徐纪文等报告对1 例海 洛因精神依赖患者进行d b s 治疗，术后即停止吸毒，随访半年无复吸，术后3 个月心 理量表评估，未发现有记忆、智力和人格等方面的改变【l 9 1 。 由于该方法具有以下优点【2 0 】：( 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，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“绿色治疗”。因此d b s 治疗药物成瘾受到了越来越多 的关注，成为手术戒毒的理想方法。 3 一 中北大学学位论文 然而，由于脑科手术戒毒是一种正在进行临床研究探索的科学项目，目前临床研究 尚未结束，该项手术的技术要点、适应症、安全性、有效性等方面还没有做出结论，这 种手术用于药物成瘾的外科治疗仍需进一步的研究。目前，关国、欧洲等尚未大规模开 展人类临床定向微创手术戒毒，而是侧重于对吸毒成瘾机制的研究，对伏隔核在吸毒成 瘾及戒毒作用方面的研究仍停留在动物实验上，未见应用于人类临床戒毒方面的报道。 国内也仅有西安唐都医院神经外科被指定为戒毒手术的临床研究中心，其它医院禁止实 施戒毒手术。许多研究学者正在不断通过多种实验手段全面论证评价该手术的治疗效 果，为d b s 技术在脑科手术戒毒中的应用不懈努力。 1 3d b s 设计研究现状及发展趋势 随着微纳技术和生物技术的发展，上世纪8 0 年代米植入式电刺激技术开始出现。 早期的植入式电刺激器电路采用分立器件设计，功能简单、可靠性低，临床已经不再使 用【2 。9 0 年代初，植入式电刺激器电路设计丌始采用c m o s 专用集成电路以实现程控 逻辑功能，目前市场上尚有部分产品沿用这种设计。其缺点是研制费用和风险大，硬件 逻辑没有灵活性，而且有限的逻辑功能己无法满足现代植入式电刺激器功能发展的需 要。9 0 年代中期以来具有多种刺激模式和遥测功能【2 2 】的现代植入式电刺激器设讣多采 用带微处理器的专用集成电路设计，即将微功耗的微处理器内核和外围的逻辑电路乃至 模拟电路组成一块或数块专用集成电路，再和电容、晶振等分立元件一起组成厚膜电路 【2 l 】。这种电路设计功能强，可靠性高，编程灵活，可满足系统功能扩展的要求。目前市 场上广泛使用的m e d t r o n i c 公司的s y n e r g y 镇痛治疗系统、深部脑刺激系统和各种电 子耳蜗助听系统都属于这类设计【2 3 1 。 近几年来，随着微电子技术和微纳技术高速发展，集成电路的特征尺寸已进入 o 1 l x m 左右的深亚微米阶段，电路的规模从超大规模( v l s i ) 发展到了芯片系统( s o c ) ， 相应地植入式电刺激器的设计也开始朝着以s o c 为核心，实现信号检测处理电路和电 刺激电路混合集成或单片集成的方向发展。这种基于s o c 的设计将使植入式电刺激系 统具有更小的体积、更低的功耗、更高的可靠性和智能化功能，进而允许植入更小的空 间如大脑、眼睛，实施更精确、协调的治疗或控制。目前，国外正积极开展这方面的研 究，并取得了重要进展，国内也有部分研究机构和高校进行这方面的探索研究。 中北大学学位论文 植入式大脑深部刺激器是该领域的重要研究成果，该研究采用掺杂多晶硅制各电极 和微孔，用于神经的再生长，帮助帕金森氏综合症患者调节脑内信号的正常传输减小 病人的物理震颤。美国c y - b e r k i n e t i c s 公司已经获得了美f d a 的批准开始进行将一片 4 m m 2 太4 、的芯片植入瘫痪病人脑内的临床试验，医治瘫痪病人i 圳。m e d t r o a i c 等国外公 司或已有成型的产品，或正在从事相关研究。图1l 为m e d t r o n i ca e t i v a t h e r a p ys y s t e m 系统的主要组成部分。在国内，天津大学对可充电式脑起搏器进行了研究，并提出了可 行性方案【驯。很多学者0 5 矧对d b s 实现提出了框架性的解决方案，但对具体技术细节 未加以详述，文献给出了实际电路设计但其方案是针对外部能量耦合的方式，且刺 激参数调节范围有限，无法实现程控调节。 练上所述，我国在d b s 设计研究方面仍处于探索研究阶段，其关键技术是通信控 制电路和刺激电路的微型化、低功耗和能源问题，只有这些技术的不断进步，才能使脑 深部电刺激技术真正得到推广应用，给广大患者带来福音。 图l1 m e d t r o n i c a c t i v a t h e r a p ys y s t e m 4 本文的研究内容及主要工作 本文结合本专业方向重点研究脑深部电刺激器( d b s ) 的实现方案及软硬件设计 中北大学学位论文 技术。根据脑深部电刺激器植入部分对电路系统的微型化、低功耗要求，研究设计适合 于动物长期植入又能够遥测编程的微型化、低功耗脑深部电刺激器( d b s ) ，以支撑在 动物模型上研究d b s 对药物成瘾的效果和机理，并为d b s 在药物成瘾治疗中的普及应 用作出积极探索。 本文的主要工作如下： 1 ) 在查阅大量文献的基础上，分析研究脑深部电刺激器( d b s ) 治疗药物成瘾的机 理及研究现状、根据d b s 设计应用背景，确定本课题的研究方向。 2 ) 根据脑深部电刺激器( d b s ) 的组成结构及工作原理，分析研究d b s 设计的各 项关键技术，为d b s 的具体实现提供技术支持。 3 ) 在分析研究d b s 功能与设计要求的基础上，设计无线控制d b s 的实现方案， 并重点研究无线控制d b s 体内部分的实现方案，论述方案的可行性。 4 ) 根据d b s 体内刺激系统的设计指标，研究无线控制d b s 体内刺激系统硬件电 路的实现方法，设计无线控制d b s 体内刺激系统的硬件电路。 5 ) 根据d b s 低功耗的设计要求，结合硬件研究软件的低功耗设计方法，实现无线 控制d b s 体内刺激系统的软件设计，提高d b s 的使用时间。 6 ) 对无线控制d b s 体内刺激系统的主要参数进行测试与分析，验证软硬件设计是 否满足设计要求。 1 5 本章小结 本章介绍了脑深部电刺激器( d b s ) 的国内外应用背景及研究现状，明确了本课题 的研究目标和主要研究内容。 6 中北大学学位论文 2 脑深部电刺激器( d b s ) 技术 2 1 脑深部电刺激器的组成结构及工作原理 脑深部电刺激器( d b s ) ，俗称脑起搏器，它因对深部脑核团提供连续电刺激而得 名。该项技术源于植入式人工心脏起搏器，其基本原理是一个体外可编程的植入式脉冲 电刺激器及相应的电极系统，在体外控制器的操作下，采用不同的参数组合刺激靶点以 达到激活或阻断的不同效果。 一个通用的电生理和电刺激系统由6 个主要模块构成【2 引，其原理如图2 1 所示。其 中传感器测量人体的电生理信号、外部刺激信号或其它生理信号；电极阵列是向人体施 加电刺激信号的导体，有时电极阵列和传感器共用一组电极；电信号发生器是根据传感 器输入的信号，内部控制器产生恒流或恒压信号的可编程电路；可编程控制器是能够通 过计算机编程的外部控制器，它可以通过线控也可遥控信号发生器，同时它与计算机一 般有一个接口电路；电源是电刺激系统的重要组成部分，它为系统提供了长期稳定的能 源，它可以用导线方式为系统供电，也可以用射频方式向系统提供能量。 脑深部电刺激器( d b s ) 属于电刺激系统，系统工作时，通过体外控制器将控制信 号传输到体内信号发生器，体内信号发生器接收指令信号后，产生刺激信号经电极将刺 激传导至脑内特定核团，实现脑深部电刺激。通常状况下，医生通过手术将信号发生器 埋置在胸前皮下，刺激电极插入脑内特定核团或固定于神经束，脉冲发生器发出的电脉 冲通过一条植于皮下的导线传输到刺激电极，作用于靶点神经，用持续的脉冲电刺激抑 制不正常的神经放电，达到治疗效果。 图2 1 通用的电生理和电刺激系统框图 7 中北大学学位论文 2 2 脑深部电刺激器的设计要求 虽然脑深部电刺激器结构比较简单，然而，由于医学领域使用对象的特殊、刺激部 位的重要，使其在设计研制过程中面临诸多困难，通用的d b s 的设计要求如下： 1 ) 成本要低，使用寿命要长 目前全世界只有美国m e d t r o n i c 一家公司研制并生产脑深部电刺激器，其电池只能 用5 8 年，且价格非常昂贵，电池耗尽之后必须进行手术更换脉冲发生器，既给病人 增加了疼痛之苦，又给病人带来了沉重的经济负担。可见，降低成本、延长使用寿命才 能真正使脑深部电刺激器实现自身价值，使广大患者受益。 2 ) 刺激脉冲可控，精度要高 大脑是人和动物的重要器官，对脑组织进行电刺激必须保证人和动物的生命安全， 为此，脑深部电刺激器发出的治疗脉冲必须按治疗要求可控，精度要高。 3 ) 工作指令数据的可靠通信 体内刺激器与体外控制器之间的指令数据传输必须正确，保证数据信息的可靠通 信。 4 ) 超低功耗的要求 作为可植入医疗器件，为了延长使用寿命，必须满足超低功耗的要求。 5 ) 体积小、重量轻 脑深部电刺激器由于需植入体内，体积小、重量轻也是必然的要求。 综上所述，d b s 设计需要考虑的因素很多，涉及的关键技术主要包括供电技术、数 据通信技术、系统控制技术、低功耗技术等。 2 3d b s 的供电技术 脑深部电刺激器的供电方式主要分为以下形式【2 9 】，植入式电池供电、射频供电和光 电供电。 2 3 1 植入式电池供电 使用植入式电池的原因是因为它的高可靠性。低功耗或是极少出现高功耗的使用情 况，通常可以利用植入式电池供电，电池的使用寿命限定了植入式医疗电子设备的使用 寿命。如果医学技术上的进步使得电池更换比较容易，那么也就不需要考虑电池自身的 8 中北大学学位论文 使用状况了，目前这只是一种理想情况。 在电池的应用中，体积能量密度( 能量体积比) 或质量能量密度( 能量质量比) 是电池 设计选择重点考虑的参数【3 0 1 。同时，为了避免尖锐棱角损害周围的组织或者穿透皮肤， 多数植入式医疗电子设备的形状为圆形或椭圈形，电池的形状也设计成圆形。 在早期的应用中，最初采用镍镉充电电池作为电源，通过感应充电进行能量的传递。 这种电池的主要问题是寿命短，充电的可靠性依靠患者本人。目前镍镉充电电池供电的 植入式刺激器已不再销售。随后，锌汞电池也广泛地应用于植入式心脏起搏器中，这种 电池有很高的电荷体积密度和稳定的电压，3 个至6 个锌汞电池串联可提供4 v - 5 v 电 压。但这种电池不能做到完全密封，易使液体渗入起搏器引起短路和故障。另外，锌汞 电池在电池耗尽过程中电压变化很小，因此也很难估计电池的使用情况。目前已经不再 使用这种电池作为植入式心脏起搏器的电源。此外，放射性核素电池也曾经用作植入式 心脏起搏器的电源。放射性元素钋具有8 7 年的半衰期，用这种元素制成的核素电池在 1 0 年内输出电压下降只有l 。放射性核素电池具有相当长的使用寿命，但体积大、毒 性、放射性等诸多间题限制了它的应用。 锂电池的出现，使一些低功耗植入式器件工作时间可长达十余年。锂电池应用固体 电解质，可全密封，能量高、可靠性高、自放电量小，因而在植入式系统中应用广泛【3 1 1 。 新型钛外壳用于封装电池及电路，内部则由环氧树脂及硅橡胶填充。新型钛外壳以及特 殊屏蔽物能够很好地保护内部物件，并且减少外部电磁干扰。安装了这类新型起搏器的 病人可以安全地使用微波炉及其它家用或办公室内的常用电器。但电量耗尽时，需进行 手术更换电池。 可充电电池一般通过体外能量传输方式对电池充电，可避免定期进行外科手术更换 电池，减轻病人的生理、心理和经济压力。充电方式主要有电磁耦合【3 2 1 、近红外线辐射 【3 3 1 和磁耦合【3 4 】等方式。锂离子充电电池以其高工作电压、高循环寿命和高能量密度等优 异性能而备受世人青睐，被认为是目前综合性能最好的电池体系。 目前，用作锂二次电池的正极材料有锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂钒氧化物、锂铁 氧化物、锂锰氧化物等，不同的正级材料组成的二次锂电池的体积能量密度不同，见表 2 1 所示。 9 中北大学学位论文 表21 采用不同止极材料的一次锂电池 体积能量密度 正极材料电池电压( v ) ( w h 几) 钒氧化物 2 48 6 0 钛= 硫化物 2 64 8 0 钼= 硫化物 l83 0 0 锂= 氧化锰l i m n 0 2 29 4 4 0 锂二氧化钴l i c 0 0 2 397 0 0 锂= 氧化镍l i n i 0 2 38 8 3 0 锂四氧化= 锰 4 04 8 0 锂钻氧化物是现阶段商品化锂离子电池中应用最成功的正极材料。目前，相比其它 工f 极材料，l i c 0 0 2 在可逆性、放电容量、充电效率和电压稳定性等方面综合性能最佳， 但锂钻氧化物价格较贵，且对环境有污染。锂镍氧化物的性能较锂钴化合物类似，但由 于其价格便直，故有利于大量推广。锂锰氧化物价格便宜，无毒且污染小，对环境影响 小。锂钒氧化物具有高容量，特别是近几年又丌发出v 2 0 3 凝胶，它的能量密度远远超 过其它材料，在大幅提高锂离子电池使用时间的同时由于其成本低，且对环境无污染 便于大量的推广。 随着利技的不断进步，生物燃料电池受到了人们的夫注。生物燃料电池是利用酶或 者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能。该电池最大特点是利用生物体 自身化学能，实现植入式系统的能量供给，且生物相容性好，无毒性。j u s t i n 等人通过 大肠杆菌和人体白细胞实验产生电流，可望为植入式电子器件供电口”。s t e t _ t e n 等人研究 了一种无需酶的直接葡萄糖燃料电池p “，如图2 2 所示。 幽2 2 直接葡萄糖燃科电池砸掣 中北大学学位论文 此电池可通过人体体液中的葡萄糖产生电能，实验中连续7 天输出2 0 p , w 的电能， 为植入式系统长期供电的研究指出了一个方向。然而，目前这类电池的工作寿命较短， 一般只有几个小时或者几天，所以还不能用于实际，尤其是植入人体环境中使用的电能， 仍需深入细致的研究。 总之，不同类型的植入式医疗电子设备对电池的要求差别较大，选择植入式电池时 要综合考虑。 2 3 2 射频供电 采用射频供电方式能为植入式医疗电子设备连续提供高电能；利用无线射频连接， 不但可以实现能量的传递，同时也可以对植入式医疗电子设备进行控制和查询；另外， 植入式医疗电子设备的使用寿命和储存寿命也不再受电池的限制。 射频无线供电是通过体外与体内两个线圈之间的电磁耦合输送电能，主要有经皮能 量传输和直接能量传输。另外，有的设计可实现电能和数据通过同一电磁线圈共同传输 3 7 , 3 8 】。经皮无线射频供电示意图如图2 3 所示。 初级线圈 1 荔卜 射频 功率 放大器 i f l 稳 1 植入 l t ， t 压 i 部分 皮j i 天 图2 3 经皮无线射频供电方式结构示意图 这种供电方式是将一个由体外电池供电的射频振荡器的输出经射频功率放大器后 加至体外初级射频感应线圈，该线圈贴在皮肤表面，植入系统的小型次级感应线圈则平 行置于体表线圈之下，并从中感应出射频电压。该射频电压经整流、滤波、稳压后产生 稳定的直流电压，或对体内充电电池充电，或直接供给体内电子电路工作。 直接能量传输与经皮能量传输不同，两线圈的距离较大，见图2 4 。在k o p p a r t h i 和 a j m e r a 的设计巾【3 7 】，使用整流电路，把接收线圈上的交流电压变成直流电压，实验条 件下，当接收线圈分别放置在发射线圈中心和边缘处时，传输功率分别为4 m w 和 】3 2 m w 。 中北大学学位论文 2 3 3 光电供电 la ， ( c 图2 4 ( a ) 无线能量传输系统图( b ) 接收线圈( c ) 发射线圈 利用光电效应提供电能，一种是经皮直接照射近红外光，通过光电池产生电能，还 可以结合可充电电池使用【3 3 】，这样可以不必一直接受近红外光照射。如图2 5 ，此设计 中植入皮下的光电二极管区域为2 1 c m 2 ，用波长为8 1 0 r i m ，能量密度为2 2 m w c m 2 的近 红外光照射1 7 m i n 后，所产生的电能，可供心脏起搏器工作2 4 h ，能量转换效率为1 9 ，而皮肤温度升高1 4 。 另外一种是利用光纤从腹部植入皮下，通过光纤传输光能至光电池并转化为电能 1 3 8 1 。在h w a n g 等人的研究中，光纤从腹部植入并连到植入脑中的微芯片，记录神经信 号，使用8 5 0n m 激光照射，光电转换效率达4 0 ，可产生3 v 的电压，功率达到1 0 m w 。 串 l 嬲x - r d i o d e 图2 5 近红外供电系统 以上就是植入式医疗设备主要采取的供电技术，随着科技的不断创新，关于植入式 医疗电子设备能量供给的研究不断有令人振奋的新突破和新进展。充电电池技术上的进 步促进了由体内充电电池供电的各种植入式医疗电子设备的发展；高能量密度的锂聚合 物电池和薄膜电池有可能成为未来植入式电池的首选；利用体内其他能量转换实现能量 1 2 中北大学学位论文 供给( o n 生物燃料电池、人体温差电池、利用生物体自身机械能以及直接从神经上提取 电能等1 方面的研究也时有报道。 总之，研究一种更安全、能长期提供能源、无需外界辐射强能量( 电磁波或近红外 线) 的供能方式，将是植入式医疗电子设备供电电源的发展方向。 2 4d b s 的数据通信技术 d b s 要确保功能的发挥、临床诊断和治疗信息的可靠以及生物体的安全，就要求遥 测部分和程控间有可靠的数据交换。植入装置和体外程控装置之间完成信息和交换的技 术，有以下两种方式p 9 】：1 ) 用光电耦合作为传输数据的通道；2 ) 用电磁耦合通道作为 数据传输的媒介。 光电耦合作为信息传输的媒介，需要严格的光信号作为载波，且只能对光的强度进 行调制，在植入式的装置中实现时，会存在较大的噪声干扰，且在密封时也会遇到困难， 因此己应用很少。 以电磁耦合作为信息交换的媒介与射频供电的原理基本相同。一对共振于射频段的 线圈成为体内、体外数据交换的通道。在设计线圈中，要考虑到电路的传输效率、电路 比较易于实现。然而，临床应用范围的扩大对植入的深度、程控和遥测的距离提出了新 的要求。为了解决这个问题，l r o y kp r 4 0 】等人提出了e 类功率放大器的理论和设计方案： 发射端使用一种e 类功率放大器来驱动发射线圈，可以实现较低耦合系数时较高的传输 效率。为了提高体内植入部分发射端的发射距离，h e m i c sz f 4 1 l 也把e 类功率放大器应用 于该部分的发射端。但仍然存在耦合线圈两端也可能会存在由频率或线圈负载的变化引 起的频率失配，这会减弱信，l ! , , i i l 量的传输效率或产生对发射端的损害。z i e i ab 【4 2 】提出 了在体外部分的发射端使用具有反馈环的e 类功放电路，解决了以上问题。然而，耦合 天线的不同几何参数和物理参数，对整个系统的传输效率会有很大的影响。较高的品质 因素可以提高传输效率，却增加了植入部分的体积和重量，也不利于数字信号对载波的 调制。针对不同的封装材料、使用环境和能量传输效率的要求，如何设计天线的几何参 数使其具备适宜的物理参数也是植入式装置与体外程控装置间信息交换的主要问题。 有了实现体内和体外装置数据交换的物理基础，数据交换中要考虑的传输效率、载 波的选择、传输的质量等问题就成为植入式系统的设计实现时至关重要的因素。 一1 3 中北大学学位论文 2 4 1 载波的选择 植入式装置系统中，通常载波频率位于组织吸收所决定的上限和由信号通带、避开 音频干扰所决定的下限之间，同时，选择载波时也要考虑到数据的传输速率。植入式装 置由于受到生物兼容性的限制，对封装材料有特殊的要求。长期的使用和研究表明，金 属材料钛以良好的物理耐压性、化学稳定性成为理想的封装材料；硅胶、玻璃和陶瓷也 以自身的稳定性成为可选的封装材料，封装材料也会影响到载波的选择【4 3 1 。 植入式装置中，作为传输数据或能量的天线采用的封装材料有硅胶、玻璃、金属钛 等。针对不同的使用要求选择不同的封装材料，相应的载波频率就有所差别。一般情况 下，对于较低的数据传输效率和传输能量，可以采用较低的载波频率，一旦要求高的数 据传输率和高的能量传输效率就不得不在可选的频段内提高载波频率。 此外，载波频率的选择也要考虑封闭材料的衰减作用。金属钛是电的导体，对磁场 能量有很大的屏蔽和吸收作用，耦合能量和传输效率通过会属钛的衰减后会有大幅度的 降低，频率越高，衰减越大。虽然生物塑性材料对电磁耦合的能量衰减较小，却不易封 装。因此，在选择载波频率时，既要考虑到封装材料、生物组织、气隙对电磁场强度的 衰减，又要考虑到数据和能量对载波的要求，一旦确定了封装材料和载波频率，就要从 提高发射端的磁场强度或发射功率等方面来提高系统的传输效率。 2 4 2