一种可编程无线神经刺激系统的设计与实现

【作 者】张章，余文成，谭烨，曾剑敏，解光军

1 合肥工业大学电子科学与应用物理学院，合肥市，230009

2 复旦大学信息科学与工程学院，上海市，200433

一种可编程无线神经刺激系统的设计与实现

【作 者】张章1,2，余文成1，谭烨1，曾剑敏1，解光军1

1 合肥工业大学电子科学与应用物理学院，合肥市，230009

2 复旦大学信息科学与工程学院，上海市，200433

该文提出并设计实现了一种用于神经系统疾病的功能电刺激疗法的可编程无线神经刺激系统。系统由控制器和神经刺激器两部分组成，控制器将脉冲参数经无线传递给刺激器，刺激器根据接收到的参数产生电荷平衡的双向脉冲。通过在刺激器中利用ADC对输出的双向脉冲采样，再将采样结果与预置的幅值比较微调DAC的输出，实现电压校准。经过测试，双相电荷平衡刺激脉冲输出准确，脉冲幅值范围为0～5 V可调；刺激频率范围为1～200 Hz可调；脉宽500 μs、1 000 μs、1 500 μs三档可调；刺激持续时间10 s～10 min可调。

无线传输；电荷平衡；电压校准

0 引言

植入式神经刺激(Implantable Neural Stimulation)是以一定程度的电流脉冲刺激靶点神经，以调整或恢复脑部、神经或肌肉的功能，使症状缓解的一种方法[1]。人工耳蜗[2]、人工视觉修复[3]、脑深部电刺激器[4]等均已在临床上实现，其中人工耳蜗是人体植入装置中最成功的一个范例[5]。植入式神经电刺激疗法已被证实对二十余种神经功能失调疾病具有确切的疗效，且安全可逆，正在成为这些疾病的首选治疗方案。

刺激器所产生的刺激波形为电荷平衡的双相脉冲，由阳极相和阴极相组成。阳极相负责去极化组织而引发动作电位，阴极相用来除去在电极和组织中的残留电荷以减少组织损伤[6]。因此，在慢性电刺激中确保电荷平衡至关重要。图1为典型的矩形双向刺激脉冲波形，T1为阳极脉冲宽度，T2为阴极脉冲宽度。为了避免阴极脉冲引起纤维兴奋，通常阴极脉冲的电压幅度要小于阳极脉冲的电压幅度[7-9]。T3为相间延迟，作用是避免突加的反向刺激脉冲对由阳极相激发的神经冲动在神经纤维上的传导产生阻碍[10-11]。当V1×T1= V2× T2时，实现电荷平衡。

图1 典型的双相刺激脉冲Fig.1 Typical biphasic stimulation pulse

本文提出并设计实现了一种用于神经系统疾病的功能电刺激疗法的可编程无线神经刺激系统。该系统由控制器和神经刺激器两部分组成，神经刺激器产生电荷平衡的双向脉冲经微电极传输来刺激靶点神经，控制器利用无线传输将刺激脉冲的脉宽、频率、幅度、工作时间传递给刺激器。采用的刺激波形中阳极脉冲幅度与阴极脉冲幅度之比为V1:V2=4:1，脉宽之比为T1:T2=1:4，符合双相电荷平衡的要求。

1 系统整体结构

无线神经刺激系统的整体结构框图如图2所示，系统包括控制器和神经刺激器。控制器由控制界面、微控制器和无线发射组成，是整个系统的控制中心。控制界面是用Visual Basic编写的软件助手，刺激脉冲的参数(幅度、脉宽、频率)利用RX232串口通信传送到微控制器，再经过无线发射与接收传送到刺激器中，微处理器根据接收到的参数来确定数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)的预设值和开关的导通时间。为了实现电荷平衡，系统利用模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)采样输出的脉冲幅值并将采样结果与DAC预设值比较形成反馈环路来微调脉冲的输出幅值。

图2 系统整体结构框图Fig.2 Overall block diagram of the system

2 关键模块实现

2.1 双相平衡刺激脉冲产生电路

为了避免电荷在刺激处的积累对组织造成损害，该刺激器采用双极性脉冲，并且阳极脉冲和阴极脉冲的面积相同，以保证电荷平衡。图3为双向平衡刺激脉冲产生电路，DAC1输出恒定的电压值作为阳极脉冲的幅值，DAC2输出恒定的电压值作为阴极脉冲的幅值。当电极作用于靶细胞时，电极间的阻抗约为9 kΩ[12]。由于负载很大，需要在DAC的输出端接入运放，起缓冲与阻抗变换的作用。输出脉冲的极性是通过四个开关S1-4选择的。在T1时间内，DAC1输出幅值为V1的恒定电压，并且开关S1、S4打开，S2、S3关闭。输出点a的电位高于输出点b的电位，则称T1时间内产生的波形为阳极脉冲。在T2时间内，DAC2输出幅值为V2的恒定电压，并且开关S2、S3打开，S1、S3关闭。输出点a的电位低于输出点b的电位，则称T2时间内产生的波形为阴极脉冲。T3时间内，DAC1、DAC2不工作，并且开关S1、S2关闭，S3、S4打开。输出点a、b相当于短接到地，两端的电压为零，则称这个过程为相间延迟。在实际电路中开关用CMOS实现，开关的导通与关断时间以及脉冲幅值由 MCU 程序精确调节，并通过ADC采样输出脉冲的幅值再反馈到MCU中，从而保证电极的两个触点在一个刺激波形的周期内的平均值接近零，以实现电荷平衡。

图3 双向平衡刺激脉冲产生电路Fig.3 Biphasic balance stimulation pulse generating circuit

2.2 无线通信设计

由图2可知，无线通信是连接控制器和神经刺激器的桥梁。控制界面输入的刺激脉冲参数通过控制器的发射模块调制发射出去，刺激器的接收模块经过解调将数据恢复，微控制器根据接收到的数据使脉冲产生电路输出双相平衡刺激脉冲。该系统使用的无线通信模块是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片NRF905[13]，传输速率达到50 kbps。

2.3 电压校准模块

为了避免电荷积累在刺激处对组织造成损伤，该系统采用双向平衡刺激脉冲，使得在一个刺激周期内，电极和组织上的净电荷量接近零，从而保证电荷平衡。而实际电路中由于DAC的输出误差和运放的失调电压会导致电荷不平衡，因此需要电压校准模块进行校准，使得双向刺激脉冲的电荷在可接受的误差范围之内。本系统中利用微处理器片内集成的ADC对输出刺激脉冲进行采样，微处理器将ADC采样的数据利用中位值平均滤波法得到刺激脉冲的幅值，然后再将幅值与预置的DAC值比较，自动调节DAC的预置。经过一定的时间，刺激脉冲的幅值与预置的电压相同，从而实现了电荷平衡。

2.4 控制界面

为了刺激电压的灵活控制，本文基于 Visual Basic编写了用户软件，便于远程操作。Visual Basic提供了MSComm(Microsoft Communications Control)控件来支持应用程序对串口的访问。在应用程序中插入MSComm控件后就可以较为方便地实现对计算机串口收发数据。控制器利用RX232与计算机进行串口通信，实现了将双相平衡刺激脉冲的所有参数从操作界面传递到刺激器中，极大方便了对刺激器输出脉冲的调控。

3 测试结果与分析

该系统产生的双向刺激脉冲如图4所示，示波器的通道一显示的是阳极脉冲的波形，通道二显示的是阴极脉冲的波形，中间math通道显示的是通道一与通道二相减后的波形。从图中可以看出系统产生的刺激波形符合图1中描述的典型双向平衡脉冲。图4(a)、(b)分别列出了不同频率、幅值、脉宽的刺激脉冲。由于本文提出并运用了ADC校准技术，使得刺激脉冲的幅值与预设值存在很小的误差。根据示波器中显示的参数和测量可知，阳极脉冲和阴极脉冲的幅度之比满足4:1的关系，脉宽之比也满足1:4的关系，因此实现了电荷平衡。实物模型和测试平台如图5所示。

图4 测试波形Fig. 4 Measured waveforms

图5 实物模型与测试平台Fig. 5 Physical model and test platform

4 结束语

本文设计了一种可编程无线神经刺激系统，实现了输出两相电荷平衡的刺激脉冲。在控制界面中设置好的脉冲参数，通过串口和无线通信模块由电脑传递到刺激器。刺激器根据接收到的参数控制DAC输出相应的刺激脉冲。电压校准在整个系统中形成反馈，使得输出的阴极脉冲和阳极脉冲达到电荷平衡的要求。该系统作为板级刺激器模型具有成本低、稳定性强、可靠性高以及操作方便等特点，同时也为集成单片系统(SoC)的实现提供了前瞻性研究。

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[13] 绿盾科技. nRF905技术文档[R]. 2010.

Design and lmplementation of a Programmable Wireless Neural Stimulation System

【 Writers 】ZHANG Zhang1,2, YU Wencheng1, TAN Ye1, ZENG Jianmin1, XIE Guangjun1
1 School of Electronics Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei, 230009
2 School of Information Science and Technology, Fudan University, Shanghai, 200433

wireless transmission, charge balance, voltage calibration

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.01.008

1671-7104(2016)01-0030-03

2015-10-15

国家自然科学基金（61404043）；中科院重点实验室开放课题（IIMDKFJJ-13-06, IIMDKFJJ-14-04）；合肥工业大学中央高校基本科研业务费专项资金资助（2015HGZX0026）

张章，E-mail: zhangzhang@hfut.edu.cn

【 Abstract 】The paper proposes and realizes a programmable wireless neural stimulation system which can be used as a solution of functional electrical stimulation to treat neural diseases. The system is composed of two parts: controller and neural stimulator. The controller can transmit pulse parameters to the stimulator wirelessly, and the stimulator can generate bidirectional pulses with charge balance. The simulator takes use of ADCs to sample on the bidirectional pulse output, which compared with preset amplitude to the DAC output voltage to realize the voltage calibration. Through the test, the whole system works stably and the output of the biphasic charge balanced circuit is definite. The stimulator output ranges from 0 to 5 V ajustably, and the frequency ranges from 1 Hz to 200 Hz ajustably, while the pulse width ranges from 500 μs to 1500 μs ajustably. The duration of the stimulation can be set from 10 s to 10 min.