基于AVR的微功耗電刺激器

　　運動障礙性疾病源于不同神經(jīng)遞質(zhì)之間的失衡，而不同部位神經(jīng)細(xì)胞的變形壞死是導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)失衡的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)。既往對運動性疾病的治療主要通過藥物治療或蒼白球手術(shù)破壞兩種方法。第一種治療途徑或者是療效差，或者是因藥物副作用大患者不能耐受；而第二種途徑即手術(shù)破壞的副作用也特別大。如果能夠刺激腦內(nèi)某一特定的核團(tuán)，以改變核團(tuán)的功能活動，就有可能在一定程度上糾正神經(jīng)遞質(zhì)之間的失衡，從而達(dá)到治療運動性疾病的目的。自1960年以來，神經(jīng)病學(xué)家和神經(jīng)外科學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)，深部腦刺激(Deep Brain Stimulation, DBS)能夠改善神經(jīng)系統(tǒng)疾病如特發(fā)性震顫和帕金森氏病的某些癥狀。研究人員預(yù)測，DBS還可能用于治療癲癇、疼痛、多發(fā)性硬化、癱瘓、強迫性神經(jīng)癥和抑郁癥等疾病。

　　為了研究DBS對癲癇治療的機(jī)理，首先開發(fā)了微型迷走神經(jīng)電刺激實驗器(Vagus Nerve Stimulator，VNSr)，并植入大鼠體內(nèi)進(jìn)行癲癇治療的研究。分別在大鼠出生后35天(Postnatal 35 days, P35)和P60時埋植神經(jīng)刺激器刺激電極和腦電圖(Electroencephalograph，EEG)記錄電極，借助電刺激器發(fā)出一定頻率、脈寬和強度的脈沖刺激迷走神經(jīng)，通過觀察動物自發(fā)性癲癇發(fā)作(Spontaneous Recurrent Seizures，SRSs)的頻率、皮層和海馬EEG的頻譜變化、水迷宮測定動物的視-空間記憶功能及Timm和Thionin組織染色觀察大腦神經(jīng)病理學(xué)改變，來測定神經(jīng)刺激器對癲癇的治療作用。

　　電刺激器由植入電極、連接導(dǎo)線及皮下脈沖發(fā)生器三部分組成。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的刺激電流經(jīng)刺激電極刺激迷走神經(jīng)。植入動物體內(nèi)的電刺激器需要在設(shè)定的時間開啟。在一個時間間隔里，發(fā)出一定頻率的刺激脈沖電流。本文主要敘述電刺激器的設(shè)計思想。

　　1 電刺激器設(shè)計要求

　　本系統(tǒng)中植入動物體內(nèi)的電刺激器屬于開環(huán)控制，設(shè)定為間歇式工作方式，根據(jù)前期實驗結(jié)果，結(jié)合參考文獻(xiàn)1提供的參數(shù)，刺激器工作間隔時間為5分半鐘，刺激器每工作30秒，輸出一次刺激電流，然后停止工作5分鐘，如此循環(huán)往復(fù)。工作過程是輸出頻率30Hz、脈寬500μs的刺激電流。為了準(zhǔn)確控制設(shè)定的參數(shù)，本系統(tǒng)中嵌入了單片機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　電刺激器設(shè)計的關(guān)鍵是高可靠性、微型化和低功耗。因此采用紐扣式電池供電，選用低功耗、微小封裝的高可靠性單片機(jī)和元件。