一种低功耗脑深部电刺激器(DBS)硬件电路的制作方法

本发明涉及一种低功耗脑深部电刺激器(DBS)硬件电路，适用于生物领域。

背景技术：

长期以来，脑深部电刺激疗法在治疗控制帕金森病、癫痛、精神疾病等方面已取得了较大进展，由于该疗法具有对组织细胞损伤极小、并发症少、体外可调控调节等优点，该疗法在其它医学领域的应用研究也引起了医学界的广泛关注。

为了支撑DBS手术在相关医学领域治疗中的实验研究，脑深部电刺激器(DBS)的性能优劣将直接影响实验结果，甚至危及实验对象的生命安全。在强烈的临床应用和基础研究需求下，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也显得尤为重要。

传统的DBS硬件系统由位于脑刺激区的电极，埋植于体内的脉冲发生器及体外控制器三部分组成。其工作原理是通过植人刺激电极和体内脉冲发生器，由体外控制器调整不同的刺激参数，对脑内特定区域进行一定脉宽、频率、时间的生物电刺激来以达到激活或阻断效果。根据医学应用的需要，设计一种低功耗的脑深部电刺激器很有必要。

技术实现要素：

本发明提供一种低功耗脑深部电刺激器(DBS)硬件电路，该电路设计采用低功耗短距离射频通信技术和低频唤醒技术。低功耗短距离射频通信技术用于DBS体内外系统的数据传输；低频唤醒技术用于实现系统的任意时刻唤醒，降低功耗。电路结构紧凑，工作稳定，反应速度快。

本发明所采用的技术方案是：

所述脑深部电刺激器(DBS)由主控电路、低频唤醒电路、射频通信电路、低通滤波电路、压控恒流源电路组成。

所述低频唤醒接收模块负责微处理器休眠状态的唤醒，通知微处理器体外有读写要求；射频通信模块负责接收体外控制器的控制信号和返回体内刺激器的工作状态参数；刺激信号发生模块在微处理器的控制下产生频率、脉宽、强度可变的刺激脉冲。射频通信模块接收到体外控制命令参数后，通知微处理器根据接收的命令生成脉冲控制信号，刺激信号发生模块产生刺激脉冲，由电极完成.对脑组织刺激治疗。

所述主控电路中，2401CS、2401CE、24OIMI、240lMO、24O1SCK、240lRQ为与nRF24L01通信传输部分接口，用于接收体外程控参数或发送体内刺激参数以供外部查询；WRST、DATA、WAKE为与ATA5283通信接口，用于体内单片机休眠时的唤醒，以便用户可任意时刻唤醒单片机，修改体内刺激参数；IP为电流辐度PWM输出控制引脚，TP为刺激脉冲频率、脉宽控制引脚；MISO、MOSI、SCK、RESET为ISP程序下载接口，考虑到电路微型化的要求，下载接口进行了微型化设计。电源供电由锂锰纽扣电池CR2450提供，32768外接晶振作为异步实时时钟使用，用来定时唤醒单片机开启与关闭刺激脉冲.系统时钟采用片内1MHZ的RC振荡器。

所述低频唤醒电路中，LZ和CZ构成的LF低频并联谐振回路接收体外控制器发射的能量。只要谐振电压大于1mV,ATA5283通过N_WAKEUP触发单片机的中断INT0。单片机唤醒后，通过DATA读取数据。当数据接收完毕，单片机输出高电平到ATA5283的RESET脚，使它返回到待机侦听模式继续侦听唤醒操作。单片机通过分析接收到的串行数据，以便控制体内射频收发电路发射与接收。同时，ATA5283所需的外部器件相当少，有利于提高系统的集成度、减小电路体积。

所述DBS射频通信电路采用:Nordic公司生产的短距离无线射频收发芯片nRF24L01。该芯片通过SPI接口和单片机通讯。实现nRF24 L01的工作参数配置以及数据传送。同时，nRF24L01支持点对多点间通信，无复杂的通信协识，外围器件极少。此外，nRF24L01具有较低的工作电流与静态消耗电流，大大降低了系统功耗。

所述低通滤波器的阶数选用2阶，电路设计选用Sallen-Key结构。Sallen-Key拓扑结构适用于精度高、极点对Q值较低的场合，同时还具有元件需求较少的优势。低通滤波器电路选用TLV2404，该运放的GBP为5.5kHz，转换速度为2.5V/ms，可以满足设计要求。

所述压控恒流源电路，基于单片机ATmega48的PWM控制的D/A输出已完成电压幅度的控制，然后采用双运放压控恒流控制方案，为了保证压控恒流电路工作在线性区，输出恒流，则要求电阻R4=R3=100K，R6=R7=100K，R8=1K。

本发明的有益效果是：本电路可以实现系统的任意时刻唤醒，降低功耗，电路结构紧凑，工作稳定，反应速度快。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的主控电路。

图2是本发明的低频唤醒电路。

图3是本发明的射频通信电路。

图4是本发明的低通滤波电路。

图5是本发明的压控恒流源电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，主控电路中，2401CS、2401CE、24OIMI、240lMO、24O1SCK、240lRQ为与nRF24L01通信传输部分接口，用于接收体外程控参数或发送体内刺激参数以供外部查询;WRST、DATA、WAKE为与ATA5283通信接口，用于体内单片机休眠时的唤醒，以便用户可任意时刻唤醒单片机，修改体内刺激参数；IP为电流辐度PWM输出控制引脚，TP为刺激脉冲频率、脉宽控制引脚；MISO、MOSI、SCK、RESET为ISP程序下载接口，考虑到电路微型化的要求，下载接口进行了微型化设计。电源供电由锂锰纽扣电池CR2450提供，32768外接晶振作为异步实时时钟使用，用来定时唤醒单片机开启与关闭刺激脉冲.系统时钟采用片内1MHZ的RC振荡器。

如图2，低频唤醒电路中，LZ和CZ构成的LF低频并联谐振回路接收体外控制器发射的能量。只要谐振电压大于1mV,ATA5283通过N_WAKEUP触发单片机的中断INT0。单片机唤醒后，通过DATA读取数据。当数据接收完毕，单片机输出高电平到ATA5283的RESET脚，使它返回到待机侦听模式继续侦听唤醒操作。单片机通过分析接收到的串行数据，以便控制体内射频收发电路发射与接收。同时，ATA5283所需的外部器件相当少，有利于提高系统的集成度、减小电路体积。

如图3，DBS射频通信电路采用:Nordic公司生产的短距离无线射频收发芯片nRF24L01。该芯片通过SPI接口和单片机通讯。实现nRF24 L01的工作参数配置以及数据传送。同时，nRF24L01支持点对多点间通信，无复杂的通信协识，外围器件极少。此外，nRF24L01具有较低的工作电流与静态消耗电流，大大降低了系统功耗。

如图4，低通滤波器的阶数选用2阶，电路设计选用Sallen-Key结构。Sallen-Key拓扑结构适用于精度高、极点对Q值较低的场合，同时还具有元件需求较少的优势。低通滤波器电路选用TLV2404，该运放的GBP为5.5kHz，转换速度为2.5V/ms，可以满足设计要求。

如图5，压控恒流源电路，基于单片机ATmega48的PWM控制的D/A输出已完成电压幅度的控制，然后采用双运放压控恒流控制方案，为了保证压控恒流电路工作在线性区，输出恒流，则要求电阻R4=R3=100K，R6=R7=100K，R8=1K。