CN109011141B - 用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器 - Google Patents

用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器。该用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器包括：电源；微控制器；电源管理模块，其与电池相连，包括：稳压电路、电池电压采样电路、电磁感应线圈、整流滤波电路、充电管理及保护电路和测温电路；通信模块，其与微控制器连接，包括：信号发射电路、信号接收电路和贴片天线；以及波形生成模块，其与微控制器连接，包括：升压电路、SPI控制电路、DAC波形生成模块、改进型Howland恒流源电路、电极阻抗测试电路和极性切换电路。该用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器为全植入的、小型化的、轻量化的、具有恒流脉冲模式的无线植入式神经电刺激器。

Description

用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器
技术领域
本发明涉及植入式医疗仪器领域，特别涉及一种用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器。
背景技术
神经系统是一种器官系统，由神经元组成，起到协调动作及在身体不同部分传递信号的作用。神经系统由中枢神经系统和外周神经系统组成。感受器感受内外环境的各种刺激，经传入神经传送至中枢神经系统，经过整合后再通过传出神经将信息传导至全身各器官，调节各器官的活动，保证机体各器官、系统活动的协调，维持正常的生命活动。
神经功能失调是一大类神经系统疾病，具有较高的发病率，包括重症的帕金森病等运动障碍疾病、癫痫、顽固性疼痛等，其结果是病人明显残障。传统的神经功能失调疾病的治疗有药物方法和外科毁损手术方法。随着疾病的进展，药物治疗的效果越来越差，具有严重的副作用，而外科毁损手术法通过切除或射频毁损病灶达到治疗效果，但是手术风险极大，脑组织一旦损毁可能有不可预知的恶性后果。
植入式神经刺激器是一类帮助神经损伤后功能恢复的电子装置，植入式神经刺激系统通常由植入体内的神经刺激器、延长导线、电极、以及体外控制和充电设备等部分组成，植入式神经刺激器与延长导线相互连接，延长导线与刺激电极相互连接，刺激电极触点直接与刺激神经靶点接触。通过施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，使生物机能恢复正常运作，是一种不破坏神经组织、可逆性神经调节的外科治疗方法，已被证实对20余种神经功能失调疾病具有确切疗效。
神经刺激器的生理学基础在于神经组织对电刺激能够产生兴奋。由神经生理学的理论可知，生物的神经系统与电刺激信号可以实现关联。如果使用一个合适的电极对神经纤维的一点施加电刺激，当该电刺激强度达到某一阈值时，细胞膜电位将发生变化，神经纤维在这一点处的离子通透性将发生改变，并将随之产生的兴奋反射到高级中枢，起到治疗的作用。
但目前的刺激器产生的脉冲信号为恒压源电刺激，有效性和稳定性均差，而且目前大部分用于动物的神经电刺激实验装置具有体积大，便携性差，自由活动范围有限等问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单合理的用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器，从而克服现有刺激器的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器，包括：电源；微控制器；电源管理模块，其与电池相连，包括：稳压电路、电池电压采样电路、电磁感应线圈、整流滤波电路、充电管理及保护电路和测温电路，所述电池电压采样电路可对电池的电量进行实时的监控，所述电磁感应线圈用于接收体外充电器的能量输入，所述整流滤波电路整流滤波后通过充电管理及保护电路给电池充电；所述测温电路可实时反馈电源模块的温度以及芯片内部的温度，温度过高即终止充电或使控制芯片进入休眠模式；通信模块，其与微控制器连接，包括：信号发射电路、信号接收电路和贴片天线；以及波形生成模块，其与微控制器连接，包括：升压电路、SPI控制电路、DAC波形生成模块、改进型Howland恒流源电路、电极阻抗测试电路和极性切换电路。
优选地，上述技术方案中，电源采用有线充电电池或无线充电电池。
优选地，上述技术方案中，电源管理模块提供USB充电以及无线充电两种管理模式。
优选地，上述技术方案中，该用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器通过通信模块与体外控制设备进行无线通信，接收外部控制设备传送的刺激数据，微控制器根据获得的数据进行对波形生成的控制以及对切换电路的输出控制。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器既可以产生单相恒流脉冲输出，又可以产生双相恒流脉冲输出，并且可以产生1～4路脉冲输出，使用灵活，适用范围广，可以满足不同的应用需求。该用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器还具备小型化、轻量化的、无线化等优点，为开展复杂环境下植入式神经生物实验提供了良好的实验条件，本发明具有极高的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明的用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器的使用结构示意图。
图2为本发明的用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器的单相恒流输出时的电脉冲示意图。
图3为本发明的用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器的双相恒流输出时的电脉冲示意图。
图4为本发明的用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器的结构框图。
图5为本发明的用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明具体实施方式的用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器的具体结构包括：电源、微控制器、电源管理模块、通信模块和波形生成模块。其中，波形生成模块主要通过微控制器经过SPI接口提供主动时钟，将数字信号通过DAC输出转换为刺激脉冲所需的模拟信号。电源管理模块与电池相连，提供USB充电以及无线充电两种管理模式，电池电压采样电路可对电池的电量进行实时的监控，电磁感应线圈用于接收体外充电器的能量输入，整流滤波后通过充电保护电路给电池充电。测温电路可实时反馈电源模块的温度以及芯片内部的温度，温度过高即终止充电或使控制芯片进入休眠模式。通信模块由微控制器控制，单双相恒流电刺激器通过通信模块与体外控制设备进行无线通信，接收外部控制设备传送的刺激数据，微控制器根据获得的数据进行对波形生成的控制以及对切换电路的输出控制。该用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器1能够实现生物体内外的无线数据传输，可产生1-4路单相/双相恒流电脉冲信号，通过延长导线2将该电脉冲信号传递给刺激电极，刺激电极3再将电脉冲信号分别加到两个神经靶点，在靶点神经处产生脉宽、频率、幅度、工作时间、关断时间等参数可调且调整范围比较宽泛的电脉冲刺激信号，为以大鼠为对象的动物实验提供多样化的刺激模式，通过电脉冲刺激可以对神经类疾病起到治疗的作用。该用于大鼠脑部的单双相恒流电通过编程可以产生一至四路的电脉冲信号，图2和图3所示为产生单相和双相两种电脉冲信号，每个通道脉冲的幅度和脉宽均可以独立调节，每个通道的每个刺激电脉冲输出后，都会经过短时间的延时。
具体来讲，如图4所示，电源采用有线充电电池或无线充电电池。
微控制器是刺激器电路的控制核心，具体控制功能为：控制通信模块与体外控制器进行无线传输与参数配置，控制刺激波形的生成，控制通道输出数量与切换功能，监测并控制充电模块的工作状态，控制ADC采样芯片内部温度信息，控制阻抗测试电路对电极的在体阻抗进行测试，电极阻抗测量电路通过AD采集采样电极负载的电压获得脉冲输出的电流信息，通过计算得到电极间阻抗，测试输出能力是否满足电刺激标准。
电源管理模块与电池相连，包括：稳压电路、电池电压采样电路、电磁感应线圈、整流滤波电路、充电管理及保护电路和测温电路，提供USB充电以及无线充电两种管理模式，电池电压采样电路可对电池的电量进行实时的监控，电磁感应线圈用于接收体外充电器的能量输入，整流滤波电路整流滤波后通过充电管理及保护电路给电池充电。测温电路可实时反馈电源模块的温度以及芯片内部的温度，温度过高即终止充电或使控制芯片进入休眠模式。
通信模块与微控制器连接，包括：信号发射电路、信号接收电路和贴片天线。在功耗上可通过微控制器来进行配置为正常模式、低功耗模式、睡眠模式等，在通信模式上可设置为广播式、基站式，不仅仅能实现点对点，也可实现对多点的控制。
该用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器通过通信模块与体外控制设备进行无线通信，接收外部控制设备传送的刺激数据，微控制器根据获得的数据进行对波形生成的控制以及对切换电路的输出控制。无线通信可以采用单字节(Byte)或者双字等为单位进行调制。体外控制设备自定义的一套通信协议数据格式中Prefix用于表示命令头，前缀，用于标示命令的开始，1个字节，值为0x55。Command为命令码，具体的命令数据，1个字节，通过命令码来设置单相或者双相输出，Para1-6:命令参数，分别为1个字节，用于对刺激波形参数的设定。Check位为校验码，1个字节。命令码与四个参数的算数和，取最低字节，用于校检数据传输过程中有误误码，如有误码，则请求重发。Suffix：命令尾，用于标示命令结束，1个字节，值为0xAA。
无线通信建立之后，收到数据，对命令进行回复的数据传输格式：
Prefix：回复头，用于标示回复的开始，1个字节。Command：回复命令码，用于标示此回复对应的命令，1个字节。Para1-6为回复参数，各1个字节。Check：校验码，1个字节。回复命令码与四个参数的算数和，取最低字节。Suffix：回复尾，用于标示回复结束，1个字节。
回复码的定义RETURNCODE_OK返回值为0代表操作成功，COMMAND_LENGTH_ERR返回值1代表命令格式长度错误，COMMAND_PREFIX_ERR返回值2代表命令头错误，COMMAND_SUFFIX_ERR返回值为3代表命令尾错误，COMMAND_CHECK_ERR返回4代表校验码错误，COMMAND_UNDEFINED返回5，代表命令码未定义，COMMAND_CHAR_ERR返回1023代表命令字符错误，用于20个字符命令格式。
波形生成模块与微控制器连接，包括：升压电路、SPI控制电路、DAC波形生成模块、改进型Howland恒流源电路、电极阻抗测试电路和极性切换电路。其中，升压电路可将3.3V的供电电压抬升至30V，设计改进型Howland恒流源电路使得输出电压范围可达30V，实现轨到轨的电压放大，可以更好的适应宽泛的生物负载要求。生物负载在20-100KΩ的阻抗下上的最大值可以达到30V左右，恒定电流刺激范围可达0-250μA，刺激频率0-250Hz可调。SPI控制电路主要由微控制器的UASRT复用为SPI串口，结合16bit高精度、低功耗的DAC模块组成，完成对刺激波形从数字信号到模拟信号的转换控制。在实验开展初期以及过程中，电极阻抗测试电路能够测量所述植入式电刺激器所连接的电极的生物在体阻抗。单双相恒流脉冲输出通过微控制器对极性切换电路的控制来进行配置，双相恒流输出是为了进行电荷平衡而设计，实现对神经刺激靶点的正反向电荷平衡，避免损伤靶点组织。
图5所示为单双相恒流输出控制程序的流程，首先开始建立通信连接，在微控制器接收到外部传送过来的数据之后，通过对数据协议的解析获得输出通道、电极极性参数，之后进入阻抗测试环节，通过对在体电极间阻抗的测试，以此推断输出能力是否满足电刺激标准，如果阻抗过高则终止实验，在阻抗测试结果合格的前提下，通过微控制器控制波形的生成以及对电刺激通道数与极性的切换控制，最后在满足刺激时长的情况下退出实验，未满足则继续进行实验。
综上，该用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器为全植入的、小型化的、轻量化的、具有恒流脉冲模式的无线植入式神经电刺激器，能够产生恒流模式的脉冲信号，同时可以通过体外设备进行参数配置和刺激控制，满足多种神经系统方面的生物实验需求。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (3)

1.一种用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器，其特征在于，包括：
电源；
微控制器；
电源管理模块，其与电池相连，包括：稳压电路、电池电压采样电路、电磁感应线圈、整流滤波电路、充电管理及保护电路和测温电路，所述电池电压采样电路可对电池的电量进行实时的监控，所述电磁感应线圈用于接收体外充电器的能量输入，所述整流滤波电路整流滤波后通过充电管理及保护电路给电池充电；所述测温电路可实时反馈电源模块的温度以及芯片内部的温度，温度过高即终止充电或使控制芯片进入休眠模式；
通信模块，其与微控制器连接，包括：信号发射电路、信号接收电路和贴片天线；以及
波形生成模块，其与微控制器连接，包括：升压电路、SPI控制电路、DAC波形生成模块、改进型Howland恒流源电路、电极阻抗测试电路和极性切换电路；
其中，该用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器通过通信模块与体外控制设备进行无线通信，接收外部控制设备传送的刺激数据，微控制器根据获得的数据进行对波形生成的控制以及对切换电路的输出控制；
其中，波形生成模块主要通过微控制器经过SPI接口提供主动时钟，将数字信号通过DAC输出转换为刺激脉冲所需的模拟信号；
其中，单双相恒流电刺激器通过通信模块与体外控制设备进行无线通信，接收外部控制设备传送的刺激数据，微控制器根据获得的数据进行对波形生成的控制以及对切换电路的输出控制；
其中，通信模块采用单字节 (Byte) 或者双字为单位进行调制，且体外控制设备自定义的一套通信协议数据格式中Prefix用于表示命令头，前缀，用于标示命令的开始，1个字节，值为0x55，Command为命令码，具体的命令数据，1个字节，通过命令码来设置单相或者双相输出，Para1-6:命令参数，分别为1个字节，用于对刺激波形参数的设定，Check位为校验码，1个字节，命令码与四个参数的算数和，取最低字节，用于校检数据传输过程中有无 误码，如有误码，则请求重发，Suffix：命令尾，用于标示命令结束，1个字节，值为0xAA；
其中，回复码的定义RETURNCODE_OK返回值为0代表操作成功，COMMAND_LENGTH_ERR返回值1代表命令格式长度错误，COMMAND_PREFIX_ERR返回值2代表命令头错误，COMMAND_SUFFIX_ERR返回值为3代表命令尾错误，COMMAND_CHECK_ERR返回4代表校验码错误，COMMAND_UNDEFINED返回5，代表命令码未定义，COMMAND_CHAR_ERR返回1023代表命令字符错误，用于20个字符命令格式。
2.根据权利要求1所述的用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器，其特征在于，所述电源采用有线充电电池或无线充电电池。
3.根据权利要求1所述的用于大鼠脑部的单双相恒流电刺激器，其特征在于，所述电源管理模块提供USB充电以及无线充电两种管理模式。
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