一种低功耗脑深部电刺激器(DBS)硬件电路.pdf

1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201510735493.8 (22)申请日 2015.11.03 A61N 1/372(2006.01) A61N 1/08(2006.01) A61N 1/05(2006.01) (71)申请人 郭洪 地址 110179 辽宁省沈阳市浑南新区浑南三 路新华国际公寓 A 座 8-A 号 1 楼 (72)发明人 郭洪 (54) 发明名称 一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路 (57) 摘要 一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电 路， 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

2、、 压控恒流源 电路组成。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。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 CN 106621048 A 2017.05.10 CN 106621048 A 1/1 页 2 1.一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路， 其特征是 ： 所述的脑深部电刺激器采 用低功耗短距离射频通信技术和低频唤醒技术

3、。 2.根据权利要求 1 所述的一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路， 其特征是 ： 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。 3.根据权利要求 1 所述的一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路， 其特征是 ： 所 述的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。 4.根据权利要求 1 所述的一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路， 其特征是 ： 所 述的主控电路中， 2401CS、 2

4、401CE、 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。 5.根据权利要求 1 所述的一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路， 其特征是 ： 所 述主控电路中， 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。 6.根据权利要求 1 所述的一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路， 其特征是 ： 所 述低频唤醒电路中， LZ 和 CZ

5、 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。 7.根据权利要求 1 所述的一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路， 其特征是 ： 所 述低频唤醒电路中， 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。 8.根据权利要求 1 所述的一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路， 其特征是 ： 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。 9.根据权利要

6、求 1 所述的一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路， 其特征是 ： 所 述低通滤波器的阶数选用 2 阶， 电路设计选用 Sallen-Key 结构。 10.根据权利要求 1 所述的一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路， 其特征是 ： 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。 权 利 要 求 书 CN 106621048 A 2 1/3 页 3 一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路 技术领域 0001 本发明涉及一种低功耗脑深部电刺激器 (DBS) 硬件电路， 适用

7、于生物领域。 背景技术 0002 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。 0003 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。 0004 传统的 DBS 硬件系统由位于脑刺激区的电极，

8、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。 发明内容 0005 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。 0006 本发明所采用的技

9、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。 0007 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。 0008 所 述 主 控 电 路 中， 2401CS、 2401

10、CE、 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

11、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 说 明 书 CN 106621048 A 3 2/3 页 4 RC 振荡器。 0009 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

12、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。 0010 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。 0011 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

13、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。 0012 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。 0013 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 0

14、014 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 0015 图 1 是本发明的主控电路。 0016 图 2 是本发明的低频唤醒电路。 0017 图 3 是本发明的射频通信电路。 0018 图 4 是本发明的低通滤波电路。 0019 图 5 是本发明的压控恒流源电路。 具体实施方式 0020 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 0021 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、

15、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。 0022 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

16、器发 说 明 书 CN 106621048 A 4 3/3 页 5 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。 0023 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 nR

17、F24L01。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。 0024 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。 0025 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。 说 明 书 CN 106621048 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 106621048 A 6 2/2 页 7 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 106621048 A 7