運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(cè)，DBS還可能用于治療癲癇、疼痛、多發(fā)性硬化、癱瘓、強(qiáng)迫性神經(jīng)癥和抑郁癥等疾病。
　　為了研究DBS對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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" title="電刺激器">電刺激器發(fā)出一定頻率、脈寬和強(qiáng)度的脈沖刺激迷走神經(jīng)，通過觀察動(dòng)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(cè)定動(dòng)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(cè)定神經(jīng)刺激器對(duì)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(dòng)物體內(nèi)的電刺激器需要在設(shè)定的時(shí)間開啟。在一個(gè)時(shí)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(jì)思想。
1 電刺激器設(shè)計(jì)要求
　　本系統(tǒng)中植入動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)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。
2 電壓調(diào)整
　　本系統(tǒng)采用3V紐扣式鋰電池供電，為了達(dá)到刺激電流的強(qiáng)度要求，需要將電壓提升。電壓的提升應(yīng)選用高效率緊湊型DC/DC進(jìn)行升壓?？晒┻x用的緊湊型升壓DC/DC的IC元件很多，例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM2703、LM2733，凌特公司的LT1615，德州儀器的TPS61040，臺(tái)灣易亨電子的AP1522等等。這幾種IC都是SOT23-5的緊湊型封裝，管腳完全兼容，這也是本系統(tǒng)選用這種IC的原因，不擔(dān)心芯片缺貨，將外圍元件參數(shù)稍做修改就可以對(duì)IC進(jìn)行互換。電壓調(diào)整電路的接線原理圖如圖2所示。

　　LT1615是微功耗高效率的升壓DC/DC，輸入電壓范圍為1.5V~15V，適用于最大輸出電流小于100mA的場(chǎng)合。芯片在空載時(shí)的靜態(tài)工作電流為20μA，當(dāng)4腳SHDN為低電平時(shí)關(guān)閉芯片，其靜態(tài)工作電流僅為0.5μA。芯片的工作效率約為75%。輸出電壓值由圖中的R2和R4決定: 。
　　使用3V電池直接給單片機(jī)供電。單片機(jī)通過圖中的ON_OFF控制包括DC/DC電路在內(nèi)的外圍電路的供電，在工作的間歇期進(jìn)入休眠狀態(tài)無輸出脈沖時(shí)，將ON_OFF設(shè)為高電平，切斷外圍電路的供電，從而有效地降低系統(tǒng)的電流損耗。
3 ATmega48單片機(jī)及其脈沖發(fā)生電路
3.1 ATmega48單片機(jī)及應(yīng)用
　　ATmega48單片機(jī)是Atmel公司在2004年底推出的微功耗高性能八位單片機(jī)，采用TQFP32緊湊型封裝，批量生產(chǎn)時(shí)還可以選用更小體積的MLF32封裝(尺寸僅為5mm×5mm)。內(nèi)有4KB的Flash程序存儲(chǔ)器、256B的EEPROM和512B的靜態(tài)存儲(chǔ)器。支持ISP串行下載方式。
　　ATmega48單片機(jī)為RISC結(jié)構(gòu)，在1MHz頻率下速度為1MIPS。系統(tǒng)時(shí)鐘" title="系統(tǒng)時(shí)鐘">系統(tǒng)時(shí)鐘有外部低頻、外部高頻、內(nèi)部RC振蕩器時(shí)鐘等多種工作方式可以選擇。選擇方法是通過編寫熔絲位，并結(jié)合軟件編程與時(shí)鐘相關(guān)的寄存器實(shí)現(xiàn)。選擇單片機(jī)的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的功耗也越大。本系統(tǒng)選用128kHz的內(nèi)部RC振蕩器，在工作電壓為3V時(shí)，靜態(tài)電流小于60μA。休眠狀態(tài)時(shí)靜態(tài)電流更低。ATmega48單片機(jī)內(nèi)有六種省電休眠模式，可以使儀器在非工作期間進(jìn)入休眠狀態(tài)。ATmega48的系統(tǒng)時(shí)鐘還可以通過編程分頻" title="分頻">分頻進(jìn)一步地降低時(shí)鐘頻率，減小功耗，在儀器休眠期，采用32倍的分頻系數(shù)將時(shí)鐘降低到4kHz。
　　ATmega48單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)8位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以滿足本系統(tǒng)對(duì)開啟時(shí)間、脈寬、脈沖頻率的精確控制。另外單片機(jī)還有6個(gè)PWM輸出口，可以用于調(diào)節(jié)儀器的刺激強(qiáng)度。ATmega48單片機(jī)內(nèi)部有獨(dú)立的硬件看門狗時(shí)鐘，可以有效地防止單片機(jī)死機(jī)。
　　本系統(tǒng)選用的ATmega48V是ATmega48的低電壓工作的芯片，選用ATmega48V作為電刺激器的主控芯片，幾乎不需要另加其他的元件。ATmega48V可以在1.8V~5.5V范圍的電壓下工作，在電池使用的有效電壓范圍內(nèi)，單片機(jī)均可正常工作，能充分利用電池的容量。
3.2 脈沖發(fā)生電路
　　通常具有一定驅(qū)動(dòng)功率的脈沖輸出電路首先產(chǎn)生脈沖波形，再將脈沖波形用集成的功率放大器作驅(qū)動(dòng)放大，放大電路工作在線性放大區(qū)。這種放大電路必須具有靜態(tài)電流來維持合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，功耗較大。為了降低耗電流，本系統(tǒng)的電刺激器用開關(guān)方式生成刺激脈沖。單片機(jī)及其脈沖發(fā)生器電路原理如圖3所示。J1是刺激電極的接線端子，OC0A是ATmega48V定時(shí)器0的PWM輸出口，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求調(diào)節(jié)輸出強(qiáng)度。用PWM輸出以及R6、R7、C6和C7組成的濾波器調(diào)節(jié)U3A正相的輸入電壓。運(yùn)放U3A接為正相放大方式，放大倍數(shù)由R8和R9決定。Q2為功率放大三極管，增大輸出的驅(qū)動(dòng)能力。Q3工作在開關(guān)狀態(tài)，用于控制輸出脈沖的寬度和頻率，當(dāng)ATmega48V的9腳是高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，輸出刺激脈沖；導(dǎo)通500μs后，ATmega48V的9腳變到低電平，Q3關(guān)閉，脈沖結(jié)束；按10Hz的頻率循環(huán)往復(fù)。

4 功能實(shí)現(xiàn)及軟件編程
　　ATmega48有131條指令，大多是單機(jī)器周期指令，指令系統(tǒng)非常豐富。ATmega48在指令設(shè)計(jì)時(shí)很好地考慮到C語言的操作模式，用C語言編程可以得到很高的代碼效率。ATmega48屬于AVR系列的單片機(jī)，常用的用于AVR單片機(jī)開發(fā)的C語言有兩種：AVR-ICC和AVR-GCC。AVR-ICC是商業(yè)的AVR的C語言集成化開發(fā)工具(IDE)，界面友好，使用簡(jiǎn)單，有生產(chǎn)和代理商很好的技術(shù)支持。而AVR-GCC是依靠網(wǎng)絡(luò)流行的公開源代碼的自由軟件，可以從網(wǎng)上(http://www.avrfreaks.net)免費(fèi)下載編譯軟件和各種工具軟件。由于AVR-GCC有大量的高手參與開發(fā)和眾多網(wǎng)上參與者的測(cè)試，其軟件的更新速度和代碼效率以及軟件缺陷率的排除都非常出色。但是AVR-GCC是由UNIX平臺(tái)上移植過來的，保留了類似UNIX的操作方式，對(duì)于不熟悉UNIX的WINDOWS用戶，其使用時(shí)入門很困難，只有熟練使用后才能感到其功能的強(qiáng)大。在http://www.avrfreaks.net網(wǎng)上有關(guān)于AVR-GCC的論壇，使用中的許多問題都可以在論壇上得到幫助。由于AVR-GCC具有低廉的使用成本和出色的功能，所以本系統(tǒng)選用AVR-GCC作為編程工具。
　　電刺激器在工作的間歇期進(jìn)入休眠狀態(tài)。ATmega48有6種休眠方式，每一種方式休眠的部件不相同，休眠后單片機(jī)的功耗也不同。由于電刺激器在休眠時(shí)要求定時(shí)重新喚醒進(jìn)行工作，必須保留一個(gè)定時(shí)器的工作。因此選用的休眠方式為IDLE，在IDLE方式下定時(shí)器2仍然可以工作。以下是休眠部分的程序。
　　set_sleep_mode(SLEEP_MODE_IDLE); //設(shè)置休眠方式為IDLE
　　SMCR |= _BV(SE); 　　　　　　　　　　　//允許休眠
　　_asm_ _volatile_ ('sleep' 'nt' :: ); //進(jìn)入休眠
　　SMCR &= ~_BV(SE); //從休眠中喚醒，進(jìn)入工作狀態(tài)，不允許休眠
　　定時(shí)器2用于對(duì)休眠期的時(shí)間間隔計(jì)時(shí)。t2_init_idle(void) 是進(jìn)入休眠狀態(tài)前初始定時(shí)器2的程序，SIGNAL(SIG_OVERFLOW2)是休眠狀態(tài)下定時(shí)器2的中斷服務(wù)程序。每1分鐘定時(shí)器2將會(huì)產(chǎn)生溢出中斷，喚醒單片機(jī)。
　　void t2_init_idle(void){ //定時(shí)器2進(jìn)入休眠狀態(tài)前的初始化
　　CLKPR=(1＜＜CLKPCE); //允許改變系統(tǒng)時(shí)鐘；進(jìn)入休眠狀態(tài)前改變系統(tǒng)時(shí)鐘
　　CLKPR=0x05; //系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻比例為32，系統(tǒng)時(shí)鐘為4kHz
　　TCCR2A=0; //定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2工作于定時(shí)器方式
　　TIMSK2=(1＜＜TOIE2); //允許定時(shí)器2溢出中斷
　　TCCR2B=0x07; //定時(shí)器2時(shí)鐘分頻比例為1024
　　TCNT2=32; //定時(shí)器2產(chǎn)生1分鐘定時(shí)的初始值
　　}
　　SIGNAL(SIG_OVERFLOW2){ //定時(shí)器2溢出的中斷服務(wù)程序
　　TCNT2=32; //重置定時(shí)器2產(chǎn)生1分鐘定時(shí)的初始值
　　min++; //分鐘計(jì)數(shù)
　　}
　　當(dāng)喚醒5次，即休眠5分鐘后，單片機(jī)重新進(jìn)入喚醒工作狀態(tài)。在喚醒工作狀態(tài)下，使用定時(shí)器2控制脈沖的寬度和頻率，需要定時(shí)器2重新初始化，并將系統(tǒng)時(shí)鐘恢復(fù)到128kHz(程序略)。
　　設(shè)置定時(shí)器0工作于PWM輸出方式，用于控制刺激強(qiáng)度。
　　void t0_init(void){ //定時(shí)器0初始化為PWM輸出
　　TCCR0B=(1＜＜CS01); //定時(shí)器0時(shí)鐘分頻比例為8
　　TCCR0A=(1＜＜WGM00)|(1＜＜WGM01); //快速PWM方式
　　TCCR0A|=(1＜＜COM0B1); //符合時(shí)為低電平，峰值變高
　　OCR0B=outv; //輸出電平用OCR0B控制
　　}
　　系統(tǒng)總程序流程如圖4所示。