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)細胞的變形壞死是導致神經(jīng)遞質(zhì)失衡的神經(jīng)生物學基礎。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，以改變核團的功能活動，就有可能在一定程度上糾正神經(jīng)遞質(zhì)之間的失衡，從而達到治療運動性疾病的目的。自1960年以來，神經(jīng)病學家和神經(jīng)外科學家通過研究發(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計思想。

　　1 電刺激器設計要求

　本系統(tǒng)中植入動物體內(nèi)的電刺激器屬于開環(huán)控制，設定為間歇式工作方式，根據(jù)前期實驗結果，結合參考文獻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。工作過程是輸出頻率30Hz、脈寬500μs的刺激電流。為了準確控制設定的參數(shù)，本系統(tǒng)中嵌入了單片機。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

　　電刺激器設計的關鍵是高可靠性、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，為了達到刺激電流的強度要求，需要將電壓提升。電壓的提升應選用高效率緊湊型DC/DC進行升壓?？晒┻x用的緊湊型升壓DC/DC的IC元件很多，例如美國國家半導體公司的LM2703、LM2733，凌特公司的LT1615，德州儀器的TPS61040，臺灣易亨電子的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，不擔心芯片缺貨，將外圍元件參數(shù)稍做修改就可以對IC進行互換。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的場合。芯片在空載時的靜態(tài)工作電流為20μA，當4腳SHDN為低電平時關閉芯片，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電池直接給單片機供電。單片機通過圖中的ON_OFF控制包括DC/DC電路在內(nèi)的外圍電路的供電，在工作的間歇期進入休眠狀態(tài)無輸出脈沖時，將ON_OFF設為高電平，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單片機及其脈沖發(fā)生電路

　　3.1 ATmega48單片機及應用

　　ATmega48單片機是Atmel公司在2004年底推出的微功耗高性能八位單片機，采用TQFP32緊湊型封裝，批量生產(chǎn)時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程序存儲器、256B的EEPROM和512B的靜態(tài)存儲器。支持ISP串行下載方式。

　　ATmega48單片機為RISC結構，在1MHz頻率下速度為1MIPS。系統(tǒng)時鐘有外部低頻、外部高頻、內(nèi)部RC振蕩器時鐘等多種工作方式可以選擇。選擇方法是通過編寫熔絲位，并結合軟件編程與時鐘相關的寄存器實現(xiàn)。選擇單片機的時鐘頻率越高，單片機的功耗也越大。本系統(tǒng)選用128kHz的內(nèi)部RC振蕩器，在工作電壓為3V時，靜態(tài)電流小于60μA。休眠狀態(tài)時靜態(tài)電流更低。ATmega48單片機內(nèi)有六種省電休眠模式，可以使儀器在非工作期間進入休眠狀態(tài)。ATmega48的系統(tǒng)時鐘還可以通過編程分頻進一步地降低時鐘頻率，減小功耗，在儀器休眠期，采用32倍的分頻系數(shù)將時鐘降低到4kHz。

　　ATmega48單片機內(nèi)有兩個8位的定時/計數(shù)器，一個16位的定時/計數(shù)器，可以滿足本系統(tǒng)對開啟時間、脈寬、脈沖頻率的精確控制。另外單片機還有6個PWM輸出口，可以用于調(diào)節(jié)儀器的刺激強度。ATmega48單片機內(nèi)部有獨立的硬件看門狗時鐘，可以有效地防止單片機死機。

　　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)，單片機均可正常工作，能充分利用電池的容量。[!--empirenews.page--]

　3.2 脈沖發(fā)生電路

　　通常具有一定驅(qū)動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，功耗較大。為了降低耗電流，本系統(tǒng)的電刺激器用開關方式生成刺激脈沖。單片機及其脈沖發(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定時器0的PWM輸出口，根據(jù)實驗的要求調(diào)節(jié)輸出強度。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)動能力。Q3工作在開關狀態(tài)，用于控制輸出脈沖的寬度和頻率，當ATmega48V的9腳是高電平時，Q3導通，輸出刺激脈沖；導通500μs后，ATmega48V的9腳變到低電平，Q3關閉，脈沖結束；按10Hz的頻率循環(huán)往復。

　　4 功能實現(xiàn)及軟件編程

　　ATmega48有131條指令，大多是單機器周期指令，指令系統(tǒng)非常豐富。ATmega48在指令設計時很好地考慮到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，常用的用于AVR單片機開發(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，使用簡單，有生產(chǎn)和代理商很好的技術支持。而AVR-GCC是依靠網(wǎng)絡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平臺上移植過來的，保留了類似UNIX的操作方式，對于不熟悉UNIX的WINDOWS用戶，其使用時入門很困難，只有熟練使用后才能感到其功能的強大。在http://www.avrfreaks.net網(wǎng)上有關于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，休眠后單片機的功耗也不同。由于電刺激器在休眠時要求定時重新喚醒進行工作，必須保留一個定時器的工作。因此選用的休眠方式為IDLE，在IDLE方式下定時器2仍然可以工作。以下是休眠部分的程序。

　　set_sleep_mode(SLEEP_MODE_IDLE); //設置休眠方式為IDLE
　　SMCR |= _BV(SE); 　　　　　　　　　　　//允許休眠
　　_asm_ _volatile_ ('sleep' 'nt' :: ); //進入休眠
　　SMCR &= ~_BV(SE); //從休眠中喚醒，進入工作狀態(tài)，不允許休眠

　　定時器2用于對休眠期的時間間隔計時。t2_init_idle(void) 是進入休眠狀態(tài)前初始定時器2的程序，SIGNAL(SIG_OVERFLOW2)是休眠狀態(tài)下定時器2的中斷服務程序。每1分鐘定時器2將會產(chǎn)生溢出中斷，喚醒單片機。

　　void t2_init_idle(void){ //定時器2進入休眠狀態(tài)前的初始化
　　CLKPR=(1＜＜CLKPCE); //允許改變系統(tǒng)時鐘；進入休眠狀態(tài)前改變系統(tǒng)時鐘
　　CLKPR=0x05; //系統(tǒng)時鐘的分頻比例為32，系統(tǒng)時鐘為4kHz
　　TCCR2A=0; //定時器/計數(shù)器2工作于定時器方式
　　TIMSK2=(1＜＜TOIE2); //允許定時器2溢出中斷
　　TCCR2B=0x07; //定時器2時鐘分頻比例為1024
　　TCNT2=32; //定時器2產(chǎn)生1分鐘定時的初始值
　　}
　　SIGNAL(SIG_OVERFLOW2){ //定時器2溢出的中斷服務程序
　　TCNT2=32; //重置定時器2產(chǎn)生1分鐘定時的初始值
　　min++; //分鐘計數(shù)
　　}

　　當喚醒5次，即休眠5分鐘后，單片機重新進入喚醒工作狀態(tài)。在喚醒工作狀態(tài)下，使用定時器2控制脈沖的寬度和頻率，需要定時器2重新初始化，并將系統(tǒng)時鐘恢復到128kHz(程序略)。

　　設置定時器0工作于PWM輸出方式，用于控制刺激強度。

　　void t0_init(void){ //定時器0初始化為PWM輸出
　　TCCR0B=(1＜＜CS01); //定時器0時鐘分頻比例為8
　　TCCR0A=(1＜＜WGM00)|(1＜＜WGM01); //快速PWM方式
　　TCCR0A|=(1＜＜COM0B1); //符合時為低電平，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。

　　電刺激實驗器的開發(fā)是為了植入大鼠體內(nèi)，研究電刺激對癲癇抑制的機理。本研究開發(fā)的電刺激實驗器整體結構尺寸為Φ17mm(直徑) x 7mm(厚)。脈沖發(fā)生放大電路用開關方式實現(xiàn)，大大降低了系統(tǒng)的功耗。采用ATmega48單片機控制輸出脈沖，精度高、功耗小、工作可靠、可以連續(xù)工作一個月以上，滿足了實驗的要求。