基于ATmega48的微功耗电刺激器的设计

运动障碍性疾病源于不同神经递质之间的失衡，而不同部位神经细胞的变形坏死是导致神经递质失衡的神经生物学基础。既往对运动性疾病的治疗主要通过药物治疗或苍白球手术破坏两种方法。第一种治疗途径或者是疗效差，或者是因药物副作用大患者不能耐受；而第二种途径即手术破坏的副作用也特别大。如果能够刺激脑内某一特定的核团，以改变核团的功能活动，就有可能在一定程度上纠正神经递质之间的失衡，从而达到治疗运动性疾病的目的。自1960年以来，神经病学家和神经外科学家通过研究发现，深部脑刺激(Deep Brain Stimulation, DBS)能够改善神经系统疾病如特发性震颤和帕金森氏病的某些症状。研究人员预测，DBS还可能用于治疗癫痫、疼痛、多发性硬化、瘫痪、强迫性神经症和抑郁症等疾病。

　　为了研究DBS对癫痫治疗的机理，首先开发了微型迷走神经电刺激实验器(Vagus Nerve Stimulator，VNSr)，并植入大鼠体内进行癫痫治疗的研究。分别在大鼠出生后35天(Postnatal 35 days, P35)和P60时埋植神经刺激器刺激电极和脑电图(Electroencephalograph，EEG)记录电极，借助电刺激器发出一定频率、脉宽和强度的脉冲刺激迷走神经，通过观察动物自发性癫痫发作(Spontaneous Recurrent Seizures，SRSs)的频率、皮层和海马EEG的频谱变化、水迷宫测定动物的视-空间记忆功能及Timm和Thionin组织染色观察大脑神经病理学改变，来测定神经刺激器对癫痫的治疗作用。

　　电刺激器由植入电极、连接导线及皮下脉冲发生器三部分组成。脉冲发生器产生的刺激电流经刺激电极刺激迷走神经。植入动物体内的电刺激器需要在设定的时间开启。在一个时间间隔里，发出一定频率的刺激脉冲电流。本文主要叙述电刺激器的设计思想。

　　1 电刺激器设计要求

　本系统中植入动物体内的电刺激器属于开环控制，设定为间歇式工作方式，根据前期实验结果，结合参考文献1提供的参数，刺激器工作间隔时间为5分半钟，刺激器每工作30秒，输出一次刺激电流，然后停止工作5分钟，如此循环往复。工作过程是输出频率30Hz、脉宽500μs的刺激电流。为了准确控制设定的参数，本系统中嵌入了单片机。系统结构框图如图1所示。

　　电刺激器设计的关键是高可靠性、微型化和低功耗。因此采用纽扣式电池供电，选用低功耗、微小封装的高可靠性单片机和元件。

　　2 电压调整

　　本系统采用3V纽扣式锂电池供电，为了达到刺激电流的强度要求，需要将电压提升。电压的提升应选用高效率紧凑型DC/DC进行升压。可供选用的紧凑型升压DC/DC的IC元件很多，例如美国国家半导体公司的LM2703、LM2733，凌特公司的LT1615，德州仪器的TPS61040，台湾易亨电子的AP1522等等。这几种IC都是SOT23-5的紧凑型封装，管脚完全兼容，这也是本系统选用这种IC的原因，不担心芯片缺货，将外围元件参数稍做修改就可以对IC进行互换。电压调整电路的接线原理图如图2所示。

　　LT1615是微功耗高效率的升压DC/DC，输入电压范围为1.5V~15V，适用于最大输出电流小于100mA的场合。芯片在空载时的静态工作电流为20μA，当4脚SHDN为低电平时关闭芯片，其静态工作电流仅为0.5μA。芯片的工作效率约为75%。输出电压值由图中的R2和R4决定: 。

使用3V电池直接给单片机供电。单片机通过图中的ON_OFF控制包括DC/DC电路在内的外围电路的供电，在工作的间歇期进入休眠状态无输出脉冲时，将ON_OFF设为高电平，切断外围电路的供电，从而有效地降低系统的电流损耗。

　　3 ATmega48单片机及其脉冲发生电路

　　3.1 ATmega48单片机及应用

　　ATmega48单片机是Atmel公司在2004年底推出的微功耗高性能八位单片机，采用TQFP32紧凑型封装，批量生产时还可以选用更小体积的MLF32封装(尺寸仅为5mm×5mm)。内有4KB的Flash程序存储器、256B的EEPROM和512B的静态存储器。支持ISP串行下载方式。

　　ATmega48单片机为RISC结构，在1MHz频率下速度为1MIPS。系统时钟有外部低频、外部高频、内部RC振荡器时钟等多种工作方式可以选择。选择方法是通过编写熔丝位，并结合软件编程与时钟相关的寄存器实现。选择单片机的时钟频率越高，单片机的功耗也越大。本系统选用128kHz的内部RC振荡器，在工作电压为3V时，静态电流小于60μA。休眠状态时静态电流更低。ATmega48单片机内有六种省电休眠模式，可以使仪器在非工作期间进入休眠状态。ATmega48的系统时钟还可以通过编程分频进一步地降低时钟频率，减小功耗，在仪器休眠期，采用32倍的分频系数将时钟降低到4kHz。

　　ATmega48单片机内有两个8位的定时/计数器，一个16位的定时/计数器，可以满足本系统对开启时间、脉宽、脉冲频率的精确控制。另外单片机还有6个PWM输出口，可以用于调节仪器的刺激强度。ATmega48单片机内部有独立的硬件看门狗时钟，可以有效地防止单片机死机。

　　本系统选用的ATmega48V是ATmega48的低电压工作的芯片，选用ATmega48V作为电刺激器的主控芯片，几乎不需要另加其他的元件。ATmega48V可以在1.8V~5.5V范围的电压下工作，在电池使用的有效电压范围内，单片机均可正常工作，能充分利用电池的容量。

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