膈神經(jīng)脈沖刺激儀的研制

錢明理 王 成

膈神經(jīng)是頸叢中最重要的分支，其中的運動纖維支配膈肌。膈神經(jīng)放電呈周期性，表現(xiàn)出特征性的高頻振蕩現(xiàn)象，頻率為100次/s左右。神經(jīng)斷裂后即失去推動傳導(dǎo)沖動的作用，一般認為神經(jīng)細胞損壞后不能再生，而神經(jīng)纖維在一定條件下是可以再生的[1]。雪旺細胞在神經(jīng)再生中起著重要作用。損傷遠側(cè)雪旺細胞分裂增殖形成索帶，對再生軸突起引導(dǎo)作用，并可誘導(dǎo)生長錐的遷移方向。雪旺細胞與靶器官還能分泌多種神經(jīng)營養(yǎng)因子(neurotrophin,NT)，如神經(jīng)生長因子(nerve growth factor,NGF)等數(shù)十種多肽或蛋白類活性物質(zhì)，營養(yǎng)、支持神經(jīng)細胞的增殖代謝和調(diào)控軸突的再生與髓鞘的形成[4]。

電刺激能通過促進雪旺細胞和NGF的一系列活動而加速神經(jīng)再生。雪旺細胞在生長及遷移時分泌大量的NGF，而電場使NGF受體向陰極移動，隨即NGF聚集在遠端并誘導(dǎo)軸突也向遠端生長。目前，電刺激能促進神經(jīng)再生已得到公認[5-6]。

研究表明, 模擬膈神經(jīng)脈沖能有效地促進周圍神經(jīng)損傷后神經(jīng)纖維再生，對周圍神經(jīng)損傷的治療和康復(fù)有比普通的電刺激更好的療效[2-3]。

生物刺激器在臨床的應(yīng)用較為廣泛，如心臟起搏器對心臟起搏點的刺激；通過圖像、聲音等的刺激可用于觀察腦電的變化；肌肉刺激器能用于觀察肌肉的收縮情況等。本文所描述的膈神經(jīng)刺激器目前在臨床上還未得到應(yīng)用，而且該領(lǐng)域涉足的人不多，可參考的文獻資料極少，故該神經(jīng)刺激器的研制是一個開拓的過程，值得嘗試。

利用已采集到的膈神經(jīng)模擬信號，設(shè)計一種程控電脈沖神經(jīng)刺激器，可植入動物體內(nèi)長久發(fā)放一個信號電脈沖，用以幫助受損的周圍神經(jīng)修復(fù)。本研究通過以下3個步驟來實現(xiàn)(如圖1所示)：

圖1 步驟圖

1 刺激器設(shè)計原理

美國Cygnal公司所設(shè)計的Cygnal C8051F系列單片機，其運行速度達到25 MIP/s。Cygnal C8051F系列單片機是集成的混合信號片上系統(tǒng)，具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件[7]。Cygnal C8051F系列單片機的功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、可編程計數(shù)器/定時器陣列(PCA)定時器、數(shù)字I/O端口、電源監(jiān)視器、加密狗定時器(WDT)和時鐘振蕩器等。所有器件都有內(nèi)置的FLASH存儲器和256字節(jié)的內(nèi)部RAM，其中FLASH存儲器既可用作程序存儲器又可用作于非易失性數(shù)據(jù)存儲。應(yīng)用程序可以使用MOVC和MOVX指令對FLASH進行讀或改寫。有些器件還可以訪問外部數(shù)據(jù)存儲器RAM，即XRAM(如圖2所示)。

圖2 C8051F020原理框圖

1.1 主程序總體設(shè)計

利用C語言編程使C8051F020器件的片內(nèi)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)將已采集的數(shù)據(jù)表通過使用累加算法實現(xiàn)一個中斷驅(qū)動的函數(shù)發(fā)生器，最終輸出頻率與幅度可調(diào)的模擬信號波形。根據(jù)要求，程序流程如圖3所示：

圖3 主程序流程圖

1.2 部分程序設(shè)計

1.2.1 設(shè)置系統(tǒng)時鐘

C8051F微控制器擁有高速CPI-51內(nèi)核，系統(tǒng)時鐘最大可達25 MHz，因此考慮使用外部的振蕩源-22.1184 MHz的晶體(外部振蕩源才能達到此較高的振蕩頻率，且有相當高的精度)[8]。當外部振蕩器穩(wěn)定運行時，晶體振蕩器有效標志(OSCXCN寄存器中的XTLVLD)被硬件置‘1’。XTLVLD檢測電路要求在允許振蕩器工作和檢測XTLVLD之間至少有1 ms的啟動時間。在外部振蕩器穩(wěn)定之前就切換到外部振蕩器可能導(dǎo)致不可預(yù)見的后果。因此，在設(shè)置系統(tǒng)時鐘考慮其過程如下：①允許外部振蕩器；②等待1 ms；③查詢XTLVLD‘0’-＞‘1’；④切換到外部振蕩器。

1.2.2 禁止加密狗定時器(WDT)

MCU內(nèi)部有一個使用系統(tǒng)時鐘的可編程加密狗定時器(WDT)。當加密狗定時器溢出時，WDT將強制CPU進入復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)實際需要，要求禁止WDT以防止意外產(chǎn)生的禁止操作。向WDTCN寄存器寫入0×DE后再寫入0×AD可禁止WDT，但注意：寫0×DE和寫0×AD必須發(fā)生在4個時鐘周期之內(nèi)，否則禁止操作將被忽略。

程序中與上述對應(yīng)的源代碼為：

1.2.3 設(shè)置內(nèi)部基準電壓發(fā)生器及DAC

電壓基準電路為控制ADC和DAC模塊工作提供了靈活性。C8051F有3個電壓基準輸入引腳，允許每個ADC和2個DAC使用一個外部電壓基準或片內(nèi)電壓基準輸出[9]。在使用DAC之前，必須通過設(shè)置REFnCN寄存器的相應(yīng)位來使能內(nèi)部電壓基準。內(nèi)部電壓基準電路由一個1.2 V、15 ppm/℃(典型值)的帶隙電壓基準發(fā)生器和一個2倍增益的輸出緩沖放大器組成。內(nèi)部基準電壓可以通過VREF引腳連到電壓基準輸入引腳。從芯片數(shù)據(jù)手冊中可知DAC工作所需VRER=2.4 V，而基準電壓發(fā)生器使用內(nèi)部帶隙基準作為即可產(chǎn)生2.4 V的輸出電壓，因此在使用DAC之前，還必須通過設(shè)置REFnCN寄存器的相應(yīng)位(BIASE 和REFBE)為‘1’來使能內(nèi)部電壓基準。

程序中與上述對應(yīng)的源代碼為：

每個C8051F020器件都有2個片內(nèi)12位電壓方式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)?？梢杂脤?yīng)的控制寄存器DAC0CN到DAC1CN允許/禁止DAC0和DAC1。在被禁止時，DAC的輸出保持在高阻狀態(tài)，DAC的供電電流降到1 μA或更小。每個DAC的電壓基準在VREFD引腳提供。

DAC為電壓輸出方式，有靈活的輸出更新機制，允許無縫滿刻度變化并支持無抖動輸出更新適合于波形發(fā)生器的應(yīng)用。此更新機制允許用基于定時器4的溢出信號更新DAC輸出。 在ADC轉(zhuǎn)換操作中，ADC轉(zhuǎn)換可以由定時器溢出啟動，不用處理器干預(yù)。與之類似，DAC的輸出更新也可以用定時器溢出事件觸發(fā)。這一特點用于DAC產(chǎn)生一個固定采樣頻率的波形時尤其有用，這樣可以消除中斷響應(yīng)時間不同和指令執(zhí)行時間不同對DAC輸出時序的影響。當DAC0MD位(DAC0CN.[4∶3])被設(shè)置為‘10’時，對DAC數(shù)據(jù)寄存器的寫操作被保持，直到相應(yīng)的定時器溢出事件(定時器4)發(fā)生時DAC0H：DAC0L的內(nèi)容才被復(fù)制到DAC輸入鎖存器，允許DAC數(shù)據(jù)改變?yōu)樾轮怠ＴO(shè)計中采用定時器4溢出更新輸出，DACn輸出更新發(fā)生在定時器4溢出更新輸出之時。這意味著寫DACnH和DACnL并不立即影響DAC輸出，寫入值將被保持，直到發(fā)生下一次定時器4溢出時才更新DAC。

1.2.4 初始化定時器4并產(chǎn)生中斷

定時器4是一個16位的計數(shù)器/定時器，由2個8位的SFR組成：TL4(低字13節(jié))和TH4(高字節(jié))。它使用系統(tǒng)時鐘作為時鐘源。定時器4提供3種工作方式，這里采用方式1(自動重裝載的16位計數(shù)器/定時器)，用于控制DAC輸出的采樣速率[10]。當計數(shù)器/定時器寄存器發(fā)生溢出(從0×FFFF到0×0000)時，自動重裝載方式的計數(shù)器/定時器將定時器溢出標志TF4置‘1’，產(chǎn)生一個中斷。溢出時2個捕捉寄存器(RCAP4H，RCAP4L)中的16位計數(shù)初值被自動裝入到計數(shù)器/定時器寄存器，定時器重新開始計數(shù)。設(shè)計中DAC采樣速率就是通過初始化定時器4的重載值來設(shè)置的，重載值是2次中斷之間的SYSCLK周期數(shù)。該值是負值，這是因為C8051定時器是向上記數(shù)的。可以用下面的公式計算該值，即：定時器4重載值=SYSCLK／SAMPLE_RATE_DAC DAC所允許的最大采樣速率大約為100 kHz,這是由10 μs的輸出建立時間決定的。在選擇DAC采樣頻率時，還必須考慮到2次定時器4中斷服務(wù)程序要執(zhí)行的所有指令的最長時間，否則輸出頻率將受到影響。設(shè)計使用22.1 MHz的SYSCLK和80 kHz的DAC更新速率，這就允許ISR在276個SYSCLK周期內(nèi)執(zhí)行結(jié)束，這主要是在采樣速率和定時器4 ISR的執(zhí)行時間之間進行權(quán)衡。

程序中與上述對應(yīng)的源代碼為：

1.2.5 波形產(chǎn)生

在定時器4溢出時將調(diào)用中斷處理程序，波形產(chǎn)生完全在定時器4的ISR中完成，分為三級實現(xiàn)。所有產(chǎn)生的波形都用一個16位的累加器，用它來記錄輸出波形在橫軸上的位置。在給定DAC的更新頻率為80 kHz時，該累加器提供1.2 Hz的頻率分辨率。定時器4 ISR中的第一級根據(jù)波形的設(shè)置查找與累加器對應(yīng)的下一個DAC輸出值。每次調(diào)用定時器4 ISR時，累加器的值增加。的大小由所期望的輸出頻率根據(jù)下面的公式計算，即phase_add=頻率×(PHASE_PRECISION／SAMPLE_RATE_DAC)其中，PHASE_PRECISION=65536。定時器4 ISR第一級使用16位累加器中的高8位作為索引，用于訪問膈神經(jīng)查找表取得輸出。而第二級則是根據(jù)命令行指定的增益參數(shù)按比例計算出實際輸出值。在該值輸出到DAC之前，最后一級將第二級按比例計算出的值與0×8000進行異或運算，相當于加直流偏置，使信號值的范圍限定在0到65535之間。由于最終輸出的膈神經(jīng)模擬信號數(shù)據(jù)為16位數(shù)值，而C8051F020的DAC的分辨率為12位，因此考慮使用DAC的左對齊方式。當DAC被配置為左對齊方式時，將16位的數(shù)據(jù)寫入12位的數(shù)據(jù)寄存器時不需要進行移位。在此情況下，低4位被忽略。

程序中與上述對應(yīng)的源代碼為：

2 Cygnal C8051F單片機開發(fā)工具

Cygnal的開發(fā)工具實質(zhì)上就是計算機IDE調(diào)試環(huán)境軟件及計算機USB口到C8051F單片機JTAG口的協(xié)議轉(zhuǎn)換器(EC2)的組合。Cygnal C8051F系列所有的單片機片內(nèi)均設(shè)計有調(diào)試電路，該調(diào)試電路通過邊界掃描方式獲取單片機片內(nèi)信息，通過4線的JTAG接口與開發(fā)工具連接以便于進行對單片機在片編程調(diào)試。適配器(EC2)一端與計算機相連，另一端與C8051F單片機JTAG口相連，應(yīng)用Cygnal提供的IDE調(diào)試環(huán)境可以進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)編程(ISP)和調(diào)試。開發(fā)工具與PC機(已安裝Cygnal IDE)硬件連接：在系統(tǒng)編程和調(diào)試環(huán)境如圖4、圖5所示。

圖4 硬件連接示意圖

圖5 Cygnal IDE

3 結(jié)果與討論

經(jīng)過上述描述的過程，將產(chǎn)生膈神經(jīng)模擬信號植入正常家兔進行活體實驗(如圖6、7所示)。

圖6 刺激器

圖7 膈神經(jīng)模擬信號波形

其大致波形形狀與正常家兔膈神經(jīng)脈沖信號(通過Matlab 6.5程序繪制波形)一致。該刺激器在示波器上的實際輸出頻率為200 Hz、幅度為2 V。由此，初步實現(xiàn)了神經(jīng)刺激信號的發(fā)生。

目前，由于此類植入式神經(jīng)刺激器研制領(lǐng)域的人不多，該神經(jīng)刺激器的研制過程是一個開拓的過程，并無仿效先例，因此改進工作還將不斷進行。

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