基于FPGA的微刺激器设计

　　0　引　　言

　　微刺激器是一种具有广泛应用前景的医疗装置。根据电生理学的研究,生物的神经系统通过生物电信号来传递信息和控制运动。例如神经元细胞对肌细胞释放生物电,导致肌细胞的收缩,进而引起肢体的动作。因此微刺激器可以通过模拟生物自发的生物电信号来传递信息或者控制运动。

　　现代医学的研究表明帕金森氏症、癫痫、慢性疼痛、尿失禁及性功能、运动、呼吸和听觉视觉障碍等多种疾病都与神经系统病变有密切的关系。通过植入 神经刺激器对这些疾病的治疗控制已经有了较大进展[1-3]。并且通过脊髓电刺激和胃肠电刺激治疗痉挛、痉挛性斜颈、舞蹈症、强迫症、老年性痴呆、镇痛及 戒毒也取得了丰硕的成果,展现了诱人的前景[4]。

　　采用微电极的微刺激器与传统的经皮电刺激相比具有刺激定位准确、治疗效果佳、刺激电流小、疼痛感轻微等突出特点,因此非常适合于临床上对一些神 经类疾病的治疗。随着微电子技术和材料技术的发展,微刺激器的体积不断缩小而功能不断增强。我们研制了一种基于FPGA的微刺激器系统,能够输出多种双相 恒流刺激波形,并且刺激频率可变,波形可选,刺激强度可调。为将来可植入微刺激器专用芯片(ASIC)的研究打基础。

　　1　系统设计

　　1.1　系统基本结构及原理

　　本设计可以分为二大部分:逻辑控制电路与波形输出电路。如图1所示逻辑控制电路由FPGA及其配套电路组成。波形输出电路由模数转换电路(DA)、正相侧加法器和双运放压控恒流源电路组成。FPGA控制波形输出电路产生所要求的刺激电流。整个系统由电池供电。

　　本设计基于FPGA平台,应用DDS技术来产生所需刺激波形。DDS(数字直接合成技术)是一种简便直接的波形生成技术。图2是DDS技术的原 理图。图中相位累加器在每个时钟周期到来时,将频率控制字FM所决定的相位增量累加到相位寄存器中。当相位寄存器中的值超过上限2N时,自动溢出。同时在 每个时钟周期到来时,相位寄存器的当前值作为地址值被送入波形存储器,得到波形幅值的二进制量,并送入DAC。从而在DAC中得到波形的模拟量。

　　由此可见DDS技术通过查询存放于波形存储器中的查找表(LUT)直接将相位转换为波形的幅值,而后经过D/A转换生成相应的电压波形。通过改 变频率控制字FM的长度或者累加器的参考时钟频率fr就可以改变输出波形的频率fo。而改变查找表(LUT)中所储存的波形数据就能够变换输出的波形。由 以上两点,采用DDS技术能够快速简便的产生各种波形。

　　1.2　硬件设计