基于D类放大器的外置式DBS的驱动电路设计

　　1 引言

　　脑深部刺激系统(Deep Brain Stimulation),被广泛用于治疗神经系统方面的疾病^[1] 。DBS 是将脑刺激装置的电极植入脑深部神经核团，通过置入腹部或胸部皮下的脉冲发生器产生电脉冲，对神经核团进行慢性刺激。

　　跟随心脏起搏器技术的发展，DBS技术目前正处于技术的形成时期。1978 年，Bena-bid 及其同事首次将电刺激技术引入了帕金森疾病的治疗中，发现振颤得到了明显的抑制[2]。慢慢地，DBS 发展成为治疗运动性障碍的重要手段，如帕金森，振颤，肌张力障碍等^[3-4] 。在过去的几十年里，全世界大概有 30000名帕金森患者得到了脑起搏器的有效治疗，其中也包括许多患有严重振颤及肌张力障碍的病人^[5] 。由于DBS 治疗的可逆性，低风险性，越来越多的帕金森患者选择了 DBS^[6] 。

　　传统的DBS硬件系统由位于脑刺激区的电极，延长导线，埋植于胸部的脉冲发生器及外部编程器四大主要部分组成^[7] 。在传统DBS 硬件系统的模型下，很大一部分科研团队致力于编程器，电极等硬件设施的改进^[8-9] 。除了要改进编程器，电极等硬件部分外，传统 DBS 还存在一个明显的缺点，即电池供电问题，一般电池寿命最长为 5 年^[10] 。为了解决这个问题，研究人员开始研究充电式或其它的供电途径^[11] ，其中也包括课题组提出的外置式DBS系统：基于电磁感应定律，利用一对置于皮肤两侧的耦合线圈将体外的能量与信息传送至体内。

　　耦合线圈是外置式DBS的关键，为了在模拟负载两端得到满足DBS的刺激要求，单靠信号发生器的输量是远远不够的，必须加驱动电路来驱动耦合线圈的初级线圈。

　　2 驱动电路设计

　　2.1 经皮变压器设计

　　经皮变压器的设计是外置式脑起搏器的核心。经皮变压器主要由位于体表的发射线圈和置于皮下的接收线圈组成^[12] 。

　　经皮变压器的两线圈间有很长的空气隙，为了减小漏感，采用了一对磁罐式耦合线圈[13]，磁罐的类别为铁氧体，规格为G18*11。作为验证性实验，初级线圈与次级线圈均采用了线径为0.21mm的漆包线，初级线圈的匝数为 100 匝，次级为 150 匝。

　　临床上 DBS 常用的刺激参数为幅值 1～3.6V，脉宽 60～90 μs,频率 135～185Hz的方波^[14] ，为了使模拟负载两端得到如上所说的刺激参数，必须靠驱动电路来驱动经皮变压器的初级线圈。

　　2.2 驱动电路设计

　　驱动电路的作用是将信号发生器 MSP430 产生的PWM 矩形波信号进行功率放大，驱动经皮变压器的初级线圈。根据电磁感应定律，次级线圈得到的电动势为：