具有无线信息与能量传输功能的可编程脊髓电刺激器研制

摘要

临床研究表明，脊髓电刺激能促进脊髓损伤患者的行走功能康复，但是对其治疗机制仍缺乏深入的理解，需要通过动物实验进行研究，为此本文设计出一种具有无线通信和无线充电功能的可编程脊髓电刺激器，为动物实验提供先进的研究手段。与已开发的采用一次性电池供电的可植入刺激器相比，解决了电池容量的限制，降低了体内外无线通信的功耗，从而满足长期植入的要求。
　　本文研制的刺激器系统分为体外和体内两个部分，其中体外部分包括无线能量发射装置和安装在手机上的控制器APP，实验人员可通过该APP对体内刺激器的刺激参数进行设定；体内刺激器通过低功耗蓝牙接收APP发送的刺激参数，并输出相应的双向平衡刺激脉冲，刺激参数调整范围如下：脉宽400-4000μs(步长400μs)，幅值10mV-10V(步长10mV)，频率1Hz-200Hz(步长1Hz)。采用基于磁耦合谐振原理的无线能量发射装置和能量接收线圈，设计了体内刺激器的充电电路，使得刺激器的能量接收线圈在距发射线圈高为3cm的平面上，直径为10cm的圆内，刺激器的容量为8mAh的锂离子电池可获得大于2mA的充电电流，解决了刺激器长期植入体内的供能问题。
　　论文首先介绍了国内外植入式电刺激器的研究与发展状况，以及脊髓电刺激疗法在镇痛和行走功能康复等方面的研究及应用。其次，介绍了脊髓电刺激的总体设计及各模块的软硬件设计，并对刺激器样机进行了测试，在距发射线圈5cm高度平面上对体内刺激器的锂离子电池进行无线充电实验，容量为8mAh的锂离子电池充电时间小于5小时。最后对本文研制的刺激器与课题组前期开发的刺激器的功耗、驱动能力等参数进行了对比，对比结果表明，本文研制的刺激器满足长期植入的要求，并且具有较低的体内外通信功耗，较高的带负载能力等优点。