智能植入式心脏起搏器系统设计及其微控制器单元设计与验证

摘要

心脏起搏器(Cardiac Pacemaker)是一种利用外在的电信号替代体内电信号,刺激病人心跳的辅助医疗器械.根据功能和结构的不同,心脏起搏器可以分为多种类型.但是,起搏器的基本组成部分始终没有变化:脉冲发生器;电极-导线.从上世纪90年代以来,起搏器的设计多采用带微处理器的专用集成电路设计,即将微功耗的微处理器内核和外围的逻辑电路乃至模拟电路做成一两块专用集成电路,再和电容、晶振、干簧管等分立元件一起做成厚膜电路.这种电路设计功能强,可靠性高,编程灵活,这样就能满足系统灵活配置和功能扩展的要求.由于技术上的一些原因,国内至今还没有自主开发的集成微控制的智能起搏器.因此,研究自主知识产权的智能心脏起搏器对中国医疗器械的国产化具有很重要的意义.该文主要讨论了智能心脏起搏器系统的设计过程.心脏起搏器是一个低功耗、高可靠性的系统.根据这些特点,设计了系统各个组成部分.其中,对模拟部分和程控遥测部分做了概述,针对低功耗和抗干扰能力做了改进.模拟电路主要涉及模拟心电信号的采集和发送部分,其核心部分是低功耗、抗干扰感知放大器和可调增益的电压泵.此外,该文着重介绍了8位低功耗微控制器的设计思路和设计过程.根据设计对微控制器相对较低的要求,对这一部分进行了改进结构等优化改进工作.并给出了微控制器相应的软件和硬件测试结果.由于时间的关系,系统验证采用FPGA+分立元件来完成.其中微控制器等数字部分用FPGA实现,而外围模拟电路则选用适当的分立元件来模拟集成电路效果.这主要是为了验证系统的功能.该文着重于实际应用系统的开发.着眼于如何建立一个高效、稳定的智能起搏器系统.因此,该文的主要部分之一是如何建立该系统.这一部分包括:(1)起搏器系统的要求;(2)起搏器系统的组成部分;(3)起搏器系统各部分的参数要求(4)模拟电路设计(主要为选择合适的成熟电路,并加以改进).该文的第二个主要部分集中在微控制器的设计和验证,包括:(1)微控制的设计;(2)微控制器的验证.建立的系统通过FPGA和分立元件进行了验证,结果满足要求.

目录

文摘

英文文摘

第一章心脏起博器的功能结构

1.心脏的生理结构

2.心脏起搏器系统的结构

3.心脏起搏器的功能类型

第二章植入式心脏起搏器系统架构设计

1.心脏起搏器的系统结构

2.心脏起搏器系统参数

3心脏起搏器系统的特殊考虑

第三章模拟电路的设计

1.感知放大器选择

2.脉冲输出电路

3.低功耗振荡电路

第四章微控制器MCU系统的设计

1.MCU模块概述

2.微控制器指令系统概述

3.8位RISC微控制器设计

第五章程控遥测功能研究简述

1.体外程控仪设计

2.通信协议和编码方式

第六章系统验证及测试

1.MCU的FPGA验证

2.心脏起搏器系统硬件验证

3.心脏起搏器系统软件验证

第七章结论

附录1.FPGA验证中调用的模块参数

附录2.程控遥测通信协议信息码

参考文献

致谢

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