可用于持續(xù)性房顫動(dòng)物模型的無線植入式電刺激和心電采集系統(tǒng)

金勛，張文贊，李毅剛，羅章源，袁志華

1 杰升生物科技(上海)有限公司，上海市，201112

2 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院，上海市，200093

可用于持續(xù)性房顫動(dòng)物模型的無線植入式電刺激和心電采集系統(tǒng)

【作 者】金勛1，張文贊1，李毅剛2，羅章源1，袁志華1

1 杰升生物科技(上海)有限公司，上海市，201112

2 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院，上海市，200093

快速心房起搏房顫模型是目前研究最多，應(yīng)用最廣的慢性房顫動(dòng)物模型；根據(jù)這種經(jīng)典模型，設(shè)計(jì)了一種基于無線通信功能的可植入式電刺激和心電采集系統(tǒng)，該文介紹了系統(tǒng)各部分的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程，給出了利用該系統(tǒng)在模擬測(cè)試環(huán)境和動(dòng)物試驗(yàn)中得到的結(jié)果。經(jīng)過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可用于引發(fā)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)持續(xù)性房顫。

房顫；無線通信；植入式；電刺激；心電采集；低功耗

心房顫動(dòng)（房顫）是臨床上最常見的心律失常，也是增加心血管病發(fā)病率和死亡率的重要因素[1]。房顫的電生理機(jī)制尚處于爭(zhēng)議之中，目前多認(rèn)為，房顫可能有多種類型，不同類型房顫的機(jī)制可能不同，治療方法上也會(huì)有區(qū)別[2]。對(duì)房顫動(dòng)物模型的深入研究為我們提供了許多重要認(rèn)識(shí)，依據(jù)不同的制備方法，可將房顫動(dòng)物模型歸納為藥物房顫模型、創(chuàng)傷房顫模型、電刺激房顫模型、缺氧房顫模型、基因工程房顫模型等?？焖傩姆科鸩款澞Ｐ褪请姶碳し款澞Ｐ偷囊环N，也是研究最多，應(yīng)用最廣的房顫動(dòng)物模型[3]。

目前，快速心房起搏房顫模型通常采用兩種實(shí)驗(yàn)方法。(1) 利用體外電刺激器作為快速起搏源[4-6]，動(dòng)物活動(dòng)受到限制，不利于長(zhǎng)期的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，以及誘發(fā)持續(xù)性房顫。(2) 利用植入式神經(jīng)刺激器作為快速起搏源[7-9]，雖然這種方法可以避免有線方式帶來的部分問題，但是設(shè)置刺激參數(shù)困難，同時(shí)還需要額外的體外心電圖機(jī)或Holter檢測(cè)心電，不能隨時(shí)、持續(xù)、實(shí)時(shí)地檢測(cè)心電，誘發(fā)房顫缺乏控制，而且價(jià)格昂貴，不適于開展大量動(dòng)物的比較實(shí)驗(yàn)。如果將電刺激系統(tǒng)和心電采集系統(tǒng)集成到一個(gè)小型植入子中，通過無線通信方式調(diào)節(jié)電刺激波形的參數(shù)，同時(shí)實(shí)時(shí)采集心電數(shù)據(jù)，就能克服有線電刺激方法和植入式神經(jīng)刺激器方法帶來的弊端。

本文中介紹的植入式電刺激和心電采集系統(tǒng)正是基于上述理論和思想設(shè)計(jì)的一款體積小巧(56×28×15) mm3、功能完善、價(jià)格合理的長(zhǎng)期植入式電刺激器。

1 儀器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及參數(shù)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。本系統(tǒng)由植入子、接收控制器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)(PC)等四個(gè)部分組成。

為便于在中大型動(dòng)物(新西蘭兔、比格犬等)上進(jìn)行在體(in vivo)實(shí)驗(yàn)，要求植入子體積小巧重量輕，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求埋置在動(dòng)物體內(nèi)。植入子具有兩對(duì)相互獨(dú)立的電極，其中一對(duì)電極用于輸出電刺激信號(hào)；另一對(duì)電極用于采集動(dòng)物的心電信號(hào)。

該植入子具有以下功能和主要技術(shù)特點(diǎn)：

(1) 植入子體積小于25 cm3，重量小于30 g。植入子的重量應(yīng)小于動(dòng)物體重的5%，因此這一款植入子適合用于體重大于600 g動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)中。

(2) 刺激電極的輸出波形是電流型脈沖序列，輸出電流范圍是(0.1～5) mA(300 Ω生物阻抗下)，電刺激脈沖的頻率可在(1～100) Hz，(60～6 000) 次/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，脈沖寬度可在(0.1～10) ms范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。脈沖波形是一種帶有電荷補(bǔ)償?shù)牟粚?duì)稱雙相波，這種波形可以有效地防止脈沖引入的靜電荷導(dǎo)致組織損傷[10]。為了防止動(dòng)物組織會(huì)對(duì)電刺激產(chǎn)生適應(yīng)癥，設(shè)計(jì)不同的刺激模式。

(3) 心電電極采用了醫(yī)用不銹鋼導(dǎo)線，可以有效地防止基線漂移。心電信號(hào)放大倍數(shù)為500倍，通帶頻率范圍在(0.2～40) Hz。心電波形的采樣率為200 Hz，分辨率為12 bit，充分滿足了實(shí)驗(yàn)的要求。以上功能可由操作者通過操作界面設(shè)定。

(4) 無線通信部分可以實(shí)時(shí)傳送心電數(shù)據(jù)，要求無線通信芯片的數(shù)據(jù)傳輸速度高，同時(shí)實(shí)時(shí)接收控制器發(fā)出的控制和設(shè)置信號(hào)。

(5) 由于植入子的體積和重量較小，植入子中的電池容量非常有限。為滿足2個(gè)月實(shí)驗(yàn)時(shí)間的要求，植入子的平均功率應(yīng)控制在2.5 mW以下。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Schematic block diagram of the system

2 植入子硬件設(shè)計(jì)

植入子部分的電路以單片機(jī)為核心，外加電源電路模塊、心電放大模塊、電刺激模塊、RF通信模塊等部分組成。

2.1 處理器

單片機(jī)采用Microchip公司的PIC18F27J13，它是內(nèi)置128 kB閃存的低電壓、高性能的8 bit微控制器，片內(nèi)有12 bitA/D、SPI通信模塊等豐富的功能。這一款單片機(jī)在存儲(chǔ)器容量、體積、性能、功能、I/O口數(shù)量和功耗等方面都滿足了設(shè)計(jì)的需求。

目前，嘉興市農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)的價(jià)格水平在53元/公頃左右，據(jù)嘉興市農(nóng)經(jīng)局記載，2005年，流轉(zhuǎn)價(jià)格平均在20元/公頃，呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

2.2 電刺激模塊

電刺激模塊的框圖如圖2所示。刺激電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）中采用了Texas Instruments公司生產(chǎn)的DAC8831，分辨率為16 bit，3 V供電電壓下功率低至15 μW。

圖2 電刺激模塊框圖Fig.2 The diagram of electrical stimulation module

電壓電流轉(zhuǎn)換電路采用了經(jīng)典的單電源電壓-電流轉(zhuǎn)換電路（圖3）。

圖3 電壓-電流轉(zhuǎn)換和電荷補(bǔ)償電路Fig.3 Voltage-current converting circuit with charge-balancing

2.3 心電放大模塊

心電放大模塊的框圖如圖4所示。儀表放大器采用了Texas Instruments公司的INA321，INA321采用了改進(jìn)型雙運(yùn)放儀表放大器結(jié)構(gòu)，共模抑制比（CMRR）達(dá)到94 dB，在3 V供電電壓下功率低至120 μW，待機(jī)電流小于1 μA。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換利用了單片機(jī)中的12 bit ADC模塊，提高了系統(tǒng)集成度。

圖4 心電放大電路框圖Fig.4 The diagram of ECG amplifying circuit

2.4 無線通信模塊

圖5 無線通信模塊框圖Fig.5 The diagram of RF circuit

2.5 電源部分

電源電路采用了安森美公司的NCP698作為主要穩(wěn)壓芯片，芯片的輸入電壓范圍是(2.8～6.0) V，輸出電壓是2.8 V，最大輸出電流是150 mA，靜態(tài)電流小至2.5 μA，因此非常適合用在電池供電的植入子中。

3 接收控制器硬件設(shè)計(jì)

接收控制器也同樣以單片機(jī)為核心，外加電源模塊、RF模塊和心電信號(hào)輸出模塊等部分組成。單片機(jī)采用Microchip公司的PIC18F26J50，具有USB通信模塊、SPI通信模塊等豐富的功能。電源電路采用了Texas Instruments公司生產(chǎn)的TPS79333。RF通信模塊中，采用了與植入子相同的Texas Instruments公司生產(chǎn)的CC1101，以及射頻前端芯片CC1190。心電輸出模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用了Texas Instruments公司的DAC7616。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分，植入子中單片機(jī)程序、接收控制器中單片機(jī)程序、以及上位機(jī)中的用戶界面等。

植入子單片機(jī)的程序流程如圖6(a)所示。程序啟動(dòng)后，單片機(jī)首先對(duì)片內(nèi)和片外外設(shè)模塊進(jìn)行初始化，如片內(nèi)A/D模塊、SPI通信模塊、片外CC1101芯片和DAC8831芯片等，之后開始數(shù)據(jù)采集和刺激輸出的循環(huán)。

圖6 軟件流程圖Fig.6 The software fow chart

體外單片機(jī)流程如圖6(b)所示。程序啟動(dòng)后，單片機(jī)首先對(duì)片內(nèi)和片外外設(shè)模塊進(jìn)行初始化，如片內(nèi)SPI通信模塊、USB通信模塊、片外CC1101芯片和DAC7616芯片等，之后進(jìn)入U(xiǎn)SB等待模式，循環(huán)監(jiān)聽USB數(shù)據(jù)的同時(shí)，通過外部中斷監(jiān)聽射頻通信模塊中是否有對(duì)應(yīng)的心電數(shù)據(jù)傳送進(jìn)來。接收到植入子發(fā)出的心電數(shù)據(jù)后，通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出心電波形，如有上位機(jī)輸入的命令或設(shè)置參數(shù)，通過無線通信模塊傳送到植入子。

使用者可以通過上位機(jī)界面開始或停止電刺激信號(hào)，開啟或關(guān)閉實(shí)時(shí)心電采集。刺激信號(hào)的電流強(qiáng)度、頻率、占空比、刺激模式，以及間隔刺激中的刺激時(shí)間和停止時(shí)間等各種參數(shù)也可以通過本界面設(shè)置。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)動(dòng)物心房組織兩個(gè)刺激電極間的阻抗一般在300 Ω左右，在仿真實(shí)驗(yàn)中，為檢測(cè)儀器的輸出性能，用500 Ω可變電阻作為負(fù)載，測(cè)試輸出波形的恒流特性。圖7所示的是刺激系統(tǒng)輸出的刺激時(shí)間為1 s，停止時(shí)間為3 s的間隔刺激波形。

圖7 間隔刺激波形Fig.7 The shape of interval pulse mode

另外，為評(píng)價(jià)心電采集模塊的工作情況，把植入子的一端心電電極留置左協(xié)腹部皮下，另一端電極通過皮下隧道引至胸骨右側(cè)第1肋間皮下，引導(dǎo)狗的體表II導(dǎo)聯(lián)心電圖，通過采集卡和分析系統(tǒng)得到的心電波形如圖8所示。

圖8 狗的心電波形Fig.8 The ECG of a dog

6 結(jié)論

通過模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，本文中介紹的植入式電刺激和心電采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全。它的參數(shù)設(shè)計(jì)符合新西蘭兔、比格犬等中大型動(dòng)物植入式實(shí)驗(yàn)的要求，刺激模塊的電流型刺激波形輸出穩(wěn)定性很好，可以有效地對(duì)動(dòng)物進(jìn)行快速起搏；心電采集模塊能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地采集到動(dòng)物的心電信號(hào)，可以幫助實(shí)驗(yàn)人員很好地判斷刺激產(chǎn)生的效果。在此基礎(chǔ)上正在進(jìn)行不同應(yīng)用環(huán)境下用于中大型動(dòng)物植入式電刺激和生物電采集系統(tǒng)的開發(fā)。

本系統(tǒng)不僅可以用在持續(xù)性動(dòng)物房顫模型的實(shí)驗(yàn)中，還可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)應(yīng)用到神經(jīng)、肌肉刺激等廣泛的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的開展提供了很好的可行性方案。

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圖5 EMG、關(guān)節(jié)角度、足底壓力、肌肉厚度、羽狀角角度信號(hào)聯(lián)合圖Fig.5 The combined fgure of EMG, joint angle, plantar pressure, muscle thickness, pinnate angle signal

5 討論

本文開發(fā)了一個(gè)多通道運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，并給出了詳細(xì)的軟硬件組成。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，配合跑步機(jī)可以實(shí)現(xiàn)被試者在不同步行速度下的超聲圖像、表面肌電信號(hào)、關(guān)節(jié)角度信號(hào)、足底壓力信號(hào)等四種信號(hào)的同步采集和存儲(chǔ)。系統(tǒng)以超聲圖像每幀對(duì)應(yīng)的時(shí)間為參照，確定其對(duì)應(yīng)的表面肌電信號(hào)、關(guān)節(jié)角度信號(hào)，足底壓力信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有較高的精確性，滿足實(shí)驗(yàn)研究的需求。

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A Wireless lmplantable Stimulating and ECG Monitoring System for Animal Models of Chronic Atrial Fibrillation

【W(wǎng)riters】Jin Xun1, Zhang Wenzan1, Li Yigang2, Luo Zhangyuan1, Yuan Zhihua1
1 Genix Biotek Science Technology Co. Ltd., Shanghai, 201112
2 Xinhua Hospital Affliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai, 200093

atrial fbrillation, wireless communication, implantable, electrical stimulation, ECG monitoring, low-power

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上海市2011年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”基礎(chǔ)研究領(lǐng)域科技項(xiàng)目(11JC1408200)；上海市2012年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”實(shí)驗(yàn)動(dòng)物專項(xiàng)(12411951900)

李毅剛，博士生導(dǎo)師，E-mail: drliyigang@outlook.com

【 Abstract 】The rapid atrial pacing model is one of the most popular atrial fibrillation animal models. In this paper, a novel implementation of wireless implantable stimulating and ECG monitoring system is described based on the requirements of rapid atrial pacing model. Hardware circuits and software structure of the system are introduced. And test outcomes through in-vitro simulation and in-vivo animal models are presented. Affter verifed by animal tests, the system can be used to initiate and monitor chronic atrial fbriation in real time.