帕金森病（Parkinson’s Disease，PD）是一種常見的中老年神經系統變性疾病，病變發生在中腦部位，該處有一群黑質神經元，可以合成一種叫做“多巴胺”的神經遞質，投射到大腦中的某些區域，對運動功能進行調節。如果這些黑質神經元變性死亡80%以上，大腦內的神經遞質多巴胺不能再調節神經系統正常功能，就會出現帕金森病的癥狀。在我國，55歲以上老年人中約有170多萬帕金森病患者，患病率與歐美國家接近。

現階段除了藥物治療以外，外科手術治療也可以起到很好的療效，常用方法有：腦細胞移植術、毀損術以及腦深度電刺激技術（Deep Brain Stimulation， DBS）即腦起搏器。腦細胞移植術和基因治療雖然已經在動物實驗上取得了很大成功，但由于臨床缺乏理想的移植組織，目前仍停留在實驗室階段，不宜普遍采用。毀損術是利用電燒灼法破壞腦內功能異常興奮核團，雖然效果已經被公認，但作為一種具有破壞性的手術，并發癥較高、易復發，而且對患者的年齡、適應癥等要求也較高，存在明顯不足之處。腦深度電刺激技術是利用腦立體定向手術在腦內某一特殊的位置植入電極，通過高頻電刺激抑止異常電活動的神經元，從而起到治療的效果。該技術最大的特點是療效確切、安全、可通過術后調整控制到最佳狀態，副作用小，不破壞腦組織，不影響今后其他新方法的治療。因此，目前DBS技術已經基本取代了毀損術成為帕金森病外科治療的首選。

臨床應用的腦起搏器主要包括四部分，植入患者體內的部分有：神經刺激器、腦起搏器導線、延長線，體外部分為控制磁鐵。神經刺激器包括一個電池和一組微電路系統，植入鎖骨附近皮下，可經延長線將產生的電信號傳導至腦內深層的目標部位。每一條腦起搏器導線都包括4條薄絕緣線圈及尖端的4個1.5mm電極，導線利用一個電極或多電極組合來傳遞刺激。延長線植于皮下，通過頭、頸、肩的絕緣線，用以連接導線與植入的神經刺激器。控制磁鐵為患者操控部分，患者可將控制磁鐵置于神經刺激器上方以控制刺激器的開關。這種腦起搏器的缺點是脈沖發生器的電池一般只能維持5～8年，電池用盡后需要更換鎖骨皮下的脈沖發生器，而且，體內多處植入異物容易引起皮膚潰爛。目前只有美國的美敦力公司（Medtronic Inc.）生產的腦起搏器（Activa Therapy）獲得了美國食品藥品管理局（FDA）的認可通過，因此美敦力公司占據著臨床所需腦起搏器的壟斷地位，對于中國的患者來說價格昂貴。鑒于此，對腦深度電刺激系統的自主研發和進一步改善就顯得尤為重要。

本文討論一種新型腦起搏器——外置式腦起搏器，這種腦起搏器在傳統腦起搏器的基礎上進行了改進，將信號發生裝置、控制裝置以及電源全部移至體外，顱內只留下刺激電極。這種設計的優點是避免了鎖骨下方的創口，同時避免了大量的導線在體內通過，減少了感染的危險，最大程度減少了病人的痛苦。體外脈沖發生器的隨意更換使患者不再受電池電量的制約，使用起來更加方便、輕松。

系統設計

外置式腦起搏器利用線圈可以耦合交流信號的特性來傳遞刺激信號。系統分為兩部分，分別位于人腦頭頂頭皮的兩側，體外部分包括信號發生器、控制器、電源和顯示裝置，體內部分主要為刺激器，系統框圖見圖1。兩個相對獨立的部分由一對線圈連接起來，將刺激信號由體外耦合至體內的刺激器。外置式腦起搏器在給患者帶來使用上方便的同時，也給設計帶來了一定的挑戰。由于信號是經過頭皮傳輸過去的，所以要保證顱內接受到的脈沖信號的波形和功率能夠達到治療的要求。

腦內線圈（次級線圈）與腦外線圈（初級線圈）

次級線圈為需要和刺激電極相連的線圈，由于次級線圈要植入人腦內，所以需采用特殊形狀線圈以節省空間，希望線圈越小越薄越理想。本文設計的為一平面圓盤形線圈，理論上使線圈繞制成單層，猶如蚊香的形狀，但考慮到實際繞制時的技術原因，將線圈分為了10層平面圓盤，每層100匝。選用線徑為0.06mm的漆包線，所以整個線圈厚度也只有0.6mm，外徑d1=30mm，內徑d2=18mm。

由于初級線圈可以放在大腦頭皮外側，所以對初級線圈大小和形狀的要求不如上述次級線圈嚴格，只要做到盡量小和盡量薄就可以了。設計的初級線圈為800匝，由線徑為0.2mm的漆包線繞制而成，也盡量繞成平面原盤形，可以允許一定的厚度。經測量，線圈厚度為5mm，外徑d1=20mm，內徑d2=12mm。

電感量和互感

電感量

對于平面圓盤形線圈，其電感量的計算可參考以下公式：

（二）次級線圈

經測量，線圈將1000匝分為了10層平面圓盤，漆包線線徑0.06mm，整個線圈厚度為0.6mm，外徑d1=30mm，內徑d2=18mm。r=6mm，

其中：μ0為真空中的磁導率。

R1、r1分別為初次級線圈的內徑。R2、r2分別為初次級線圈的外徑。h為兩線圈平面之間的距離。

兩個平面線圈之間的互感主要與兩者之間的距離和各自的尺寸相關，h越小，M就越大。根據此公式計算兩線圈之間的互感，得到：

M=M1=M2=3.9 x 10-8H

磁芯和磁罐

由于鐵磁材料的磁導率很大，所以鐵芯具有使磁場集中到其內部的作用。為了使信號的傳輸效率最大，可以在線圈周圍加上磁罐或內部放置磁芯，以增加初次級線圈之間的互感，提高耦合效率。如果使兩個線圈同時經過一根鐵芯，可以使次級線圈得到信號的幅度為最大，但由于兩個線圈分別位于頭顱兩側，因此需分別使用一對彼此分離的鐵磁材料互相配合來增加互感。

信號耦合

本文中所討論的平面圓盤形線圈耦合技術，是首次將線圈能夠耦合交流信號這一特點用在腦深度電刺激之中，耦合到的信號否能滿足治療帕金森病的刺激強度是研究的關鍵。在腦深度電刺激的治療中，刺激的強度和頻率依刺激的部位不同而不同，但大致的范圍如下。

刺激頻率：100～250Hz

脈沖寬度：60～210μs（平均脈寬為150μs）

電壓幅值：1“3.75V（平均2.025V，最高可達10.5V）

主要刺激部位：雙側丘腦底核（STN），其他部位還包括內側蒼白球腹后部（Gpi）和丘腦腹外側核的腹中間核（Vim）［10］

因此只要次級線圈接收到的信號在額定的負荷下達到上述強度，即可滿足要求。

電路設計

電路設計要考慮到刺激系統的魯棒性，即兩級線圈在一定范圍內發生相對位置變化時仍能保證輸出刺激參數有效的特性。因此，在本電路中選擇各參數如下：初級線圈為800匝，信號產生電路為一三極管開關電路，使初級線圈產生一個頻率為130.7Hz、幅度為5V脈沖信號，脈沖寬度需根據次級線圈的脈沖寬度調節，實驗選定在1.65ms。次級線圈為1000匝，負載為丘腦底核（STN）的平均阻抗1kΩ，次級線圈接收到的信號頻率為130.9Hz，脈沖寬度120ms，峰峰值根據有無鐵芯、線圈之間距離以及偏心距的不同而不同。

鐵芯的影響

可以肯定，鐵芯可以減少線圈之間的漏感，使次級線圈信號的峰峰值更大，這一點也可以從實驗中看出。保持初級線圈產生的信號不變，并且使兩線圈圓心對準，在兩個線圈之間距離保持5.5mm不變的情況下，如果不放入鐵芯，次級線圈得到的信號峰峰值為3.40V。若在初級線圈內放入磁芯，次級線圈外套有磁罐（磁罐與磁芯相比，在顱內更具有體積優勢），次級線圈得到的信號峰峰值為10.6V，是無磁芯時的三倍。

兩線圈之間的距離與放置在顱內的位置有關，當放置在大腦頂部時，由于成人顱頂骨的厚度約為5mm左右，最厚的部位可達10mm，所以使兩線圈之間的距離限制在10mm以內。

線圈之間距離的影響

設兩線圈平面之間的距離為d，在初級線圈內放有鐵芯，次級線圈外套有磁罐的情況下，保持兩線圈的中心軸一致，測量在不同距離d下得到的次級線圈信號峰峰值A，見表1和圖3。

從曲線圖中不難看出，兩線圈之間的距離與次級線圈峰峰值近似成負指數關系，在距離為5mm左右時，微弱的距離變化會引起一個較大的次級信號強度的變化，但是在5.5mm～12mm范圍內的信號值均可以滿足刺激需要，因此具有一定的魯棒性。但是，在后續的設計中仍要特別注意帕金森病人由于自身運動導致線圈之間距離變化而引起的次級信號的變化，盡量初級線圈固定在患者頭皮以得到最大的刺激強度。

線圈偏心距的影響

在外置式腦起搏器中，由于有一個線圈在體外，因此，兩個線圈除了距離的變化以外，還有可能產生平面的滑移，那么線圈偏心距對次級線圈信號強度的影響也是必須考慮的因素之一。實驗中初級線圈的脈沖頻率f=136Hz，脈寬Tw=1.65ms，幅值為5V。當兩線圈保持間距d=7mm時，測量不同偏心距r下次級線圈得到的信號峰峰值A，見表2和圖4。

從曲線中可以看出，兩線圈偏心距r與次級線圈峰峰值之間近似成線性關系，隨著偏心距r的增大而減小。可以看出系統在一定的偏心范圍內均可達到刺激強度的需要，也具有一定的魯棒性。但在實際使用當中，仍應當增加一個對準的裝置，以盡量保證兩個線圈的中心軸能在一條直線上，得到最大的刺激信號和最高的效率。

結語

本文首次將線圈耦合交流信號這一原理引入了帕金森病的治療當中，提出了外置式腦起搏器的設計方案。對平面線圈的各個參數進行了計算，分析了次級信號的強度與各種參數之間的關系，為后續的設計提出了指導性的方案。實驗證明設計的刺激信號可完全滿足腦深度電刺激的要求，并且系統具有一定的魯棒性。

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