多通道可植入神经刺激器的设计和实现

平， 还是降低该产品的成本， 提高其普及率， 以帮助我国数百 万重度听力言语障碍患者早日回归主流社会， 都具有重大的 现实意义。 ２ 电子耳蜗的结构和工作原理
电子耳蜗系统框图如图 １ 所示， 它包括两大部分： 体外 的麦克风、语音处理器、编码器／发射器以及发射线圈， 体内的 植入部分， 即多通道可植入神经刺激器， 该植入体由接收线 圈 、接 收 器／解 码 器 、刺 激 器 以 及 电 极 阵 列 构 成 ［２－ ５］。
图 ３ 外部定时控制码
脉冲宽度短，Ｄ 触
发器输出为 ０。实际
上， 单稳态触发器
的输出脉冲起到了
一个门限的作用， 用 以 检 测 ＰＤＭ 信
图 ４ Ｐ ＤＭ 解码原理
号中的长短脉冲。由于单稳态触 发 器 的 输 出 脉 冲 和 ＰＤＭ 信
号的上升沿同步， 同时以单稳态输出作为系统的同步时钟信
号。这样在把 ＰＤＭ 信号转换成了以 高 低 电 平 表 示 １ 和 ０ 的
１ 引言 在正常的聆听过程中， 声波穿过外耳道， 震动鼓膜， 引起
鼓膜和中耳内的 ３ 块听小骨的振动。这种振动引起内耳或耳 蜗内的液体产生波动， 从而使成千上万的被称为毛细胞的微 小听觉神经细胞产生电信号。该电信号顺着听神经传入大 脑， 在大脑中转化成有意义的信息。
对于重度或深度感音神经性耳聋的患者， 耳蜗中微小的 听觉神经细胞受到了损坏， 这就意味着传入耳蜗内的波动再 不能转化成使听神经和大脑产生 听 觉 所 需 要 的 电 信 号 ［１］。这 类 患 者 就不能通过配戴大功率助听器来 改善听力或提高言语分辨能力。 电子耳蜗技术的发展及其在临床 上的应用， 为深度感音神经症耳聋患者重新获得听觉功能带 来了希望。
ＴＨＥＳ ＩＳ ＆ ＲＥＳ ＥＡＲＣＨ ＲＥＰ ＯＲＴ 研 究 论 著
多通道可植入神经刺激器的设计和实现
王卫东， 刘洪运， 吕 昊 （ 解放军总医院， 北京 １００８５３）
［摘要］ 目的： 主要设计和实现人工电子耳蜗的植入部分， 即多通道可植入神经刺激器。方法： 利用硬件描述语言， 基 于 可 编 程 逻 辑 器 件 （ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ， ＰＬＤ） ， 采 用 “脉 冲 持 续 调 制 （ ＰＤＭ） 解 码 和 外 部 定 时 控 制 （ ＥＴＣ） 码 控 制 ” 及其改进的方案进行硬件电路设计。结果： 实现的多通道可植入神经刺激器可提供多达 ８ 个通道的输出， 具有较高的 分辨率。结论： 该多通道可植入神经刺激器体积小， 便于携带， 效率高， 而且包含比较完善的错误纠正机制， 其产生的 刺 激 波 形 能 满 足 电 荷 平 衡 、电 流 限 制 和 电 荷 限 制 等 安 全 要 求 。 ［关键词］ 电子耳蜗； 多通道可植入的神经刺激器； 可编程逻辑器件； ＰＤＭ 码 ［中图分类号］ ＴＨ７８５．１； ＴＨ７８２ ［文献标志码］ Ａ ［文章编号］ １００３－ ８８６８（ ２００８） ０７－ ０００１－ ０３
发平台， 使用硬件描述语言来实现［８－９］。
外部产生的脉冲持续调制码 （ Ｐｕｌｓｅ Ｄｕｒａｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ， ＰＤＭ ｃｏｄｅ ） 和 外 部 定 时 控 制 码 （ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｔｉｍｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｄｅ， ＥＴＣ ｃｏｄｅ） 等信 号 到 达 复 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 后 ， 经 程 序 实 现 解 码 ， 然后输出命令字以及一系列的控制信号驱动电流源网络， 进 而产生相应电极的刺激信号， 并通过刺激植入的电极阵列使 听神经产生兴奋。 ３．１ Ｐ ＤＭ 码
Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｗｏｒｄ 转换字
制和电荷限制。该多通道可植入神经
刺激器提供的分辨功率超过听觉系统
的分辨功率， 作为完善的刺激器它还
具有 ８ 个分开的刺激输出， 并且这 ８
Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｗｏｒｄ 振幅字
个通道可以进行独立的操作。
本系统的实现主要是基于可编程
逻 辑 器 件 （ ＰＬＤ） ， 借 助 相 应 的 ＰＬＤ 开
ｄａｔａ 的同时， 产生了同步时钟信号 ｃ， 而同步信号 ｃ 的周 期 只
取决于 ＰＤＭ 信号的位周期。因此简化了检测／同步信号电路，
增 加 了 系 统 暂 时 调 制 （ Ｔｅｍｐｏｒａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ） 能 力 ， 减 低 了 系
统对元件老化和漂移的灵敏度， 还可以降低系统的功耗。
３．２ ＥＴＣ 码
进口电子耳蜗价格昂贵， 而目前国产人工耳蜗尚处于实 验室条件下的少量生产阶段， 如复旦大学附属眼耳鼻喉科医 院王正敏教授领衔研制的国产多通道程控人工耳蜗。因此，
我们研究电子耳蜗， 无论是对于增强国 产电子耳蜗自主知识产权和提高研究水
收稿日期： ２００８－ ０１－ ０２ 修回日期： ２００８－ ０２－ ２５ 基金项目： 国家自然科学基金（ ６０５７１００５） 作者简介： 王卫东（ １９６４－ ） ， 男， 江苏兴化人， 博士， 研究员， 博士生导师， 解放军总医院医学工程保障 中心主任， 主要从事生物医学工程、医用电子学与 信 息 系 统 等 方 面 的 研 究 和 教 学 工 作 ， Ｅｍａｉｌ： ｗａｎｇｗｄ３０１＠１２６．ｃｏｍ。
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ－ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ Ｎｅｕｒ ａｌ Ｓｔｉｍｕｌａｔｏｒ
ＷＡＮＧ Ｗｅｉ－ ｄｏｎｇ， ＬＩＵ Ｈｏｎｇ－ ｙｕｎ， ＬＶ Ｈａｏ （ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｈｏｓｐｉｔａｌ ｏｆ ＰＬＡ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８５３， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ ｐａｒｔ ｏｆ ｃｏｃｈｌｅａｒ ｉｍｐｌａｎｔｓ， ｉ．ｅ． ｍｕｌｔｉ－ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ ｎｅｕｒａｌ ｓｔｉｍｕｌａｔｏｒ． Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ （ ＰＬＤ） ， ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｕｔｉｌｉｚｅｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｌａｎｇｕａｇｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ＰＤＭ ｄｅｃｏｄｉｎｇ ａｎｄ ＥＴＣ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｐｒｅｃｅｐｔ． Ｒｅｓｕｌｔｓ Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ ｎｅｕｒａｌ ｓｔｉｍｕｌａｔｏｒ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ａｓ ｍｏｒｅ ａｓ ｅｉｇｈｔ ｏｕｔｐｕｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ， ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔｓ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈ． Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ Ｔｈｅ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｓｔｉｍｕｌａｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｐｏｒｔａｂｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ， ｃｏｎｔａｉｎｓ ｐｅｒｆｅｃｔ ｅｒｒｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｔｉｍｕｌａｔｏｒ ａｃｃｏｒｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｂａｌａｎｃｅ， ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｉｍｉｔ ａｎｄ ｃｈａｒｇｅ ｌｉｍｉｔ．［Ｃｈｉｎｅｓ ｅ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅ ｎｔ Ｊ ｏｕｒｎａ ｌ， ２００８， ２９（ ７） ： １－ ３］ Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ ｃｏｃｈｌｅａｒ ｉｍｐｌａｎｔ； ｍｕｌｔｉ－ ｃｈａｎｎｅｌ ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ ｎｅｕｒａｌ ｓｔｉｍｕｌａｔｏｒ； ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ； ＰＤＭ ｃｏｄｅ
图 １ 电子耳蜗系统框图 语音信号处理器将麦克风检测到的声音信号进行特征 提取或滤波等处理， 产生不同电极的电刺激信号， 编码发射 器 将 这 些 信 号 编 码 、调 制 为 高 频 信 号 ， 通 过 发 射 线 圈 将 信 号 以无线方式发送至体内。体内的接受线圈接收到信号后， 先 由接收解码器进行解调、解码， 还原出刺激信号， 然 后 控 制 一 个刺激电流生成器， 产生相应电极的电刺激信号， 并通过植 入 鼓 阶 内 的 电 极 阵 列 使 听 神 经 产 生 兴 奋 ［６］。 ３ 多通道可植入神经刺激器 电 子 耳 蜗 的 植 入 部 分 就 是 多 通 道 可 植 入 神 经 刺 激 器 ［７］， 本研究设计的多通道可植入神经刺激器要提供改进功率和 数据传送的接收／刺激器， 数据以某种格式从传送器送至接收 器， 接收器解码后产生 ２ 个命令字和若干控制信号编控电流 源网络， 最后输出 ８ 个通道的单极， 双极或量化模拟刺激， 并
到达复杂可编程 逻 辑 器 件 的 数 据 流 采 用 ＰＤＭ 码 。ＰＤＭ 信号的脉冲宽度随输入信号的幅度变化而变化， 即长脉冲表 示 １， 短脉冲表示 ０， 脉冲幅度相等。选择 ＰＤＭ 信号是因为其 前沿边包含同步信息， 其解码电路同时利用此信息产生同步 信号， 将检测和同步简化成一个电路。ＰＤＭ 信号如图 ２ 所示。
Ｄ 触发器输出为 １； 如果 ＰＤＭ 信号的脉冲宽度比单稳态输出
由于目前市场上没有相同结构和７ 月第 ２９ 卷第 ７ 期
Ｃｈｉｎｅ ｓ ｅ Ｍｅ ｄｉｃａ ｌ Ｅｑｕｉｐｍｅ ｎｔ Ｊ ｏｕｒｎａ·ｌ Ｖｏｌ．２９ Ｎｏ．７ Ｊ ｕｌｙ ２００８
医疗卫生装备·２００８ 年 ７ 月第 ２９ 卷第 ７ 期
Ｃｈｉｎｅ ｓ ｅ Ｍｅ ｄｉｃａ ｌ Ｅｑｕｉｐｍｅ ｎｔ Ｊ ｏｕｒｎａ·ｌ Ｖｏｌ．２９ Ｎｏ．７ Ｊ ｕｌｙ ２００８
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研 究 论 著 ＴＨＥＳ ＩＳ ＆ ＲＥＳ ＥＡＲＣＨ ＲＥＰ ＯＲＴ
提供多通道的独立操作。刺激的波形 符 合 ３ 个 安 全 要 求 ： 电 荷 平 衡 、电 流 限
图 ２ Ｐ ＤＭ 码
ＰＤＭ 解 码 电 路 解 出 的 ｄａｔａ， 属 于 串 行 数 据 ， 里 面 包 含 ＥＴＣ 码 ， 不 能 直 接 控 制 电 流 源 网 络 ， 所 以 必 须 经 过 一 个 串 并 转换才能输出相应的电流源控制信号。