用于治療胃食管反流病的食管下括約肌電刺激系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究.pdf

1、胃食管反流病(Gastroesophageal Reflux Disease，GERD)是指胃內(nèi)容物反流入食管，引起不適癥狀和（或）并發(fā)癥的一種疾病。全世界范圍內(nèi)，大約有2.5億個GERD患者。隨著GERD的發(fā)病率逐年上升，社會醫(yī)療負(fù)擔(dān)越來越重，GERD的合理診治已成為全世界關(guān)注和研究的熱點。而傳統(tǒng)的藥物治療存在治標(biāo)不治本的問題，停藥后癥狀復(fù)發(fā)，患者不得不長期使用藥物。手術(shù)治療則創(chuàng)傷大，術(shù)后會有吞咽困難、腹脹和腹瀉等并發(fā)癥。
　　

2、食管下括約肌(Lower esophageal sphincter,LES)電刺激治療方法為難治性GERD的治療提供了一種新方法。國外基于LES電刺激治療方法推出了EndoStim植入式LES電刺激系統(tǒng)，并進(jìn)行了大量的臨床實驗研究。而國內(nèi)相關(guān)研究較少，目前尚無可應(yīng)用于臨床的植入式LES電刺激系統(tǒng)。
　　為了打破國外產(chǎn)品的壟斷，填補國內(nèi)該技術(shù)領(lǐng)域的空白，本文研究設(shè)計了一種無線供能的LES電刺激系統(tǒng)。該系統(tǒng)由體外無線控制器、無線能量傳

3、輸模塊和植入式LES電刺激器組成。系統(tǒng)在實現(xiàn)植入式LES電刺激功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了無線能量傳輸功能，解決了EndoStim系統(tǒng)無法外部供能的問題。
　　本論文的研究內(nèi)容主要包括:
　　1)無線供能的LES電刺激系統(tǒng)方案設(shè)計:在分析討論用于治療GERD的LES電刺激系統(tǒng)的功能需求與設(shè)計目標(biāo)基礎(chǔ)上，確定了無線供能的LES電刺激系統(tǒng)的設(shè)計方案。根據(jù)電磁波穿透深度和電磁輻射對人體的影響，選用4MHz作為無線能量傳輸?shù)墓ぷ黝l率。還討論

4、了系統(tǒng)集成與封裝方案，為系統(tǒng)的模塊化設(shè)計和生物相容性封裝打下了基礎(chǔ)。
　　2)體外無線控制器設(shè)計:分析討論了基于低功耗藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth Low Energy,BLE)的體外無線控制器的設(shè)計方案與工作原理。該控制器主要包括CC2541模塊、USB轉(zhuǎn)串口電路、鋰電池充電電路和電源管理電路。其中，CC2541模塊采用了與植入式LES電刺激器相同的定制電路模塊進(jìn)行設(shè)計，USB轉(zhuǎn)串口電路采用CH340G芯片實現(xiàn)與上位機的串口通信

5、。鋰電池充電電路則采用LTC4054-4.2芯片，充電電流設(shè)置為500mA。電源管理電路采用了RT9013-33GB線性穩(wěn)壓電路。在完成了體外控制器硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，從CC2541開發(fā)、上位機程序開發(fā)和手機藍(lán)牙控制植入式LES電刺激器三方面進(jìn)行了系統(tǒng)的軟件設(shè)計。CC2541開發(fā)過程中所采用的協(xié)議棧版本為TI的BLE-CC254x-1.3.2，開發(fā)環(huán)境為IAR8051。上位機程序開發(fā)采用C＃語言進(jìn)行編程，所使用的開發(fā)環(huán)境為Visual S

6、tudio2012。此外，使用LightBlue手機藍(lán)牙APP實現(xiàn)了對植入式LES電刺激器的控制。
　　3)無線能量傳輸模塊設(shè)計:在分析討論了無線能量傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)和線圈設(shè)計方案后，確定了無線能量傳輸模塊的設(shè)計方案。該模塊包括體外能量發(fā)射電路和體內(nèi)能量接收電路。其中，體外能量發(fā)射電路由線性穩(wěn)壓器、有源晶振電路和E類功率放大器組成。其功能是將體外電源的直流電壓變換為交流電壓，并加載到發(fā)射線圈上向體內(nèi)傳輸能量。體內(nèi)能量接收電路則采用橋

7、式整流、電容濾波和降壓-升壓型電荷泵穩(wěn)壓器LTC3245，將接收線圈上耦合得到的交流電壓變換為直流電壓。
　　4)植入式LES電刺激器設(shè)計:分析討論了植入式LES電刺激器的設(shè)計方案與工作原理。設(shè)計了包含能量接收電路、電源管理電路、CC2541模塊、DAC電路和壓控恒流刺激電路的植入式LES電刺激器。電源管理電路分別采用RT9013-33GB、MAX1595EUA50+和MAX865EUA芯片將3.7～5V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為CC254

8、1模塊、DAC電路和壓控恒流刺激電路的供電電壓。DAC電路采用MAX5705芯片輸出可控電壓，控制壓控恒流刺激電路產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流刺激脈沖。壓控恒流刺激電路采用OPA4192芯片產(chǎn)生0～8mA的電流刺激脈沖。
　　5)植入式LES電刺激系統(tǒng)測試與實驗研究:使用美國道康寧公司的Sylgard184型聚二甲基硅氧烷對電極導(dǎo)線和植入式LES電刺激器進(jìn)行了封裝，并使用ABS塑料殼體封裝了體外控制器。完成植入式LES電刺激系統(tǒng)的封裝后，對