بخشی از مقاله
چکیده
تحریک داخل جمجمهای مغز جهت بهبود بیماریهای سیستم اعصاب مرکزی روز به روز در حال گسترش است. محققان درصدد هستند تا ساختارهایی با قابلیت انتخاب بالا و در عین حال ساده جهت کاشت در مغز بیمار ارائه نمایند تا بتوانند علائم برخی از بیماریهای سیستم اعصاب نظیر پارکینسون را بهبود بخشند. در این تحقیق ساختاری نوین جهت تولید پالس تحریک مغز ارائه شده است.
بدین منظور ساختار نوینی از مبدلی دیجیتال به آنالوگ مبتنی بر هدایت جریان با 4 بیت ورودی و محدوده ولتاژ آنالوگ خروجی بین 10 الی 150 میلیولت طراحی و در سطح ترانزیستوری شبیه سازی شده است. جهت مدلسازی الکترود تحریک کاشته شده در مغز؛ از مشخصات الکتریکی الکترود شرکت مدترونیک استفاده شده است. ساختار ساده پیشنهادی مصرف توان پایینی در مقایسه با سایر مراجع داشته و امکان تولید 16 نوع پالس تحریک مختلف با دامنههای متفاوت را میدهد.
-1 مقدمه
بهبود بیماریهای سیستم اعصاب مرکزی با استفاده از کاشت الکترود تحریک در نواحی مختلف مغز و ارسال پالس تحریک یکی از مباحث داغ حوزه مهندسی پزشکی است .[2-1] تاثیر مثبت تحریک نواحی مختلف مغز بر روی روند درمان بیماریهای پارکینسون، رعشه و دیستونیا اثبات شده است و تجهیزات مرتبط با آن به سرعت در حال رشد و گسترش است. شکل - 1 - نشان دهنده نمونهای از دستگاههای تجاری ساخته شده توسط شرکت مدترونیک جهت تحریک نواحی عمقی مغز است.
این تجهیزات از دو قسمت اصلی الکترود تحریک و مدار تحریک ساخته شدهاند. الکترود تحریک با روشهای جراحی در نواحی هدف مغز کاشته میشود. مدار تحریک نیز در قفسه سینه قرار داده شده و با سیمهای مناسب به الکترود تحریک متصل می-شود. تمامی لوازم استفاده شده در این تجهیزات میبایست از مواد زیست سازگار با بدن انسان باشند و هیچگونه واکنش شیمیایی با اجزا بدن ندهند.
شکل - - 1 - نمونه ای دستگاه های تحریک عمقی مغز
الکترود تحریک عموما از جنس پلاتین ساخته شده و در نواحی هدایت الکتریکی بین الکترود و مغز از کنتاکتهای تنگستن استفاده مینماید. مدار تحریک با استفاده از تکنولوژی مدار مجتمع و در حداقل سایز ممکن ساخته میشوند. عموما یک سیستم بیسیم نیز جهت ارتباط با دنیای بیرون تعبیه میشود تا پزشک معالج بتواند با برقراری ارتباط با سیستم تحریک، پارامترهای مناسب را جهت مداخله تنظیم نماید. آنچه در سیستمهای تحریک عمق مغزی مهم است؛ رساندن پالس تحریک مناسب به ناحیه هدف در مغز است. لذا مدار تحریک باید بتواند پالسی با دامنه دلخواه تولید نماید.
در این مقاله پیشنهاد استفاده از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ 4 بیتی به عنوان مدار تحریک داده میشود و کارایی ساختار پیشنهادی در سطح ترانزیستوری بررسی و شبیهسازی میشود. بلوک دیاگرام سیستم پیشنهادی در شکل - 2 - نشان داده شده است.
شکل - - 2 - بلوک دیاگرام پیشنهادی سیستم تحریک عمقی مغز
در ساختار مبدل دیجیتال به آنالوگ با توجه به مقادیر دیجیتال ورودی خود، پالس تحریک با دامنه و دوره تناوب دلخواه تولید مینماید. برای هر کنتاکتی که با مغز برخورد میکند، میتوان یک مبدل جداگانه در نظر گرفت، اینکار قدرت انتخاب در ناحیه تحریک و پارامترهای تحریک برای هر قسمت مجزا از مغز را بالا میبرد، اما پیچیدگی مدار، مصرف توان و سطح مصرفی سیلیکون افزایش خواهد یافت. لذا انتخاب ساختاری از مبدل دیجیتال به آنالوگ که مداری ساده و مصرف توان پایینتری دارد، میتواند معایب این سیستم را کاهش دهد. جزییات طراحی مبدل دیجیتال به آنالوگ پیشنهادی در زیر توضیح داده میشود.
-3 طراحی مبدل دیجیتال به آنالوگ
جهت پیادهسازی مبدل دیجیتال به آنالوگ 4 بیتی، از ساختار هدایت جریانی1 استفاده خواهیم نمود. این مدار در شکل - 3 - نشان داده شده است. روش کار این مدار بدین صورت است: نسبت W/L ماسفتهای M1، M2 ، M3 و M4 با ضرایب وزنی مختلف مقدار دهی میشوند. ولتاژ بایاس در پایه گیت این ماسفتها - Vb1 - توسط سوییچهایی که با ورودی دیجیتال باز و بسته میشوند؛ کنترل میشوند. هنگامی که هر کدام از بیتهای ورودی برابر با "1" باشد، سوییچ مربوطه بسته شده و ماسفت روشن میشود. سپس متناسب با سایز ماسفتهای موجود در مسیر، جریان در مدار جاری میگردد.
شکل - - 3 - ساختار پیشنهادی برای پیادهسازی مبدل دیجیتال به آنالوگ 4 بیتی
با توجه به وضعیت هر چهار بیت ورودی در مبدل جملات دیجیتال B<3:0> ، جمع جریان از ماسفتهای M5 و M7 عبور میکند. ترانزیستورهای M6 و M8 نیز مانند آینه جریان عمل کرده و جریان قسمت ورودی مدار را به الکترود تحریک تزریق مینمایند
