一種高效的神經肌肉電刺激系統設計
電子技術應用
劉東鳴1，王妙1，喬峰2，竇唯波1，郭春花1
1.陜西省醫療器械質量檢驗院；2.四川省醫療器械檢測中心
摘要： 設計了一種高效的神經肌肉電刺激（Neuromuscular Electrical Stimulation，NMES）系統。NMES的工作原理是利用神經細胞的電興奮性，通過脈沖電流刺激支配肌肉的神經，從而使肌肉收縮。系統由干電池供電，降壓和升壓電路采用高效的方案從而來降低功耗，以STM32F4單片機為主控芯片，產生用于控制刺激強度的DAC信號，以及復用開關的控制信號，經過由復用開關、恒流源、H橋組成的復用恒流源電路，產生分時的電流刺激，從而有效降低系統功耗和設備體積。
中圖分類號：TP242.3 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.244939
中文引用格式： 劉東鳴，王妙，喬峰，等. 一種高效的神經肌肉電刺激系統設計[J]. 電子技術應用，2024，50(8)：102-107.
英文引用格式： Li Dongming，Wang Miao，Qiao Feng，et al. Design of an efficient neuromuscular electrical stimulation system[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(8)：102-107.
中文引用格式： 劉東鳴，王妙，喬峰，等. 一種高效的神經肌肉電刺激系統設計[J]. 電子技術應用，2024，50(8)：102-107.
英文引用格式： Li Dongming，Wang Miao，Qiao Feng，et al. Design of an efficient neuromuscular electrical stimulation system[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(8)：102-107.
Design of an efficient neuromuscular electrical stimulation system
Li Dongming1，Wang Miao1，Qiao Feng2，Dou Weibo1，Guo Chunhua1
1.Shaanxi Medical Devices Quality Testing Institute； 2.Sichuan Testing Center of Medical Device
Abstract： The article presents an efficient system for neuromuscular electrical stimulation (NMES). NMES operates by harnessing the electrical excitability of nerve cells to stimulate the nerves that control muscles through pulsed electrical currents, thereby inducing muscle contractions. The system is powered by dry cell batteries, and the voltage regulation and boost circuits employ high-efficiency designs to reduce power consumption. It is centered around the STM32F4 microcontroller, which generates the DAC signals for controlling the stimulation intensity, as well as the control signals for the multiplexing switch. Through a circuit comprising a multiplexing switch, constant current source, and H-bridge, the system produces time-division current stimulation, effectively reducing power consumption and device size.
Key words : NMES；constant current source；low power consumption；biphasic symmetric square wave；multiplexer
引言
神經肌肉電刺激（Neuromuscular Electrical Stimulation，NMES）的原理為NMES設備向神經發送電脈沖信號，由電脈沖信號控制肌肉收縮[1]。脈沖由NMES設備產生，通過粘附在皮膚上的電極將電脈沖信號傳遞至被刺激肌肉，該電脈沖信號模仿來自中樞神經系統的動作電位，控制肌肉收縮。
NMES設備可以用作健康受試者和運動員的力量訓練工具[2]；也可以用作一部分人的康復和預防工具[3]；還可以用作評估體內神經和肌肉功能的測試工具[4]。
目前已有的MES設備多數體積較大，且需要連接到220 V的電源，功耗較高且不具備便攜性。但是，對用于可植入的NMES設備和用于便攜的NMES設備需求逐漸增多[5]，這便對NMES設備的功耗和便攜性有了更加嚴格的要求。針對以上問題，本文設計了一種高效的神經肌肉電刺激系統，主要利用多路復用開關實現了多個通道電流回路的分時復用，在實現所需功能的同時，盡可能地降低所使用的元器件數量從而降低系統功耗和設備體積。
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作者信息：
劉東鳴1，王妙1，喬峰2，竇唯波1，郭春花1
（1.陜西省醫療器械質量檢驗院，陜西 西安 712046；
2.四川省醫療器械檢測中心，四川 成都 611731）
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