一种高效的神经肌肉电刺激系统设计
电子技术应用
刘东鸣1，王妙1，乔峰2，窦唯波1，郭春花1
1.陕西省医疗器械质量检验院；2.四川省医疗器械检测中心
摘要： 设计了一种高效的神经肌肉电刺激（Neuromuscular Electrical Stimulation，NMES）系统。NMES的工作原理是利用神经细胞的电兴奋性，通过脉冲电流刺激支配肌肉的神经，从而使肌肉收缩。系统由干电池供电，降压和升压电路采用高效的方案从而来降低功耗，以STM32F4单片机为主控芯片，产生用于控制刺激强度的DAC信号，以及复用开关的控制信号，经过由复用开关、恒流源、H桥组成的复用恒流源电路，产生分时的电流刺激，从而有效降低系统功耗和设备体积。
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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