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。
中图分类号：TP242.3 文献标志码：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.244939
中文引用格式： 刘东鸣，王妙，乔峰，等. 一种高效的神经肌肉电刺激系统设计[J]. 电子技术应用，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： 刘东鸣，王妙，乔峰，等. 一种高效的神经肌肉电刺激系统设计[J]. 电子技术应用，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
神经肌肉电刺激（Neuromuscular Electrical Stimulation，NMES）的原理为NMES设备向神经发送电脉冲信号，由电脉冲信号控制肌肉收缩[1]。脉冲由NMES设备产生，通过粘附在皮肤上的电极将电脉冲信号传递至被刺激肌肉，该电脉冲信号模仿来自中枢神经系统的动作电位，控制肌肉收缩。
NMES设备可以用作健康受试者和运动员的力量训练工具[2]；也可以用作一部分人的康复和预防工具[3]；还可以用作评估体内神经和肌肉功能的测试工具[4]。
目前已有的MES设备多数体积较大，且需要连接到220 V的电源，功耗较高且不具备便携性。但是，对用于可植入的NMES设备和用于便携的NMES设备需求逐渐增多[5]，这便对NMES设备的功耗和便携性有了更加严格的要求。针对以上问题，本文设计了一种高效的神经肌肉电刺激系统，主要利用多路复用开关实现了多个通道电流回路的分时复用，在实现所需功能的同时，尽可能地降低所使用的元器件数量从而降低系统功耗和设备体积。
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作者信息：
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，陕西 西安 712046；
2.四川省医疗器械检测中心，四川 成都 611731）
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