神经肌肉刺激器检测装置的研究

徐阳，王锐，傅燕翔，王耀弘（重庆市计量质量检测研究院，重庆，401123）

神经肌肉刺激器检测装置的研究

徐阳，王锐，傅燕翔，王耀弘
（重庆市计量质量检测研究院，重庆，401123）

介绍了神经肌肉刺激器的发展、原理和技术参数，结合国家相关标准和行业标准对刺激器输出电流有效值；信号频率；直流分量；干涉电流有效值；脉冲宽度；通道稳定性等重要参数提出了检测方法。

神经肌肉刺激器；通道选择部分；信号调理部分；高速AD采样分析；电源管理部分

0 引言

低中频脉冲电刺激在医学领域的应用已有一百多年的历史，已成为物理因子治疗中最常用、最重要的方法。低中频脉冲电常用于治疗头痛、瘫痪、肾结石、坐骨神经痛、甚至心绞痛。60年代，电子生物反馈技术开始应用。70年代，Long和Shealy发明了划时代的TENS 疗法（经皮的神经电刺激疗法）。80年代以来，随着大型集成电路和电脑技术的应用，又开发了很多功能先进、体积小巧、使用方便的电疗设备，在功能性电刺激、肌电生物反馈及镇痛的研究和应用上取得了很大的进展。低中频治疗仪全称为“低频调制中频治疗仪”。中频电流被低频电流调制后，其幅度和频率随着低紫外线治疗仪（便携式)频电流的幅度和频率的变化而变化的电流称为调制中频电流。近20余年来在国内广泛应用的低中频治疗仪，是在原有的低频治疗仪的基础之上 ，适当引入了部分中频成份。

1 原理及技术参数

神经肌肉刺激器是一种利用低中频脉冲电疗法的诊疗仪器，其工作原理是根据诊疗目的需要，仪器内部设定组合产生多种输出信号，针对人体的不同部位组织和神经肌肉病情特征，使用贴片电极与病人皮肤表面接触，通过不同的低频交流脉冲电流组合信号对病人的神经肌肉进行刺激治疗，引起肌肉节律性收缩，延缓病肌的萎缩，有助于肌纤维的代偿性增生，促进神经兴奋和传导功能的恢复。神经肌肉刺激器通常由主机、电极、相应电缆线组成，广泛用于康复科;神经科;理疗科、针灸科等相关科室，是医院常用的一种治疗仪器。

神经肌肉刺激器的主要技术参数有以下。

（1）输出电流有效值用于治疗的刺激器，在500Ω的阻抗下，输出最大的电流有效值不得超过80 mA，其它频率的输出电流有效值不得超过表1的限值：

表1 输出电流限值表

用于牙科和眼科诊断的刺激器，在2000Ω的阻抗下，信号中的直流电流必须不超过10mA。电流有效值的测量误差以相对误差表示，用于诊断的应不超过±15%；用于治疗的应不超过±30%。

（2）刺激信号频率

刺激信号的频率允许误差应不超过±15%或（频率低于15 Hz）±2 Hz。

（3）直流分量

用于治疗的刺激器，在500Ω的阻抗下，输出具有直流和交流分量的信号，其直流分量不得超过80mA；用于牙科和眼科诊断的刺激器，在2000Ω的阻抗下，其输出信号的直流分量不得超过10mA。直流分量的测量误差以相对误差表示，用于诊断的应不超过±15%；用于治疗的应不超过±30%。

（4）干涉电流有效值

干涉电流有效值必须不超过80mA。

（5）脉冲宽度

脉冲宽度的允许误差应不超过±30%。

（6）通道稳定性

输出功率为峰值指示值的一半左右，30min内输出电流的有效值 (或峰值)变化量应不超过±10%。

（7）定时

定时器的定时误差应不超过±10%。

2 检测装置

本装置主要由通道选择部分、信号调理部分、高速AD采样分析、电源管理部分、操作系统组成。通道选择部分通过CPU控制选择一路或多路不同的待测通道，通过信号调理部分的电阻衰减网络和PGA（数字可控增益放大器）对信号进行调理以适合AD采样。CPU通过自带的告诉采样通道，采集被测信号，通过FFT（快速傅里叶变换）得到信号的幅頻参数，再通过其他算法得到所有的待测参数，显示到TFT液晶供读取。电源管理部分管理装置的所有电源。

图1 系统框图

（1）通道选择部分

本装置可以分别对3路输入通道进行检测，也可以同时测试其中两路或三路的叠加信号，由CPU控制继电器网络来实现。继电器网络中的继电器由自锁继电器构成，自锁继电器的优点是低功耗，只需在切换器吸合通道时施加控制电流，继电器吸合后无需保持电流，降低了装置的整机功耗。通道选择后，根据测试要求选择通道阻抗。

（2）信号调理电路

由于设计输入信号的测试范围高达±700V，所以必须对输入信号进行衰减，以满足系统电路元件的最大输入范围。衰减网络采用电阻衰减，对信号衰减大约148倍。

为了兼顾小信号的待测信号的测量精度，系统采用PGA（数字可控增益放大器）PGA280对小信号进行放大，提高AD采样的精度。PGA280是一款零漂移、HV可编程增益放大器，其优良的电气特性保证了系统测量的信号的稳定性。

（3）高速AD采样分析

系统的主控单元及高速AD采样采用了SMT32F407VET6，SMT32F407VET6是意法半导体基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M4内核的微处理器，其内核带有 FPU 的 ARM® 32 位 Cortex®-M4CPU、在 Flash存储器中实现零等待状态运行性能的自适应实时加速器(ART 加速器 ™)、主频高达 168MHz， MPU，能够实现高达210 DMIPS/1.25DMIPS/MHz (Dhrystone 2.1)的性能，具有 DSP 指令集。存储器高达1 MB Flash以及高达 192+4 KB的SRAM， 包括64-KB的CCM（内核耦合存储器）数据 RAM和高达 32 位数据总线的灵活外部存储控制器： SRAM、 PSRAM、 NOR/NAND存储器。

（4）电源管理

系统采用单节锂离子电子提供供电，系统数字部分供电电压为3.3V，液晶背光和继电器供电电压为5V，模拟（PGA）部分电压为±5V。

数字部分电源电路：数字部分供电采用TI公司的降压型DC/ DC芯片TPS62260产生，该芯片是一款输出电流可达600mA的高效DC/DC降压芯片，开关频率高达2.25MHz，2-6V的输入电压范围，静态功耗低至15uA。其可达100%的工作周期可在电池电压低至输出电压时提供直通功能，进一步提高了电池的利用率。

液晶背光和继电器供电电路：该部分供电采用TI公司的升压型DC/DC芯片TPS61040产生，该芯片是一款输出电流可达400mA的高效DC/DC升压芯片，开关频率为1MHz，2-6V的输入电压范围，输出电压最高可达28V，静态功耗28uA。

模拟（PGA）部分供电电路：该部分的电源为PGA提供模拟电压，其电源性能直接影响整个系统的性能指标，所以有较高的要求。此部分的供电选用TI公司的双输出DC/DC芯片TPS65133产生，该芯片固定为±5V输出，输出精度达到1%，正向到负向区间输出电流高达250mA，出色的线路和负载瞬态响应，运行在连续传导模式 (CCM) 以实现无噪声输出电压。

（5）操作系统

uC/OS II(Micro Control Operation System Two)是一个可以基于ROM运行的、可裁减的、抢占式、实时多任务内核，具有高度可移植性，特别适合于微处理器和控制器，是和很多商业操作系统性能相当的实时操作系统(RTOS)。μC/OS-II可以大致分成核心、任务处理、时间处理、任务同步与通信，CPU的移植等5个部分。

a）核心部分(OSCore.c) 是操作系统的处理核心，包括操作系统初始化、操作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。能够维持系统基本工作的部分都在这里。

b）任务处理部分(OSTask.c) 任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。因为μC/OS-II是以任务为基本单位调度的，所以这部分内容也相当重要。

c）时钟部分(OSTime.c) μC/OS-II中的最小时钟单位是timetick(时钟节拍)。任务延时等操作是在这里完成的。

d）任务同步和通信部分 为事件处理部分，包括信号量、邮箱、消息队列、事件标志等部分;主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。

e）与CPU的接口部分是指μC/OS-II针对所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一个通用性的操作系统，所以对于关键问题上的实现，还是需要根据具体CPU的具体内容和要求作相应的移植。这部分内容由于牵涉到SP等系统指针，所以通常用汇编语言编写。主要包括中断级任务切换的底层实现、任务级任务切换的底层实现、时钟节拍的产生和处理、中断的相关处理部分等内容。

3 结束语

在神经肌肉刺激器检测设备上，国内尚未查询到任何生产企业、单位制造神经肌肉刺激器专用检测设备，也未见关于神经肌肉刺激器检测设备的研制等相关文献报道。在国内的检测方式中，比较多的检测机构将涉及神经肌肉刺激器（仪）的部分技术指标，如电流、电压、输出线形图，输入电信号值、信号频率直流分量等用专业的示波器进行测试、而其它关键技术指标如干扰电流、拍频等示波器无法进行检测，因而目前无法对神经肌肉刺激器进行全项目检测，无法综合评价神经肌肉刺激器质量。本项目所提出的研制神经肌肉刺激器专用检测设备在国内尚属首次，能解决目前神经肌肉刺激器无法全项目检测的问题，为提高神经肌肉刺激器质量提供检测装备支撑。

[1]YY 0607-2007/IEC 60601-2-10：1987,医用电气设备,第2部分：神经和肌肉刺激器安全专用要求.

[2] YY/T 0696-2008.神经和肌肉刺激器输出特性的测量.

[3]杨艳,王博.神经和肌肉刺激器输出特性的检测研究[J].中国医学装备. 2016(02).19-22.

Study on the detection device of neuromuscular stimulator

Xu Yang,Wang Rui,Fu Yanxiang,Wang Yaohong
(Chongqing measuring quality inspection Inst,Chongqing,401123)

This paper introduces the development of neuromuscular stimulator, principle and technical parameters, the effective value of the stimulator output current in accordance with relevant national standards and industry standards; signal frequency; DC interference; RMS current; pulse width; channel parameters stability detection method is proposed.

neuromuscular stimulator; channel selection section; signal conditioning section; high speed AD sampling analysis; power management section

项目：国家质监总局科研项目《神经肌肉电刺激类设备计量标准及溯源体系研究》（项目编号：2015QK184）。