神經肌肉刺激器檢測裝置的研究

徐陽，王銳，傅燕翔，王耀弘（重慶市計量質量檢測研究院，重慶，401123）

神經肌肉刺激器檢測裝置的研究

徐陽，王銳，傅燕翔，王耀弘
（重慶市計量質量檢測研究院，重慶，401123）

介紹了神經肌肉刺激器的發展、原理和技術參數，結合國家相關標準和行業標準對刺激器輸出電流有效值；信號頻率；直流分量；干涉電流有效值；脈沖寬度；通道穩定性等重要參數提出了檢測方法。

神經肌肉刺激器；通道選擇部分；信號調理部分；高速AD采樣分析；電源管理部分

0 引言

低中頻脈沖電刺激在醫學領域的應用已有一百多年的歷史，已成為物理因子治療中最常用、最重要的方法。低中頻脈沖電常用于治療頭痛、癱瘓、腎結石、坐骨神經痛、甚至心絞痛。60年代，電子生物反饋技術開始應用。70年代，Long和Shealy發明了劃時代的TENS 療法（經皮的神經電刺激療法）。80年代以來，隨著大型集成電路和電腦技術的應用，又開發了很多功能先進、體積小巧、使用方便的電療設備，在功能性電刺激、肌電生物反饋及鎮痛的研究和應用上取得了很大的進展。低中頻治療儀全稱為“低頻調制中頻治療儀”。中頻電流被低頻電流調制后，其幅度和頻率隨著低紫外線治療儀（便攜式)頻電流的幅度和頻率的變化而變化的電流稱為調制中頻電流。近20余年來在國內廣泛應用的低中頻治療儀，是在原有的低頻治療儀的基礎之上 ，適當引入了部分中頻成份。

1 原理及技術參數

神經肌肉刺激器是一種利用低中頻脈沖電療法的診療儀器，其工作原理是根據診療目的需要，儀器內部設定組合產生多種輸出信號，針對人體的不同部位組織和神經肌肉病情特征，使用貼片電極與病人皮膚表面接觸，通過不同的低頻交流脈沖電流組合信號對病人的神經肌肉進行刺激治療，引起肌肉節律性收縮，延緩病肌的萎縮，有助于肌纖維的代償性增生，促進神經興奮和傳導功能的恢復。神經肌肉刺激器通常由主機、電極、相應電纜線組成，廣泛用于康復科;神經科;理療科、針灸科等相關科室，是醫院常用的一種治療儀器。

神經肌肉刺激器的主要技術參數有以下。

（1）輸出電流有效值用于治療的刺激器，在500Ω的阻抗下，輸出最大的電流有效值不得超過80 mA，其它頻率的輸出電流有效值不得超過表1的限值：

表1 輸出電流限值表

用于牙科和眼科診斷的刺激器，在2000Ω的阻抗下，信號中的直流電流必須不超過10mA。電流有效值的測量誤差以相對誤差表示，用于診斷的應不超過±15%；用于治療的應不超過±30%。

（2）刺激信號頻率

刺激信號的頻率允許誤差應不超過±15%或（頻率低于15 Hz）±2 Hz。

（3）直流分量

用于治療的刺激器，在500Ω的阻抗下，輸出具有直流和交流分量的信號，其直流分量不得超過80mA；用于牙科和眼科診斷的刺激器，在2000Ω的阻抗下，其輸出信號的直流分量不得超過10mA。直流分量的測量誤差以相對誤差表示，用于診斷的應不超過±15%；用于治療的應不超過±30%。

（4）干涉電流有效值

干涉電流有效值必須不超過80mA。

（5）脈沖寬度

脈沖寬度的允許誤差應不超過±30%。

（6）通道穩定性

輸出功率為峰值指示值的一半左右，30min內輸出電流的有效值 (或峰值)變化量應不超過±10%。

（7）定時

定時器的定時誤差應不超過±10%。

2 檢測裝置

本裝置主要由通道選擇部分、信號調理部分、高速AD采樣分析、電源管理部分、操作系統組成。通道選擇部分通過CPU控制選擇一路或多路不同的待測通道，通過信號調理部分的電阻衰減網絡和PGA（數字可控增益放大器）對信號進行調理以適合AD采樣。CPU通過自帶的告訴采樣通道，采集被測信號，通過FFT（快速傅里葉變換）得到信號的幅頻參數，再通過其他算法得到所有的待測參數，顯示到TFT液晶供讀取。電源管理部分管理裝置的所有電源。

圖1 系統框圖

（1）通道選擇部分

本裝置可以分別對3路輸入通道進行檢測，也可以同時測試其中兩路或三路的疊加信號，由CPU控制繼電器網絡來實現。繼電器網絡中的繼電器由自鎖繼電器構成，自鎖繼電器的優點是低功耗，只需在切換器吸合通道時施加控制電流，繼電器吸合后無需保持電流，降低了裝置的整機功耗。通道選擇后，根據測試要求選擇通道阻抗。

（2）信號調理電路

由于設計輸入信號的測試范圍高達±700V，所以必須對輸入信號進行衰減，以滿足系統電路元件的最大輸入范圍。衰減網絡采用電阻衰減，對信號衰減大約148倍。

為了兼顧小信號的待測信號的測量精度，系統采用PGA（數字可控增益放大器）PGA280對小信號進行放大，提高AD采樣的精度。PGA280是一款零漂移、HV可編程增益放大器，其優良的電氣特性保證了系統測量的信號的穩定性。

（3）高速AD采樣分析

系統的主控單元及高速AD采樣采用了SMT32F407VET6，SMT32F407VET6是意法半導體基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARMCortex-M4內核的微處理器，其內核帶有 FPU 的 ARM? 32 位 Cortex?-M4CPU、在 Flash存儲器中實現零等待狀態運行性能的自適應實時加速器(ART 加速器 ?)、主頻高達 168MHz， MPU，能夠實現高達210 DMIPS/1.25DMIPS/MHz (Dhrystone 2.1)的性能，具有 DSP 指令集。存儲器高達1 MB Flash以及高達 192+4 KB的SRAM， 包括64-KB的CCM（內核耦合存儲器）數據 RAM和高達 32 位數據總線的靈活外部存儲控制器： SRAM、 PSRAM、 NOR/NAND存儲器。

（4）電源管理

系統采用單節鋰離子電子提供供電，系統數字部分供電電壓為3.3V，液晶背光和繼電器供電電壓為5V，模擬（PGA）部分電壓為±5V。

數字部分電源電路：數字部分供電采用TI公司的降壓型DC/ DC芯片TPS62260產生，該芯片是一款輸出電流可達600mA的高效DC/DC降壓芯片，開關頻率高達2.25MHz，2-6V的輸入電壓范圍，靜態功耗低至15uA。其可達100%的工作周期可在電池電壓低至輸出電壓時提供直通功能，進一步提高了電池的利用率。

液晶背光和繼電器供電電路：該部分供電采用TI公司的升壓型DC/DC芯片TPS61040產生，該芯片是一款輸出電流可達400mA的高效DC/DC升壓芯片，開關頻率為1MHz，2-6V的輸入電壓范圍，輸出電壓最高可達28V，靜態功耗28uA。

模擬（PGA）部分供電電路：該部分的電源為PGA提供模擬電壓，其電源性能直接影響整個系統的性能指標，所以有較高的要求。此部分的供電選用TI公司的雙輸出DC/DC芯片TPS65133產生，該芯片固定為±5V輸出，輸出精度達到1%，正向到負向區間輸出電流高達250mA，出色的線路和負載瞬態響應，運行在連續傳導模式 (CCM) 以實現無噪聲輸出電壓。

（5）操作系統

uC/OS II(Micro Control Operation System Two)是一個可以基于ROM運行的、可裁減的、搶占式、實時多任務內核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器，是和很多商業操作系統性能相當的實時操作系統(RTOS)。μC/OS-II可以大致分成核心、任務處理、時間處理、任務同步與通信，CPU的移植等5個部分。

a）核心部分(OSCore.c) 是操作系統的處理核心，包括操作系統初始化、操作系統運行、中斷進出的前導、時鐘節拍、任務調度、事件處理等多部分。能夠維持系統基本工作的部分都在這里。

b）任務處理部分(OSTask.c) 任務處理部分中的內容都是與任務的操作密切相關的。包括任務的建立、刪除、掛起、恢復等等。因為μC/OS-II是以任務為基本單位調度的，所以這部分內容也相當重要。

c）時鐘部分(OSTime.c) μC/OS-II中的最小時鐘單位是timetick(時鐘節拍)。任務延時等操作是在這里完成的。

d）任務同步和通信部分 為事件處理部分，包括信號量、郵箱、消息隊列、事件標志等部分;主要用于任務間的互相聯系和對臨界資源的訪問。

e）與CPU的接口部分是指μC/OS-II針對所使用的CPU的移植部分。由于μC/OS-II是一個通用性的操作系統，所以對于關鍵問題上的實現，還是需要根據具體CPU的具體內容和要求作相應的移植。這部分內容由于牽涉到SP等系統指針，所以通常用匯編語言編寫。主要包括中斷級任務切換的底層實現、任務級任務切換的底層實現、時鐘節拍的產生和處理、中斷的相關處理部分等內容。

3 結束語

在神經肌肉刺激器檢測設備上，國內尚未查詢到任何生產企業、單位制造神經肌肉刺激器專用檢測設備，也未見關于神經肌肉刺激器檢測設備的研制等相關文獻報道。在國內的檢測方式中，比較多的檢測機構將涉及神經肌肉刺激器（儀）的部分技術指標，如電流、電壓、輸出線形圖，輸入電信號值、信號頻率直流分量等用專業的示波器進行測試、而其它關鍵技術指標如干擾電流、拍頻等示波器無法進行檢測，因而目前無法對神經肌肉刺激器進行全項目檢測，無法綜合評價神經肌肉刺激器質量。本項目所提出的研制神經肌肉刺激器專用檢測設備在國內尚屬首次，能解決目前神經肌肉刺激器無法全項目檢測的問題，為提高神經肌肉刺激器質量提供檢測裝備支撐。

[1]YY 0607-2007/IEC 60601-2-10：1987,醫用電氣設備,第2部分：神經和肌肉刺激器安全專用要求.

[2] YY/T 0696-2008.神經和肌肉刺激器輸出特性的測量.

[3]楊艷,王博.神經和肌肉刺激器輸出特性的檢測研究[J].中國醫學裝備. 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

項目：國家質監總局科研項目《神經肌肉電刺激類設備計量標準及溯源體系研究》（項目編號：2015QK184）。