神經(jīng)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(jì)量質(zhì)量檢測研究院，重慶，401123）

神經(jīng)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(jì)量質(zhì)量檢測研究院，重慶，401123）

介紹了神經(jīng)肌肉刺激器的發(fā)展、原理和技術(shù)參數(shù)，結(jié)合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定性等重要參數(shù)提出了檢測方法。

神經(jīng)肌肉刺激器；通道選擇部分；信號調(diào)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(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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(jié)石、坐骨神經(jīng)痛、甚至心絞痛。60年代，電子生物反饋技術(shù)開始應(yīng)用。70年代，Long和Shealy發(fā)明了劃時(shí)代的TENS 療法（經(jīng)皮的神經(jīng)電刺激療法）。80年代以來，隨著大型集成電路和電腦技術(shù)的應(yīng)用，又開發(fā)了很多功能先進(jìn)、體積小巧、使用方便的電療設(shè)備，在功能性電刺激、肌電生物反饋及鎮(zhèn)痛的研究和應(yīng)用上取得了很大的進(jìn)展。低中頻治療儀全稱為“低頻調(diào)制中頻治療儀”。中頻電流被低頻電流調(diào)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(diào)制中頻電流。近20余年來在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的低中頻治療儀，是在原有的低頻治療儀的基礎(chǔ)之上 ，適當(dāng)引入了部分中頻成份。

1 原理及技術(shù)參數(shù)

神經(jīng)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(jù)診療目的需要，儀器內(nèi)部設(shè)定組合產(chǎn)生多種輸出信號，針對人體的不同部位組織和神經(jīng)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(jīng)肌肉進(jìn)行刺激治療，引起肌肉節(jié)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(jìn)神經(jīng)興奮和傳導(dǎo)功能的恢復(fù)。神經(jīng)肌肉刺激器通常由主機(jī)、電極、相應(yīng)電纜線組成，廣泛用于康復(fù)科;神經(jīng)科;理療科、針灸科等相關(guān)科室，是醫(yī)院常用的一種治療儀器。

神經(jīng)肌肉刺激器的主要技術(shù)參數(shù)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(yīng)不超過±15%；用于治療的應(yīng)不超過±30%。

（2）刺激信號頻率

刺激信號的頻率允許誤差應(yīng)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(yīng)不超過±15%；用于治療的應(yīng)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(yīng)不超過±30%。

（6）通道穩(wěn)定性

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

（7）定時(shí)

定時(shí)器的定時(shí)誤差應(yīng)不超過±10%。

2 檢測裝置

本裝置主要由通道選擇部分、信號調(diào)理部分、高速AD采樣分析、電源管理部分、操作系統(tǒng)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(diào)理部分的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)和PGA（數(shù)字可控增益放大器）對信號進(jìn)行調(diào)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(shù)，再通過其他算法得到所有的待測參數(shù)，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(tǒng)框圖

（1）通道選擇部分

本裝置可以分別對3路輸入通道進(jìn)行檢測，也可以同時(shí)測試其中兩路或三路的疊加信號，由CPU控制繼電器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。繼電器網(wǎng)絡(luò)中的繼電器由自鎖繼電器構(gòu)成，自鎖繼電器的優(yōu)點(diǎn)是低功耗，只需在切換器吸合通道時(shí)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(jī)功耗。通道選擇后，根據(jù)測試要求選擇通道阻抗。

（2）信號調(diào)理電路

由于設(shè)計(jì)輸入信號的測試范圍高達(dá)±700V，所以必須對輸入信號進(jìn)行衰減，以滿足系統(tǒng)電路元件的最大輸入范圍。衰減網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)采用PGA（數(shù)字可控增益放大器）PGA280對小信號進(jìn)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(yōu)良的電氣特性保證了系統(tǒng)測量的信號的穩(wěn)定性。

（3）高速AD采樣分析

系統(tǒng)的主控單元及高速AD采樣采用了SMT32F407VET6，SMT32F407VET6是意法半導(dǎo)體基于要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex-M4內(nèi)核的微處理器，其內(nèi)核帶有 FPU 的 ARM? 32 位 Cortex?-M4CPU、在 Flash存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)零等待狀態(tài)運(yùn)行性能的自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器(ART 加速器 ?)、主頻高達(dá) 168MHz， MPU，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)210 DMIPS/1.25DMIPS/MHz (Dhrystone 2.1)的性能，具有 DSP 指令集。存儲(chǔ)器高達(dá)1 MB Flash以及高達(dá) 192+4 KB的SRAM， 包括64-KB的CCM（內(nèi)核耦合存儲(chǔ)器）數(shù)據(jù) RAM和高達(dá) 32 位數(shù)據(jù)總線的靈活外部存儲(chǔ)控制器： SRAM、 PSRAM、 NOR/NAND存儲(chǔ)器。

（4）電源管理

系統(tǒng)采用單節(jié)鋰離子電子提供供電，系統(tǒng)數(shù)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(shù)字部分電源電路：數(shù)字部分供電采用TI公司的降壓型DC/ DC芯片TPS62260產(chǎn)生，該芯片是一款輸出電流可達(dá)600mA的高效DC/DC降壓芯片，開關(guān)頻率高達(dá)2.25MHz，2-6V的輸入電壓范圍，靜態(tài)功耗低至15uA。其可達(dá)100%的工作周期可在電池電壓低至輸出電壓時(shí)提供直通功能，進(jìn)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(chǎn)生，該芯片是一款輸出電流可達(dá)400mA的高效DC/DC升壓芯片，開關(guān)頻率為1MHz，2-6V的輸入電壓范圍，輸出電壓最高可達(dá)28V，靜態(tài)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(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，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(chǎn)生，該芯片固定為±5V輸出，輸出精度達(dá)到1%，正向到負(fù)向區(qū)間輸出電流高達(dá)250mA，出色的線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，運(yùn)行在連續(xù)傳導(dǎo)模式 (CCM) 以實(shí)現(xiàn)無噪聲輸出電壓。

（5）操作系統(tǒng)

uC/OS II(Micro Control Operation System Two)是一個(gè)可以基于ROM運(yùn)行的、可裁減的、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)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(yè)操作系統(tǒng)性能相當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。μC/OS-II可以大致分成核心、任務(wù)處理、時(shí)間處理、任務(wù)同步與通信，CPU的移植等5個(gè)部分。

a）核心部分(OSCore.c) 是操作系統(tǒng)的處理核心，包括操作系統(tǒng)初始化、操作系統(tǒng)運(yùn)行、中斷進(jìn)出的前導(dǎo)、時(shí)鐘節(jié)拍、任務(wù)調(diào)度、事件處理等多部分。能夠維持系統(tǒng)基本工作的部分都在這里。

b）任務(wù)處理部分(OSTask.c) 任務(wù)處理部分中的內(nèi)容都是與任務(wù)的操作密切相關(guān)的。包括任務(wù)的建立、刪除、掛起、恢復(fù)等等。因?yàn)棣藽/OS-II是以任務(wù)為基本單位調(diào)度的，所以這部分內(nèi)容也相當(dāng)重要。

c）時(shí)鐘部分(OSTime.c) μC/OS-II中的最小時(shí)鐘單位是timetick(時(shí)鐘節(jié)拍)。任務(wù)延時(shí)等操作是在這里完成的。

d）任務(wù)同步和通信部分 為事件處理部分，包括信號量、郵箱、消息隊(duì)列、事件標(biāo)志等部分;主要用于任務(wù)間的互相聯(lián)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(gè)通用性的操作系統(tǒng)，所以對于關(guān)鍵問題上的實(shí)現(xiàn)，還是需要根據(jù)具體CPU的具體內(nèi)容和要求作相應(yīng)的移植。這部分內(nèi)容由于牽涉到SP等系統(tǒng)指針，所以通常用匯編語言編寫。主要包括中斷級任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、任務(wù)級任務(wù)切換的底層實(shí)現(xiàn)、時(shí)鐘節(jié)拍的產(chǎn)生和處理、中斷的相關(guān)處理部分等內(nèi)容。

3 結(jié)束語

在神經(jīng)肌肉刺激器檢測設(shè)備上，國內(nèi)尚未查詢到任何生產(chǎn)企業(yè)、單位制造神經(jīng)肌肉刺激器專用檢測設(shè)備，也未見關(guān)于神經(jīng)肌肉刺激器檢測設(shè)備的研制等相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。在國內(nèi)的檢測方式中，比較多的檢測機(jī)構(gòu)將涉及神經(jīng)肌肉刺激器（儀）的部分技術(shù)指標(biāo)，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(yè)的示波器進(jìn)行測試、而其它關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如干擾電流、拍頻等示波器無法進(jìn)行檢測，因而目前無法對神經(jīng)肌肉刺激器進(jìn)行全項(xiàng)目檢測，無法綜合評價(jià)神經(jīng)肌肉刺激器質(zhì)量。本項(xiàng)目所提出的研制神經(jīng)肌肉刺激器專用檢測設(shè)備在國內(nèi)尚屬首次，能解決目前神經(jīng)肌肉刺激器無法全項(xiàng)目檢測的問題，為提高神經(jīng)肌肉刺激器質(zhì)量提供檢測裝備支撐。

[1]YY 0607-2007/IEC 60601-2-10：1987,醫(yī)用電氣設(shè)備,第2部分：神經(jīng)和肌肉刺激器安全專用要求.

[2] YY/T 0696-2008.神經(jīng)和肌肉刺激器輸出特性的測量.

[3]楊艷,王博.神經(jīng)和肌肉刺激器輸出特性的檢測研究[J].中國醫(yī)學(xué)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(xiàng)目：國家質(zhì)監(jiān)總局科研項(xiàng)目《神經(jīng)肌肉電刺激類設(shè)備計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及溯源體系研究》（項(xiàng)目編號：2015QK184）。