【摘 要】
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神经和肌肉的功能性损伤已经成了国际社会中一类普遍的疾病,这类疾病的患者的数量庞大,平均年龄偏高。体表神经肌肉电刺激（Surface Neuro Muscular Electrical Stimulation SNMES）为这类患者提供了一种无创且有效的治疗方式,它的疗效得到了广泛地证实。一种安全有效的便携式神经肌肉电刺激设备,是这类患者迫切需要的。电池供电、无线控制、轻小化、低功耗是便携式电刺激设
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神经和肌肉的功能性损伤已经成了国际社会中一类普遍的疾病,这类疾病的患者的数量庞大,平均年龄偏高。体表神经肌肉电刺激（Surface Neuro Muscular Electrical Stimulation SNMES）为这类患者提供了一种无创且有效的治疗方式,它的疗效得到了广泛地证实。一种安全有效的便携式神经肌肉电刺激设备,是这类患者迫切需要的。电池供电、无线控制、轻小化、低功耗是便携式电刺激设备的发展趋势,同时,一个好的便携式电刺激设备要提供准确、宽范围的刺激参数,来适应不同的治疗目标。现今大多数SNMES设备采用电流源刺激（Current Source Stimulation CSS）模式,因为CSS模式易于完成电荷平衡,但这种模式的电路结构无法满足低功耗和小体积的要求。相比之下,电压源刺激（Voltage Source Stimulation VSS）模式的电路结构具有体积小和功耗低的优点,但这种结构在解决电荷平衡问题上面临挑战。基于上述问题,本文采用VSS模式研制了一种SNMES设备,主要的工作内容包括:（1）升压模块设计。为了产生有效的电刺激,本文提出了基于耦合电感的升压模块来将供电电池的3.0V-4.2V的供电电压转换为10V-200V的刺激电压,使用PID/PI反馈环来适应刺激负载的变化,实现了宽范围内的刺激电压对负载的快速自适应调节。（2）整流模块设计。本文结合H桥整流电路和自举驱动技术,使用四个独立的开关信号控制四个高耐压MOSFETs,将循环刺激分成了几个独立的阶段,产生了脉冲宽度为10-500u S,刺激频率为2-100Hz的高度可调的双相脉冲刺激波形,为电荷平衡提供了基础。（3）电荷平衡模块设计。本文提出了一种电荷计量和负载模型感知电路结构,包含电流传感器,计量电容,短路开关和单刀双掷开关。所提出电路结构只占用较小的空间,可以实时监测刺激电流,并计量每次刺激流经人体的电荷量,预测人体和电极组成的刺激负载模型,进一步根据计量和监测的结果调节刺激脉宽,达成电荷平衡。此外本文还提出了短路相,将两电极和地之间定期短路,消除采样误差带来的电荷累积风险。电荷平衡和短路相的联合可将电荷累积控制在很低的水平,即完成每个周期的刺激后残余电压小于等于36V。（4）功耗优化。本文提出了根据瞬时输出功率调节升压模块开关频率的方式来提升升压模块在轻载下的效率,在电感器件允许的开关频率范围内,极大降低了升压模块的功耗。本文使用集成了蓝牙、ADC、OP等功能的控制SOC,将上述各个模块整合为完整的电刺激系统,最终成功制备了尺寸为55mm×55mm×15mm的样机,并进行了实验验证,证明所研制的新型VSS设备具有安全可靠、尺寸小、刺激参数调节范围广、功耗低（刺激功率为128m W时系统整体功耗为579m W）和人机交互好等优点。
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