一种基于功能性电刺激的可穿戴便携式电刺激器

技术领域

本发明涉及辅助医疗康复训练领域，尤其是涉及一种基于功能性电刺激的可穿戴便携式电刺激器。

背景技术

随着可穿戴电子设备的普及，人们对于在日常生活中实时监测身体各项指标的需求不断增加。功能性电刺激(Function electrical stimulation，简称FES)可以刺激肌肉或神经系统，从而产生生物反应，如运动、感觉或疼痛。目前大多数功能性电刺激在实际应用中只刺激一块肌肉，这与人类运动控制的神经策略不一致，即人类在执行动作时需要多个肌肉协同工作。

可穿戴便携式电刺激器技术利用多肌肉协同工作原理，在皮肤表面放置多个电极，通过电刺激实现对人体运动和感觉系统的控制和干预，并且具有低功耗、小尺寸、易于使用等特点，为未来的医疗、康复、健身等领域提供了广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对上述功能性电刺激器无法同时刺激多个肌肉的不足，提供了一种基于功能性电刺激的可穿戴便携式电刺激器。采用本发明的技术方案，使用电极阵列对患者肌肉进行功能性电刺激，可以同时刺激多块肌肉，能够实现对患者手部关节的有效控制。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于功能性电刺激的可穿戴便携式电刺激器，所述硬件系统包括单片机、多通道电路、电极阵列和电源模块，使用者通过控制按键设置刺激参数后，单片机将控制信号输出至多通道电路进行通道选择，选择出的通道对应的电极对人体进行最终的电刺激。

其中所述单片机由Arduino Nano板实现，用来接收和发送从上位机发来的控制指令。

其中所述多通道电路包括20个电极通道，20个电极通道由4个肘部电刺激通道和16个手部电极阵列构成，可实现每个通道的独立控制。

其中所述电极阵列使用柔性电路制成，包括4行4列共16个电极和一个参考电极。

其中所述电源模块包括高压模块和低压模块，高压模块为多通道电路提供电源，低压模块为单片机供电。

所述系统中的电极阵列是由柔性制版技术加工而成的，多电极通过18针连接器连接到驱动模块。电极片柔性制版电路(FPC)上进行丝网印刷。基于FPC的电极阵列既紧凑又轻便，电极阵列的可弯折性使其能紧密贴合前臂。单个小电极片的形状被选择为圆角矩形，以覆盖皮肤上更多的表面积。

附图说明

图1为多通道便携式FES刺激器系统框图。

图2为本发明20个独立通道电刺激器图。

图3为本发明肘部电极接口图。

图4为本发明Arduino Nano引脚图。

图5为本发明单个电极脉宽控制原理图。

图6为本发明电源接口图。

图7为本发明电源模块电路原理图。

图8为本发明电源模块电路结构图。

图9为本发明电极阵列电路原理图。

图10为本发明电极阵列电路结构图。

具体实施例

下面将结合附图详细描述本发明的具体实施例。本发明描述的具体实施例仅用于解释本发明，不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于功能性电刺激的可穿戴便携式电刺激器，该刺激器利用人类执行动作时多个肌肉协同激活共同作用的原理，在皮肤表面放置多个电极，通过施加电刺激实现对人体运动和感觉系统的控制和干预。

通过参照以下相应的附图的描述中，本发明的装置细节的特点和优点将变得更加容易理解。

图1为多通道便携式FES刺激器系统框图，系统包括控制器、多通道电路、电源模块、阵列电极。使用者通过控制按键设置刺激参数后，控制器将控制信号输出至多通道电路进行通道选择，选择出的通道对应的电极即为刺激电极，与人体皮肤相接触的电极进行最终的电刺激。

图2为本发明的20个独立通道电刺激器，包括20个电极通道、Arduino Nano单片机接口、电源接口、18针扁平电缆接口。其中18针扁平电缆接口用于连接电极阵列。

图3为本发明的20个电极通道中的4个肘部电刺激通道，用于刺激肱二头肌。

图4为单片机Arduino Nano板引脚原理图，Arduino Nano引脚D2-D13、A0-A7分别与电刺激器PCB板上20位电极通道相连，Arduino Nano单片机接收来自上位机的控制信号，通过控制引脚PWM波的脉宽对电极脉宽进行控制。从而进行对刺激器的控制。

图5是控制单个电极脉宽的电路原理图，以PWM1为例，当引脚D1对应的PWM1为高电平5v时，经过升压电路，输出电压为y1＝90V，从而使对应电极开始对小臂肌肉进行功能性电刺激。

图6为电源接口PWR，用于连接电源与刺激器，将电源模块输出的90V电压提供给电刺激器，输出的5V电压提供给Arduino Nano单片机。

图7为本发明电源模块电路原理图。使用RECOM R12-100B隔离式DC/DC转换器，输入电压为12V，输出电压为90V的直流电信号，满足应用中对高效率、稳定性和可靠性的要求，并且具有短路保护、过载保护、过温保护等多重保护功能，确保电源模块的安全和可靠性。为保证电源输出电压为90V，电阻R4和R5阻值应相同。TMR6为电源直流转换器，输入电压12V，输出电压5V，用于为Arduino Nano提供稳定电源。JOUT1模块为USB连接口，用于连接电源与刺激器。

图8为本发明的电源电路结构图，其中包括RECOM R12-100B隔离式DC/DC转换器、TMR6为电源直流转换器和USB连接口JOUT1模块，以及这三个模块在电路板上的位置。

图9为本发明柔性电路板电路原理图，本发明电路原理图使用软件AltiumDesigner绘制，电路板接口采用了18针扁平电缆封装，Y1-Y16分别接至16通道电极片，Y1-Y16对应的电极片按4×4的顺序排列，Y0、Y17接地。

图10为本发明的电极阵列电路结构图，柔性印刷电路(FPC)作为电极基底，电路板上包括16个电极通道和一个参考电极。多电极通过18针连接器连接到驱动模块。电极片FPC上进行丝网印刷。基于FPC的电极阵列既紧凑又轻便，电极阵列的可弯折性使其能紧密贴合前臂。电极阵列整体尺寸为142mm×75mm。单个小电极片的形状被选择为圆角矩形，以覆盖皮肤上更多的表面积。小尺寸电极片在各自的刺激部位产生高电流密度。在实验中，单个电极片的尺寸选择为25mm×15mm。FPC电极阵列中唯一刚性的部分是FPC18针连接器，用于连接电极片与驱动模块。参考电极(尺寸:40mm×20mm)放置于前臂手腕附近，刺激脉冲在电极阵列上的小型电极片和参考电极之间交替进行。电极阵列具有可弯折性好、轻薄的特点，可以与皮肤进行很好的贴合。对患者进行康复训练时，可将该电极阵列穿戴至小臂位置上并进行功能性电刺激。

其中本发明使用计算机辅助设计软件Altium Designer绘制出电极阵列的形状，电极片按4×4的顺序排列，单个电极片的尺寸选择为25mm×15mm，电极阵列整体尺寸为142mm×75mm，单个小电极片的形状被选择为圆角矩形，参考电极尺寸为40mm×20mm。本发明将电极阵列模板通过光刻技术转移至光刻胶层上，形成图案，并进行显影处理，得到光刻版。将光刻版通过曝光技术转移至光敏聚合物膜上，再进行显影处理，得到柔性版材。在柔性版材表面涂覆导电材料(如银浆)并加热烘干，形成导电层。在电极阵列的一侧添加控制电路，并用导线连接每个通道的电极。将导电层和控制电路分别与另一块柔性基底层粘合，并在两个基底层之间加入隔离层，最终完成电极阵列制作。

其中本发明的便携式多通道刺激器硬件中的电极较小，通道数量多且排列紧密，可以同时刺激多个细小肌肉束，从而可以控制手部的多个关节角度。

使用本发明的电刺激器系统时，将受试者电极阵列粘贴位置(一般为前臂位置)擦拭酒精，减小皮肤电阻，将电极阵列粘贴至肌肉合适位置，并确保与皮肤紧密接触。首先将电刺激器连接电源，Arduino Nano单片机连接串口，然后在上位机界面调整刺激强度至受试者可以接受的强度，确定受试者可以承受的最大强度后，进行电刺激，采集受试者关节运动信息。

记录实验期间的相关数据，包括刺激强度、刺激时间、参与者的感受反馈等。

对实验收集到的数据进行统计分析和解释，评估电刺激的效果，分析肌肉的健康状态，并给出指导锻炼意见。

由于进行功能性电刺激的肌肉容易出现肌肉疲劳状态，应当在刺激十分钟时休息三十分钟后再继续进行电刺激，以达到较好的训练效果。

在康复训练结束后，关闭电源，结束电刺激的提供，使用者摘掉电极阵列装置，清除电极贴片，将所有设备放置在安全位置，并告知参与者实验已完成。

以上显示和描述了本发明的发明内容，基本原理、实施过程和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。