可穿戴上肢功能性电刺激仪的设计与实验*

苏栋楠 ，尚 鹏 ，胡志刚 ，曾梓琳 ，魏 风 ，吴继鹏 ，杨德龙

（1.河南科技大学 医学技术与工程学院，河南 洛阳 471000；2.中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055）

0 引言

当今脑卒中（俗称中风）患者数量与日俱增，截至2020 年底，我国统计的脑卒中患者已有1 200 多万人，且呈现年轻化趋势，25 岁以上的成年人罹患脑卒中终身风险为39.3%[1]。此外，脑卒中往往伴随着患者的运动功能损伤，对患者的生活与工作造成不便，而早期的康复治疗能一定程度上有效恢复患者的运动功能[2-7]。功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）就是使用低频电信号刺激肌肉，使失能肌肉产生收缩，释放神经递质，通过下运动神经元反馈刺激上运动神经元，达到患者康复治疗的疗效。如今，功能性电刺激已经成为医院康复治疗的常用有效手段，但是目前医院用于功能性电刺激的仪器体积庞大，使用场地局限性较大，不便于患者实时和任意场所的康复训练。针对以上问题，本文设计了一款针对上肢康复训练的可穿戴四通道功能性电刺激仪，可以自主控制升压范围，多频率可调，且治疗仪体积小巧便携，满足患者居家上肢康复训练。

1 电刺激参数的设置

为能产生有效的肌肉收缩且保证通过人体的电流在安全范围内，设置合理的电刺激的参数至关重要。电刺激的主要参数包括脉冲电流、电刺激频率、电刺激脉宽、电刺激波形以及通断时间比。

1.1 脉冲电流

引起人体肌肉收缩的电流阈值为20 mA。通过电极将电流传入人体，目前采用的电极有侵入式和非侵入式两种[8-9]。侵入式电流常采用25 mA，其优点是可以产生强烈的有效刺激，但会对人体造成表皮创伤。目前医院常采用非侵入式的，即采用水凝胶电极片，贴覆患者肌肉表皮。由于脑卒中患者对电刺激的耐受阈值较高，目前的脉冲电流范围常设置在20 mA 到120 mA，因为电刺激脉宽非常小，有效能量较低并不会对人体造成危险。

1.2 电刺激频率

电刺激频率是指在1 s 内出现的电刺激脉冲的个数，如30 Hz 则是指1 s 内出现了30 次电刺激脉冲，如图1 所示。电刺激频率越高，肌肉收缩力越强，但越容易造成肌肉疲劳[10-11]。目前典型的电刺激频率为20 Hz～50 Hz，由于在功能性电刺激康复训练中肌肉疲劳并不是主要关注点，而是为了达到良好的疗效，本文的功能性电刺激仪采用了30 Hz、40 Hz、50 Hz 这三个频率。

图1 电刺激脉冲示意图

1.3 电刺激脉宽

电刺激脉宽是指每个脉冲时间中，包括上升沿、下降沿的脉冲宽度，如图2 所示，图中所标注的脉宽为上升沿,该输出波形对应硬件设计中一种控制模式——脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），通过改变PWM波的占空比即可调控电刺激脉宽。在低频电刺激中，常用的电刺激脉宽为1～1 000 之间。当功能性电刺激强度一定时，采用最低的刺激频率和最长的刺激脉宽可以达到最佳刺激效果，降低患者的不适感。

1.4 电刺激波形

电刺激波形就是电刺激输出的脉冲形状，常见波形有单相波和双相波两种，其中脉宽与幅值的乘积代表该脉冲刺激的有效能量。由于单相波会造成患者电极表皮处的电荷积累，造成电化学灼烧，目前常采用双相波进行刺激，双相波相较于单相波更安全，可以有效减小电刺激的皮肤表面的电荷积累，减小患者的不适[12-13]。常见的电刺激波形如图2 所示。

图2 常见的电刺激波形图

其中双相波又分为对称双相波、不平衡双相波和不对称双相波。对称双相波由两个幅值与脉宽相同，相位相反的脉冲波构成。不平衡双向波由两个相位相反，且幅值不同或者是脉宽不同的脉冲波构成，但上升沿能量等于下降沿能量，可是由于实际电路硬件和人体皮肤特性等问题的限制，该能量往往是不能完全相等的。不对称双相波由两个反相的幅值相同，脉宽或幅值不同，且上升沿与下降沿的总能量不同的脉冲波构成。为考虑患者的舒适感和刺激的有效性，目前常采用不平衡双相波进行电刺激，可以有效完成上肢屈指、伸指等动作，而对称双相波常用于驱动大肌肉（例如肱二头肌等），能使其产生更强的肌肉收缩力[14-16]。

1.5 通断周期

通断周期就是通电时间与断电时间的总和，由于持续的功能性电刺激会造成肌肉疲劳，使得肌肉收缩力下降，为了缓解肌肉疲劳以及保持肌肉收缩力在一定水平范围内，目前常采用的通电时间/断电时间为1:2，如刺激1 s 休息2 s。

2 硬件设计

为了提高仪器的可穿戴性，并通过触摸屏实现人机交互的功能，本文的可穿戴电刺激仪采用STM32f303C8T6微控制芯片，并设置以上电刺激参数。该芯片的频率可以达到72 MHz 且有着众多的外设接口，满足仪器设计需求。可穿戴电刺激仪器的电刺激参数设置如下：采用不平衡双相波来进行电刺激，保障患者使用的安全性，脉冲电流在25 mA 左右，刺激脉宽为300 μs，刺激频率包含30 Hz、40 Hz、50 Hz 多个挡位，通电时间/断电时间为1:2。

2.1 原理与系统框图

可穿戴上肢功能性电刺激仪系统框图如图3 所示。电源管理模块可以通过USB 给锂电池充电，再通过锂电池给整个系统供电，也可以通过USB 直接给STM32芯片、串口屏和其他模块供电。Boost 升压模块可以通过调节PWM 波的占空比，实现连续可调的升压，再通过电刺激驱动电路将主控芯片输出的PWM 波转换成恒定电流的不平衡双相电刺激脉冲，最后经水凝胶电极片刺激患者的电刺激位点，达到康复治疗的效果。同时，用户可以通过串口屏模块实时地调整电刺激频率等参数。

图3 电刺激仪系统框图

2.2 Boost 升压模块

可穿戴上肢功能性电刺激仪可以通过5 V 的USB 端口供电，也可以直接通过锂电池供电，但是该电压远远不能达到用于功能性电刺激的电压要求，所以就需要升压模块升压。人体表皮在湿润情况下，平均电阻为2 kΩ左右，为了满足25 mA 的输出电流，需要将电压升至50 V左右。采用Boost 升压电路进行升压，如图4 所示，其中D1 为肖特基二极管，可以满足高频电路的快速导通截至；Q1 为开关三极管，具有电流放大系数大，特征频率高的特点。

Boost 电路可以通过调控PWM 波的占空比和频率实现连续可调的升压，以该刺激仪为例，当开关频率采用1.5 kHz，占空比为50%时，可将电压升至50 V。其中BOOST1_IN 为PWM 输入信号，用来调控升压参数。BOOST1_OUT 为升压后的电压，用于电刺激驱动电路的电压输出。Boost 升压电路原理图如图4 所示。

图4 Boost 升压电路

2.3 电刺激驱动电路

电刺激驱动电路用于电刺激脉冲输出，电路原理图如图5 所示。其工作原理是通过配置FES1_CTRL1 和FES1_CTRL2 引脚不同时序PWM波，使得三极管处于导通/截止的状态，进而输出不平衡双相波，其中FES1_N和FES1_P 经导线和水凝胶电极片接人体表皮。

图5 电刺激驱动电路原理图

通过STM32 芯片输出PWM 信号来调控电刺激驱动电路的FES1_CTRL1 和FES1_CTRL2 引脚，当FES1_CTRL1处的PWM 输出高电平，FES1_CTRL2 输出低电平时，Q2的集电极为高电平，Q4 的发射极为高电平，Q5 的集电极为低电平，Q7 的发射极为低电平，此时电流由FES1_P流出，经过人体流向FES1_N。同理可得，当FES1_CTRL1处的PWM 输出低电平，FES1_CTRL2 输出高电平时，Q2的集电极为低电平，Q4 的发射极为低电平，Q5 的集电极为高电平，Q7 的发射极为高电平，此时电流由FES1_N流出，经过人体流向FES1_P。所以只需调节FES1_CTRL1和FES1_CTRL2 的PWM 频率即可实现输出不同频率的电刺激脉冲信号。

3 软件设计

采用STM32CubeIDE 编写STM32 芯片的嵌入式程序，包括main 函数、boost 升压程序及电刺激驱动电路PWM调控程序，串口通信等程序,如图6 所示。

图6 主程序流程图

STM32CubeIDE 是一个先进的C/C++开发平台，可以图形化地配置时钟树及芯片的不同引脚，能够简化部分繁琐的写代码的工作量，在该界面可以对各引脚进行初始化设置。

3.1 电刺激驱动模块和Boost 升压模块的PWM 软件设计

合理配置电刺激驱动模块PWM 波的频率、占空比和触发方式即可得到理想电刺激波形。首先在时钟树配置界面设置芯片的高速总线时钟频率，然后在STM32CubeIDE中配置PWM 的预分频系数和自动重装载值，可以实现电刺激脉冲的频率调节，如式（1）所示。

其中高速总线时钟频率为72 MHz，可以调用HAL 函数，配置各定时器PWM 占空比，实现波形的脉宽设置。本电刺激仪通过定时器1 和定时器2 调控电刺激波形，通过定时器3 控制Boost 升压，调用HAL 函数的占空比设置函数，配置自动重装载值和通道占比来调控电刺激脉冲的占空比，占空比的具体计算公式如式（2）所示。

最后设置FES1_CTRL1 和FES1_CTRL2 输出的PWM有效极性即可得到不平衡双相波。同理，Boost 升压电路的PWM 也如以上配置，主要通过改变其占空比来控制电压。

3.2 串口通信软件设计

串口通信采用异步串行通信的方式。实现主控芯片与触摸屏之间的通信，以便实时调控电刺激的模式与参数，达到人机交互的目的。为了达到这一目的，要配置中断初始化，并使能中断，在中断回调函数中设置串口屏与主控芯片的通信协议，若用户改变电刺激参数或模式时则触发中断，并将对应指令发送给主控芯片，做出相应的响应。

4 实验与测试

可穿戴上肢功能性电刺激仪能通过串口屏发送数据来控制电刺激参数与模式，连接4 对电极片，实现四通道电刺激脉冲输出进行康复治疗，其测试版如图7 所示，PCB 尺寸为10 cm×5 cm，所占用空间体积较小，可以依附在患者上臂，方便患者随时随地的康复训练。

图7 测试版可穿戴上肢功能性电刺激仪

4.1 电阻模拟实验

对可穿戴上肢功能性电刺激仪进行电阻模拟实验，选用康复治疗模式，以2 kΩ 的纯电阻来模拟人体，将示波器并联至电阻的两端，通断周期为1:2，串口屏调控的电刺激频率为30 Hz，刺激脉宽为330 μs。使用示波器测试脉冲波形，其输出波形如图8 所示，可以看到其双相波电压差为52 V，成功输出不平衡双相波，刺激频率为30 Hz，输出脉宽为330 μs。

图8 电阻模拟实验电刺激输出波形

4.2 人体测试实验

对可穿戴上肢功能性电刺激仪进行人体测试，刺激模式与参数和电阻实验相同，其输出波形如图9 所示。若同一通道电极片的间距较近，则主要刺激浅层肌群，若电极片的间距较远，则主要刺激深层肌群。以握拳模式为例，刺激受试者浅层的指浅屈肌、肱桡肌和尺侧腕屈肌，能使患者不自主地握拳。

图9 人体电刺激输出波形

由于人体皮肤构成复杂，不能简单地视为纯电阻电路，而是等效为电阻与电容共存的复杂系统，因此其具有电容的部分特性，当电压突然发生改变时，电容储存的能量不能瞬间完成释放，因此，产生的脉冲波和电阻模拟实验略有差异,但电刺激输出参数满足预期，同时，能有效地刺激肌肉产生强力收缩，且受试者不适感较小。

5 结论

综上所述，本文设计了一款可穿戴的四通道上肢功能性电刺激仪，其体积小巧，能够单独依靠锂电池供电，方便患者随时的康复治疗。此外，该电刺激仪还配备触摸屏，方便户用人机交互的体验，能够实时切换电刺激模式和参数。从后续的波形测试实验可以看出，该电刺激仪可以有效输出不平衡双相波，波形的频率、电压、宽度等参数均符合功能性电刺激的康复治疗要求，通断时间比为1:2，能有效缓解肌肉疲劳，在人体实验中能有效刺激相应肌群产生肌肉收缩。