宋雪睿 涂亚庆 马 宁

（1.中国人民解放军陆军勤务学院军事物流系 重庆 401331）（2.重庆英乐伟科技有限公司 重庆 400039）

1 引言

肌肉电刺激训练（Electrical Muscle Stimulation，EMS）是一种利用低频电刺激脉冲刺激肌肉从而使肌肉产生收缩的效果以达到训练肌肉力量、缓解训练后局部肌肉疲劳、恢复肌肉软组织损伤目的的一种训练方法［1～2］。

有研究表明利用肌肉电刺激训练，可以实现与传统训练效果无异的肌肉训练效果［3］，在相同训练时间内利用肌肉电刺激训练和传统肌肉训练相结合的训练方式，相比较于传缓解肌肉疲劳的作用［6～7］，能够达到更好的训练效果［4］。不仅如此，使用电刺激脉冲刺激功能障碍的肌肉以达到改善或者恢复被刺激肌肉或肌群功能［8］也可以作为一种康复医疗手段，此方法对吞咽功能障碍［9］、偏瘫［10～11］、废肌肉萎缩［12］等肌肉性疾病的治疗和康复有良好的效果。本文穿戴式电刺激仪的设计，也为肌肉电刺激训练提供了更多便捷，使训练不受场地的限制，此设计对军事训练也十分有利，例如海军潜艇部队，能够在这种狭小的空间，保证官兵的体能训练。

2 肌肉电刺激训练仪整体电路设计

由于EMS在医学康复，军事和健身领域具有良好的特性，国内外对于肌肉电刺激仪保持着长期的研究，凯斯西储大学和J．S．Knutso等设计了一种针对脑卒中偏瘫患者的基于传感器控制的电刺激器［13～14］，深圳艾力特公司生产的肌肉电刺激仪，2路独立输出，可同时治疗2人，比利时Gymna生产的生物肌肉电刺激仪，作为一种基于表面肌电信号反馈的电刺激仪，内置15种肌肉电刺激控制策略。

传统肌肉电刺激仪训练仪工作方式主要分为两种：

1）输入脉冲大小幅度不变，调节放大器脉冲输出电流的大小，达到调节脉冲强度的目的［15～16］。这种输出方式等效为恒流输出［17］，当开路时，电极两端的电压很高。因此，当电极与人体接触不充分，也就是说接触电阻较大时，电极电压很高，容易对人产生刺痛感。

2）脉冲驱动放大器的电源电压保持不变，保持最高，调节输入脉冲大小幅度，从而改变放大器输出脉冲电压的大小，达到调节脉冲强度的目的［18］。这种调节方式本质上是恒压输出［19］，就没有恒流输出的缺点，但电路的复杂度大大加强，稳定性也有所下降。

鉴于传统肌肉电刺激刺激仪现有技术的缺点，本文设计了一种新型电刺激仪脉冲电路，以解决传统的电压调节方式容易对人产生刺痛感的缺点。且在主要工作模块外加入了蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）模块，使得整机可以通过低功耗蓝牙与其他蓝牙设备通讯，大大增强其应用范围。主电路部分分为主控电路，调压电路，分时复用电路三部分：主控电路用于根据外部控制指令生成脉冲信号，调压电路用于使输出电压在第一电压至第二电压范围内，分时复用电路用于接收所述调压电路的输出电压并在主控电路的控制下在不同时间段内通过不同的刺激电极输出的电刺激信号。整体电路结构如图1。

图1 电刺激仪器整体结构图

3 电路主要模块

3.1 主电路模块

图2 主电路整体结构图

主电路部分如图2，电路左端输入两节锂电池电压，约为8.4 V。通过电源管理芯片U1的升压、稳压管理控制，第五电容C5、第二电感L2、第六电容C6构成π型滤波器，滤出PWM纹波；第三二极管D3或第六电容C6两端电压达64 V稳定直流电压。第三二极管D3为TVS过压保护二极管。该第三二极管D3两端电压钳位置65 V以内。

电压基准输出芯片U2，高耐压NPN第五三极管Q5、第六三极管Q6，功率NMOS管Q2、数字电位器U3以及外围电阻、电容等器件构成可调稳压调整电路。为过压保护二极管为第四二极管D4和第五二极管D5。第三三极管Q3为输出电压切断开关，如第三三极管Q3输入KHV2为高电平，第三三极管Q3导通，稳压电源调整管-第二MOS管Q4截止，电源输出HV2输出0 V；如KHV2为低，第三三极管Q3截止，调整管第二MOS管Q4导通，电源输出HV2输出电压，具体输出值由第五三极管Q5、第六三极管Q6组成的差分放大器、电压基准U2以及数字电位器U3的设置确定。电压调节电路频率的补偿电容为第七电容C7。该电容大大减低了电压调节电路的自激、提高了电路的稳定性与可靠性。

U3通过SPI总线（图中的SCK、SCI、CS_2）与控制单片机MCU相连接，由MCU设置U3数字电位器的分压比，从而调节电源输出HV2的输出电压。电压调节范围为5V～64 V。

3.2 分时复用电路模块

分时复用电路中包含多路分时复用单元，如图3，其中每路分时复用单元中包括一脉冲驱动电路，其中一路所述的脉冲驱动电路的输出端与一采样电路连接。上文所述的采样电路中，采样电阻包括在内。

图3 选择复用电路原理图

所述分时复用单元电路设计为第七三极管Q7第十二三极管Q12，第七三极管Q7的集电极与第九三极管Q9的发射极、集电极相连接；第七三极管Q7的发射极连于第八三极管Q8的发射极，第七三极管Q7的基极相连于第十一三极管Q11的基极，第八三极管Q8的基极连接于第十三极管Q10的基极，第八三极管Q8的集电极连接于第十二三极管Q12的基极，第九三极管Q9的集电极与第十三极管Q10的集电极相连，第十一三极管Q11的发射极与第十三极管Q10的发射极相连接，第十二三极管Q12的集电极与第十一三极管Q11的集电极相连接。

所述第七三极管Q7的基极经第十三电阻R13连接于单片机，单片机的连接端与第十三电阻R13连接，次连接端经第十四电阻R14连接于第十一三极管Q11的基极；单片机连接第十六电阻R16同时于第八三极管Q8的基极连接；第七三极管Q7的集电极与第十七电阻R17串联同时连接第九三极管Q9的基极，第九三极管Q9的基极与集电极于第十九电阻R19并联；单片机的连接端与第十六电阻R16相连，此连接端串联第十五电阻R15与第十三极管Q10的基极；第八三极管Q8的集电极串联第十八电阻R18同时与第十二三极管Q12的基极相连接，第二十电阻R20并联在第十二三极管Q12的基极与发射极之间。

由于加在人体上的脉冲强度取决于三个因素的乘积：1）脉冲宽度（单位：μs），这个由单片机的型号所决定，无法更改；2）脉冲电压幅度；3）脉冲通过人体的电流。因此，只有脉冲输出的电压幅度值是不能够完整、全面地测量电极脉冲加在人体上的强度。所以，电极输出电流的测量对判断实际输出到人体脉冲强度至关重要。因此，所述第十三极管Q10与第十一三极管Q11的连接端与采集电阻R21连接，用于电极输出电流的测量。

3.3 放大电路模块

该装置还包括放大电路如图4，用于对采样电路的输出电流进行放大，脉冲驱动输出电流通过采样电阻R21到地GND。电阻R21上的电压降通常较小，因此需要经过由运算放大器构成的差分放大器放大，由运算放大器的输出端AD_AI2输出到单片机A/D输入进行数据处理。第九电容C9的作用：降低了差分放大器输出带宽，在低频范围内提高了差分放大器的信噪比（S/N），使电极电流测量更准确。为了简化设计，并提高差分放大器的性能，差分放大器采用了单电源供电的轨对轨运算放大器（Rail-to-rail OPAmp）电路。

图4 脉冲放大电路

通过整个电路的设计，可以同时改变输出电流和输出电压，这样既没有恒流方式的刺痛感，也没有恒压电路结构复杂、成本高的缺点，同时提高了脉冲驱动电路的工作效率。并且，在调节电源电压的电路中应用数字可调电位器，使整个调节电路进一步得到简化，电路可靠性增加，电路调节功能反而得到加强。

4 实测结果

整个电路可以通过其他蓝牙设备控制其输出频率、电压、电流等，电路输入电压最大值为9V（典型值8.4V）。在额定电压下，电路最大输出电压为60V，在1000Ω负载的情况下，最大输出电流为60 mA，图5为仪器在典型输出电压下的实测值，由实测值可得在额定情况下电压输出脉冲上升速度快，波形稳定。

图5 额定电压输出波形实测值

图6 为额定输出电压下，调整最大频率下（120 Hz）的输出波形实测值，由图可见，该电路可以稳定输出120 Hz的脉冲波形，脉冲上升时间与恢复时间均平滑，由于120 Hz以上脉冲波没有医学实际意义，因此使用120 Hz作为频率的最大设定值。

图6 120 Hz额定输出电压下波形实测值

5 结语

综上所述，本文设计了一种新型的用于生成肌肉电刺激脉冲信号的电路，综合了传统恒压调节方式和恒流调节方式的优点并改善了恒流输出刺痛感和恒压输出电路复杂的缺点，在舒适度和可靠性方面都做了很大的改进。电路可通过蓝牙模块同时独立控制调节输出电压电流以及输出频率，输出频率稳定快速，实测能用于肌肉电刺激治疗，且结构简单，稳定性强，具有很强的实用价值