Радиотехника и электроника, 2020, T. 65, № 10, стр. 1037-1040

ВВЕДЕНИЕ

Электромиостимуляция – это воздействие электрических импульсов различной формы, частоты и амплитуды на мышцы опорно-двигательного аппарата человека. Основная особенность электромиостимуляциисостоит в том, что она активизирует большее количество мышечных волокон, чем при обычном мышечном сокращении [1, 2]. Это позволяет развивать большие мышечные усилия по сравнению с обычным режимом выполнения упражнений. Поэтому, начиная со второй половины прошлого века, данная методика активно используется в спорте, фитнесе и медицине. В случае невозможности мышцы осуществлять самопроизвольное сокращение, ее искусственная активизация за счет применения электромиостимуляции позволит осуществлять движение неподвижной мышцы, что даст возможность больным быстрее реабилитироваться при травмах опорно-двигательного аппарата.

В большинстве электромиостимуляторов (ЭМС), которые представлены на сегодняшнем рынке, для воздействия на мышцы человека используются прямоугольные пачки импульсов (см. рис. 1а) [2–4]. Однако применение в ЭМС сигналов с возрастающей амплитудой импульсов по сравнению с обычной формой сигнала рис. 1б, позволят рекрутировать большее количество мышечных волокон, чем при использовании стандартного сигнала. Активизация большего числа мышечных волокон позволит развить большее мышечное усилие в стимулируемой мышечной группе и, как следствие, поднять силовой потенциал спортсменов. Поэтому в данной работе будет идти речь о разработке нового устройства – ЭМС с нетипичной формой сигналов.

Рис. 1.

Форма пачек импульсов прямоугольного электромиостимулционного сигнала (а) и форма пачек импульсов с возрастающей амплитудой (б).

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМИОСТИМУЛЯТОРА

Анализ [5–7] показал, что предлагаемое устройство можно реализовать с использованием управляющего микроконтроллера и других вспомогательных радиоэлектронных изделий: как цифровых, так и аналоговых.

За основу взят микроконтроллер ST MicroelectronicsSTM32F031. Это 32-х разрядная микросхема, выполненная по архитектуре ARM Cortex-M0, которая поддерживает основные современные интерфейсы I2C, LIN, SPI, USART, содержит несколько встроенных счетчиков и другую периферию. Помимо контроллера использовались 12-ти разрядные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) DAC6311, оптопары TLP117 для гальванической развязки, высоковольтные транзисторы, энкодеры и другие элементы. Структурная схема разрабатываемого устройства представлена на рис. 2.

Рис. 2.

Структурная схема разрабатываемого устройства.

Принцип функционирования заключается в том, что микроконтроллер генерируетдва сигнала – это цифровые данныеSPI интерфейса и последовательность прямоугольных импульсов, которые выдает встроенный в микроконтроллер счетчик. Далее эти два сигнала проходят через гальваническую развязку и поступают в ЦАП, на выходе которых получается аналоговый сигнал виде кусочно-линейной функции (рис. 3). В блоке усилителя-формирователя сигнал кусочно-линейной функции перемножается с сигналом прямоугольных импульсов, в результате чего образуются импульсы с нарастающей амплитудой, которые усиливаются и поступают на выход устройства.

Рис. 3.

Форма сигнала на выходе ЦАП.

В разработанном макете предусмотрена регулировка параметров выходного сигнала с помощью энкодеров. Амплитуда выходного сигнала изменяется от ${{U}_{{\min }}} = 20$ до ${{U}_{{\max }}} = 60$ В, частота – от 50 до 200 Гц, а длительность пачек импульсов – от 0.1 до 2 с. На индикаторе будут выдаваться фактические параметры выходного сигнала.

Для управления параметрами выходного сигнала с помощью энкодеров и генерирования нужной формы применяется микроконтроллер, а также разработана программа на языке программирования Си с использованием рабочей среды Eclipse. Данная программа загружается в энергонезависимую память микроконтроллера через последовательный порт, что позволяет внутрисистемно обновлять управляющую программу.

Особое внимание при разработке устройства уделено моделированию блока усилителя-формирователя. Основная задача этого блока – усиливать и непосредственно синтезировать выходной сигнал в виде пачек импульсов с нарастающей амплитудой. Структурная схема блока представлена на рис. 4.

Рис. 4.

Структурная схема блока усилителя-формирователя.

На вход 1 поступают сигналы с ЦАП, на вход 2 подаются прямоугольные импульсы, с оптопары, которые были синтезированы микроконтроллером. После перемножения двух сигналов образуется сигнал на выходе в виде нарастающих пачек импульсов с напряжением от 20 до 60 В. Этот сигнал предается на электроды, которые установлены на теле спортсмена. Электрическая схема блока была промоделирована в программе схемотехнического проектирования OrCad с помощью языка описания электрических устройств PSpice. Результат моделирования представлен на рис. 5в виде временной зависимости амплитуды сигнала (пачек импульсов с нарастающей амплитудой).

Рис. 5.

Выходной сигнал модели усилителя-формирователя в программе схемотехнического проектирования OrCad.

Внешний вид макета ЭМС представлен на рис. 6 в виде печатного узла с подсоединенным программатором для перепрограммирования микроконтроллера.

Рис. 6.

Печатный узел макета ЭМС.

С целью подтверждения эффективности данной методики был проведен эксперимент на базе кафедры физического воспитания Научно-исследовательского университета высшей школы экономики (НИУ ВШЭ). В эксперименте приняли участие 12 атлетов, длительность эксперимента составила три месяца. Электромиостимуляционное воздействие оказывалось на мышцы-разгибатели бедра. В качестве тестирующего упражнения, было выбрано приседание со штангой на плечах. В начале и конце эксперимента было проведено соответственно фоновое и конечное тестирование силовых показателей. В результате было выявлено увеличение силовых показателей в данном упражнении на 5–7% в зависимости от собственного веса атлета.

ВЫВОДЫ

1. Разработана электрическая принципиальная схема ЭМС, отдельные части которой промоделированы и получены положительные результаты.

2. Разработан печатный узел макета ЭМС, а также реализована управляющая программа на языке Си для микроконтроллера.

3. Проведены пробные эксперименты и получены результаты, демонстрирующие развитие мышечного потенциала спортсменов.

4. Показана эффективность методики электромиостимуляционного воздействия с нестандартной формой сигала на нервно-мышечный аппарат атлетов.