基于穴位的踝足鞋的制作方法

1.本实用新型涉及鞋，特别涉及一种基于穴位的踝足鞋。

背景技术：

2.当下市场上缺乏针对踝足部刺激的产品，而医院进行康复理疗或踝足按摩的价格较高。对于踝足部病变或功能损伤的患者而言，外出进行并不方便。目前市面上常用的表面式电极按摩，其刺激准确度和选择性较差，容易激活目标神经周围的神经，产生不必要的刺激。
3.功能性电刺激(functional electrical stimulation,fes)可通过一定强度的低频电流对患者瘫痪部位的肌肉进行电信号刺激，从而引起肌肉反射或模拟正常运动的电信号激发肌肉运动以回复正常功能。
4.临床实践证明，适当的电刺激可导致失神经肌肉收缩，从而有助于限制水肿和静脉淤滞，延缓肌纤维退化和纤维化。研究表明，适当使用ems可缩短失神经恢复时间。1982年，美国fda正式宣布nmes用于下列情况是安全、有效的：
①
废用性肌肉萎缩；
②
增加和维持关节活动度(rom)；
③
肌肉再学习和易化作用：
④
减轻肌肉痉挛；
⑤
促进失神经支配肌肉的恢复；
⑥
强壮健康肌肉；
⑦
替代矫形器或肢体和器官已丧失的功能。

技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有踝足部刺激的产品所存在的不足而提供一种基于表面阵列电极的多通道fes刺激器的基于穴位的踝足鞋，该踝足鞋能够同时利用有限元方法对电刺激条件下人体电场分布进行仿真，以优化表面电刺激的准确度与选择性。
6.为了实现上述发明目的，本实用新型的基于穴位的踝足鞋，包含基于穴位的踝足鞋底模块，所述基于穴位的踝足鞋底模块包含鞋底和设置在所述鞋底内的系统硬件部分，所述系统硬件部分包括多通道便携式 fes系统，所述多通道便携式fes系统拟采用以主控制芯片，具有多路电荷平衡可独立控制的刺激通道，每个刺激通道的参数独立可调，且能输出五种不同的双相刺激波形。
7.在本实用新型的一个优选实施例中，所述多通道便携式fes系统包括微处理器、薄膜按钮、电源模块、蓝牙模块、d/a转换器、功率放大电路、dc/dc 电路和阵列电极；通过控制薄膜按钮或蓝牙模块遥控设置刺激参数后，微处理器将刺激波形信息输入至d/a转换器，d/a转换器输出的刺激信号由功率放大电路输出至与人体皮肤相接触的阵列电极；所述电源模块一方面给微处理器和d/a转换器供电，另一方面通过dc/dc电路给所述功率放大电路供电。
8.在本实用新型的一个优选实施例中，所述微处理器包括脉冲发生电路和电刺激输出电路；所述脉冲发生电路输出脉冲，所述电刺激输出电路用以控制输出脉冲的脉宽、频率和持续时间。
9.在本实用新型的一个优选实施例中，所述主控制芯片为atmega328p-pu。
10.由于采用了如上的技术方案，本实用新型能够同时利用有限元方法对电刺激条件下人体电场分布进行仿真，以优化表面电刺激的准确度与选择性。
附图说明
11.图1为本实用新型多通道便携式fes系统的原理框图。
12.图2为本实用新型多通道便携式fes系统的电原理示意图。
13.图3为本实用新型多通道便携式fes系统的type-c口的电原理示意图。
14.图4为本实用新型多通道便携式fes系统的充电模块的电原理示意图。
15.图5为本实用新型多通道便携式fes系统的锂电池(带保护)的电原理示意图。
16.图6为本实用新型多通道便携式fes系统的dc/dc电路的电原理示意图。
17.图7为本实用新型多通道便携式fes系统的3.3v电源模块的电原理示意图。
18.图8为本实用新型多通道便携式fes系统的充电电量检测的电原理示意图。
19.图9为本实用新型多通道便携式fes系统的mcu电原理示意图。
20.图10为本实用新型多通道便携式fes系统的三轴传感器的电原理示意图。
21.图11为本实用新型多通道便携式fes系统的串口下载电原理示意图。
22.图12为本实用新型多通道便携式fes系统的wifi模块电原理示意图。
23.图13为本实用新型多通道便携式fes系统的薄膜开关的电原理示意图。
24.图14为本实用新型多通道便携式fes系统的电源选择的电原理示意图。
25.图15为本实用新型多通道便携式fes系统的稳压保护的电原理示意图。
26.图16为本实用新型多通道便携式fes系统的蓝牙模块的电原理示意图。
具体实施方式
27.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
29.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通讯连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介的间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
30.下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
31.本实用新型的基于穴位的踝足鞋，包含基于穴位的踝足鞋底模块，该基于穴位的踝足鞋底模块包含鞋底(图中未示出)和设置在鞋底内的系统硬件部分，其系统硬件部分包括多通道便携式fes系统，该多通道便携式fes系统拟采用以atmega328p-pu作为主控制芯片(当然也可以采用其余的主控制芯片)，具有四路电荷平衡可独立控制的刺激通道(当然也可以具有六路、八路等多路电荷平衡可独立控制的刺激通道，更加复杂的系统)，每个刺激通道的参数独立可调，且能输出五种不同的双相刺激波形。
32.参见图1，多通道便携式fes系统具体包括微处理器10、薄膜按钮20、电源模块30、蓝牙模块40、d/a转换器50、功率放大电路60、dc/dc电路 70和阵列电极80；通过控制薄膜按钮20或蓝牙模块40遥控设置刺激参数后，微处理器10将刺激波形信息输入至d/a转换器50，d/a转换器50输出的刺激信号由功率放大电路60输出至与人体皮肤相接触的阵列电极80；电源模块 30一方面给微处理器10和d/a转换器50供电，另一方面通过dc/dc电路 70给功率放大电路60供电。
33.参见图2，微处理器10包括脉冲发生电路和电刺激输出电路，可用于神经肌肉电刺激，也可作为一个经皮fes的输出通道使用。
34.脉冲发生电路包括升压变压器t1、场效应管q2、电阻r17、r18、r20、 r22、r24、电位器r21、电容c8、c9、c12、稳压管d1、d2、二极管d3、三极管q3、发光二极管led2、薄膜开关sw2。
35.场效应管q2的漏极与升压变压器t1的初级8脚连接，升压变压器t1的初级7脚与电阻r19的一端和电容c8的一端连接，电阻r19的另一端接vcc (9v),电容c8的另一端接地，升压变压器t1的初级6脚为空脚。
36.场效应管q2的源极和电阻r17的一端接地，电阻r17的另一端与电阻r16 的一端接场效应管q2的栅极，电阻r16的另一端连定时器u6的3脚，将其输出的电刺激信号输入至场效应管q2。
37.升压变压器t1(h1102nlt)的次级9脚与电容c9的一端、稳压管d1的正极、电位器r21的一端和电阻r22的一端连接，电容c9的另一端、稳压管 d1的负极、电位器r21的另一端与电阻r20的一端连接，电阻r20的另一端、发光二极管led2的正极、二极管d3的负极、电容c12的一端连接。
38.电位器r21的调节端与三级管q3的基极连接，三级管q3的发射极与电阻r22的一端连接，三级管q3的集电极与稳压管d2的正极连接，稳压管d2 的负极与发光二极管led2的负极连接。
39.电容c12的另一端和电阻r22的一端连接后接阳电极,二极管d3的正极与电阻r22的另一端连接后接阴电极。
40.薄膜开关sw2一端接地，一端接9v电源。
41.当需要发出刺激脉冲时，场效应管q2通过升压变压器t1给电容c8放电，这将在升压变压器t1的次级产生一个高电压脉冲。高电压脉冲(-150v峰值) 将电容c9充电到稳压管d1反向击穿电压值。电位器r21用于设置输出电极的电流。当薄膜开关sw2闭合时，由于二极管d3的钳位作用，所以输出脉冲是单相波。当开关sw2断开时，刺激脉冲结束后，耦合电容c9上的积累电荷将通过两个电极释放，从而使通过电极转移到组织中的净电荷为零。
42.电刺激输出电路的主要作用是用以控制输出脉冲的脉宽、频率和持续时间，产生脉宽为10～300μs、频率为10～100hz的输出脉冲，具体参见图2，其包括光耦器件u2(el357n(c)(ta)-g)、定时器u3、u5、u6、数控开关u3。
43.光耦器件u2(el357n(c)(ta)-g)的输入端1脚接受mcu传来的控制信号， 2脚接地，4脚经电阻r1接9v电源，3脚直接接地。通过内部发光二极管控制4脚输出电信号，实现电气隔离，以提高安全性。
44.数控开关u4(sw373c)的6脚接9v电源，5、4脚接mcu的d5、d4口，用于接受mcu控制信号以选通数控开关达到控制刺激器工作模式的目的，2、 7、8、12、13脚接地，rf1接受q1集电极的电信号(用于接受外部的控制信号)，rf2输出u5的控制信号，rfc指示刺激器的工作状态。
45.三极管q1的基极经电阻r2接光耦器件u2的输出极，同时经电阻r3接地；集电极经电阻r4的另一端接9v电源，同时和数控开关u4的rf1连接，作为电刺激电路外部信号触发模式的信号源；发射极直接接地。
46.定时器u3及其外围电路构成多谐振荡器，定时器u3的3脚与数控开关的rf3相接用于输出电刺激信号，2脚与电阻r7的一端与定时器u6的6脚经电容c2的接地；电阻r7另一端与7脚相接经r6与电位器r5连接。
47.rf2输出信号经定时器u5构成的多谐振荡器，可输出振荡频率为10～100 hz。定时器u6及其外围电路构成单稳态触发器，u5输出脉冲的下降沿触发 u6。单稳态触发器定时器件r14、r15、c7的参数将u6输出脉冲宽度设定在 10～300μs。电位器r14用于设置脉冲持续时间。
48.根据数控开关sw3的设置，定时器u5输出连续脉冲或者是间断脉冲。在间断设置中，脉冲串的持续时间和频率是由定时器u3的定时电阻r6设置。当数控开关sw3设置为外部触发模式时，刺激脉冲串的持续时间和发送频率由外部控制器(例如，fns系统的微控制器)通过光耦器件u1设定。当j1(阳电极)的脉冲输入为高电平时，光耦器件u1的脚4变为低电平，三级管q1 的集电极变为高电平，定时器u5的脚4为高电平，定时器u5输出方波脉冲。反之，当j1(阳电极)的脉冲输入为低电平时，定时器u5将停止输出方波脉冲。
49.参见图3，type-c口兼顾电池充电与数据传输。选用kh-type-c-16p-t 型type-c卧贴母座，a1、a12、b1、b12、ep接地，vbus脚接电池正极，d+、 d-端口接烧录器，用于外部数据传输、程序烧录等；cc1、cc2经电阻r89、 r90接地，设定设备处于子设备模式。
50.参见图4，其充电模块包括以芯片u7(tp4056x)为核心，带led指示灯的充电电路，支持1a大电流充电；具体是：芯片u7(tp4056x)的2脚与电阻r23 的一端连接，r23另一端、芯片u7(tp4056x)的3脚、芯片u7(tp4056x)的5 脚接地，指示灯led6的正极、指示灯led7的正极接v+,指示灯led6(请补充)的负极、指示灯led7的负极分别与电阻r24一端连接，电阻r25的另一端与芯片u7(tp4056x)的6、7脚连接，芯片u7(tp4056x)的8脚接v+，芯片 u7(tp4056x)的9脚接地，bat接电池正极并经电容c13接地。
51.参见图5，本实用新型的电源模块以2600mah 3.7v锂电池b1(804262) 作为核心电源，以芯片u8(xb5352g)为核心构成电池保护板；具体是：锂电池 b1(804262)的正极与电阻r70的一端连接，锂电池b1(804262)的负极与电容c14的一端连接，电阻r70的另一端和电容c14的另一端与芯片u8(xb5352g)的3脚连接，芯片u8(xb5352g)的2脚接b1(804262)负极，芯
片u8(xb5352g)的4脚和5脚接地，用于反向连接保护、过温保护、过载保护。
52.参见图6，dc/dc电路70以dc/dc电源芯片u9(fp6276bxr-g1)构成升压输出电路用于刺激器供电，具体是:dc/dc电源芯片u9(fp6276bxr-g1)的1 脚经电感l2接锂电池b1(804262)正极，dc/dc电源芯片u9(fp6276bxr-g1) 的3脚接锂电池b1(804262)正极，dc/dc电源芯片u9(fp6276bxr-g1)的2 脚与电阻r71的一端连接，电阻r71的另一端与电容15的一端连接，电容15 的另一端、dc/dc电源芯片u9(fp6276bxr-g1)的5脚和9脚、电阻r72的一端、电阻r74的一端、电容c16的一端、电容c17的一端接地，dc/dc电源芯片u9(fp6276bxr-g1)的4脚作为mcu的控制信号输入端，用于选通dc/dc电源芯片u9(fp6276bxr-g1)；dc/dc电源芯片u9(fp6276bxr-g1)的8脚、电阻 r73的一端、电容c16的另一端、电容c17的另一端接vcc(9v),dc/dc电源芯片u9(fp6276bxr-g1)的7脚与电阻r72的另一端连接，电源芯片 u9(fp6276bxr-g1)的6脚与电阻r73的另一端和电阻r74的另一端连接。
53.参见图7,3.3v电源模块以芯片u10(rt9193-33gb)构成3.3v降压稳压输出用于芯片供电；额外具有充电电量检测、电源选择、稳压保护等功能。具体是：芯片u10(rt9193-33gb)的1脚与电容18的一端连接，芯片 u10(rt9193-33gb)的3脚与电阻75的一端和mcu控制信号输入端连接，电容 18的另一端、电阻75的另一端和芯片u10(rt9193-33gb)的2脚接地，芯片 u10(rt9193-33gb)的3脚输出3.3v并与电容c23的一端连接，芯片 u10(rt9193-33gb)的4脚与电容c50的一端连接，电容c23的另一端和电容 c50的另一端接地。
54.参见图8，充电电量检测依靠充电电量检测模块来实现,具体是：mcu输入端a1与电阻77的一端和电阻76的一端连接，电阻76的另一端与bai+连接，电阻77的另一端接地；mcu输入端a2与电阻78的一端和电阻79的一端连接，电阻79的另一端与vin连接，电阻78的另一端接地。
55.参见图9，单片机u13主要采用atmega328p-pu在arduino集成开发环境中进行调试，主频为16mhz。具体是：单片机u13的1脚与电阻r80的一端和 rest连接，电阻r80的另一端接锂电池b1的正极；单片机u13的2脚接rx，单片机u13的3脚接tx，用于实现串口数据的读写,单片机u13的9脚和10 脚分别与晶振x1的1脚和3脚连接，晶振x1的2脚接地，单片机u13的7 脚和20脚、电容c51的一端接vcc，单片机u13的21脚接地，单片机u13 的8脚、22脚和电容c51的另一端接地。单片机u13的24脚接a1,单片机 u13的25脚接a2,，用于充电电量检测；单片机u13的27脚接a4,单片机 u13的28脚接a5,用于接收三轴传感器的运动数据；单片机u13的4脚接d2, 用于接受触摸开关输出信号使mcu从低功耗模式激活；单片机u13的5脚接 d3,，用于控制dc/dc模块；单片机u13的6脚接d4,用于mcu输出电刺激信号模式；单片机u13的11脚接d5,用于控制wifi模块；单片机u13的12 脚接d6、13脚接d7，单片机u13的16脚接d10，单片机u13的17脚接d11，单片机u13的19脚接d13，用于选择蓝牙模块工作模式、蓝牙数据传输等；单片机u13的18脚接d12，用于控制3.3v电源模块；单片机u13的23脚、 26脚、14脚、15脚悬空。
56.该单片机u13可通过蓝牙模块或wifi模块无线连接智能设备进行信息交互，从而控制电刺激电路输出或接受来自三轴传感器的运动数据反馈；也可通过type-c进行有线连接完成对设备操作系统的升级、维护。人机交互方面用触摸开关取代传统的按键开关用以控制设备开关机，主要以手机遥控的方式对设备进行操控，包括但不仅限于电刺激参数调整、数据分析。
57.参见图10，三轴传感器u14的1脚接3.3v，三轴传感器u14的4脚接a5 和电阻r81的一端，三轴传感器u14的5脚接地，三轴传感器u14的6脚接 a4和电阻r82的一端，三轴传感器u14的8脚接电阻r83的一端,电阻r91 的一端、电阻r82的一端、电阻r83的一端均接3.3v，三轴传感器u14的14 脚接3.3v和电容c52的一端，电容c52的另一端接地，三轴传感器u14的10 脚和12脚接地，三轴传感器u14的2脚、3脚、6脚、11脚、13脚、15脚、 16脚悬空。
58.参见图11，串口下载采用基于usb2.0的芯片u15(ch340c)的1脚、电容c54的一端、电容c54的一端接地，电容c54的另一端、电阻r84的一端、二极管d4的正极、电容c56的一端和线性稳压器的2脚与芯片u15(ch340c)的 16脚连接，二极管d4的负极接锂电池的正极，电容c56的另一端和1线性稳压器的1脚接地，线性稳压器的3脚接vin,芯片u15(ch340c)的2脚接rx，芯片u15(ch340c)的3脚接tx，芯片u15(ch340c)的4脚与电容53的另一端连接，芯片u15(ch340c)的5脚接d+,芯片u13(ch340c)的6脚接d-,芯片 u15(ch340c)的13脚与电阻r84的另一端和电容c55的一端连接，电容c55 的另一端接rest，芯片u15(ch340c)的7脚、8脚、9脚、10脚、11脚、12 脚、14脚、15脚悬空。
59.参见图12，wifi模块由芯片u16构成，芯片u16的1脚、电容c57的一端接地，电容c57的另一端和芯片u16的8脚接3.3v，芯片u16的2脚接io2, 芯片u16的3脚接io1,芯片u16的4脚接tx,芯片u16的5脚接rx,芯片 u16的6脚接d5，芯片u16的7脚为空脚。
60.参见图13，触摸开关由芯片u21组成，芯片u21的1脚接d2,芯片u21 的2脚接地，芯片u21的3脚接经开窗的暴露金属触电z1和电容c58的一端，芯片u21的4脚、电容c55的另一端、电容c59的一端接地，芯片u21的5 脚和电容c59的另一端接3.3v，芯片u21的6脚接地。
61.参见图14,电源选择电路由电阻r87、电阻r88和电容c61组成，电阻r87、电阻r88和电容c61的一端并联后接vcc，电阻r88的另一端接3.3v，电阻 r87另一端接锂电池的正极，电容c61的另一端接地。
62.参见图15，稳压保护电路由静电放电保护器d12(mmbz5v6alt1g)构成，静电放电保护器d12的1脚接vcc,静电放电保护器d12的2脚接vin，静电放电保护器d12的3脚接地。
63.参见图16，蓝牙模块由蓝牙芯片u26构成，蓝牙芯片u26的14脚与电阻 r86的一端、稳压二极管d10的负极、电阻r85的一端连接，电阻r86的另一端接3.3v，稳压二极管d11的正极和电阻r85的另一端以及蓝牙芯片u26的 15脚接地。蓝牙芯片u26的7脚接地，蓝牙芯片u26的5脚接d7,蓝牙芯片 u26的3脚接d11,蓝牙芯片u26的2脚接d6,蓝牙芯片u26的1脚接rets，蓝牙芯片u26的16脚接d10，蓝牙芯片u26的18脚接d13，蓝牙芯片u26的19脚接rx，蓝牙芯片u26的20脚接tx；蓝牙芯片u26的8脚、蓝牙芯片u26 的9脚、蓝牙芯片u26的10脚、蓝牙芯片u26的11脚、蓝牙芯片u26的12 脚、蓝牙芯片u26的17脚、蓝牙芯片u26的21脚、蓝牙芯片u26的22脚、蓝牙芯片u26的6脚、蓝牙芯片u26的4脚悬空。

技术特征：

1.基于穴位的踝足鞋，包含基于穴位的踝足鞋底模块，所述基于穴位的踝足鞋底模块包含鞋底和设置在所述鞋底内的系统硬件部分，其特征在于，所述系统硬件部分包括多通道便携式fes系统，所述多通道便携式fes系统拟采用以主控制芯片，具有多路电荷平衡可独立控制的刺激通道，每个刺激通道的参数独立可调，且能输出五种不同的双相刺激波形。2.如权利要求1所述的基于穴位的踝足鞋，其特征在于，所述多通道便携式fes系统包括微处理器、薄膜按钮、电源模块、蓝牙模块、d/a转换器、功率放大电路、dc/dc电路和阵列电极；通过控制薄膜按钮或蓝牙模块遥控设置刺激参数后，微处理器将刺激波形信息输入至d/a转换器，d/a转换器输出的刺激信号由功率放大电路输出至与人体皮肤相接触的阵列电极；所述电源模块一方面给微处理器和d/a转换器供电，另一方面通过dc/dc电路给所述功率放大电路供电。3.如权利要求2所述的基于穴位的踝足鞋，其特征在于，所述微处理器包括脉冲发生电路和电刺激输出电路；所述脉冲发生电路输出脉冲，所述电刺激输出电路用以控制输出脉冲的脉宽、频率和持续时间。4.如权利要求1所述的基于穴位的踝足鞋，其特征在于，所述主控制芯片为atmega328p-pu。

技术总结

本实用新型公开的基于穴位的踝足鞋，包含基于穴位的踝足鞋底模块，所述基于穴位的踝足鞋底模块包含鞋底和设置在所述鞋底内的系统硬件部分，其特征在于，所述系统硬件部分包括多通道便携式FES系统，所述多通道便携式FES系统以ATMEGA328P-PU作为主控制芯片，具有四路电荷平衡可独立控制的刺激通道，每个刺激通道的参数独立可调，且能输出五种不同的双相刺激波形。本实用新型能够同时利用有限元方法对电刺激条件下人体电场分布进行仿真，以优化表面电刺激的准确度与选择性。以优化表面电刺激的准确度与选择性。以优化表面电刺激的准确度与选择性。

技术研发人员：

秦亮 孟青云

受保护的技术使用者：

苏州嘉科生物医疗科技有限公司

技术研发日：

2022.05.20

技术公布日：

2023/2/23