摘要：第一作者：Myunghwan Song，Junyoung Moon，Hyungseok Yong通讯作者：Sangmin Lee，Giuk Lee，Jinkee Hong通讯单位：韩国中央大学，延世大学DOI: 10.1038/s41528-024-00364
第一作者：Myunghwan Song，Junyoung Moon，Hyungseok Yong
通讯作者：Sangmin Lee，Giuk Lee，Jinkee Hong
通讯单位：韩国中央大学，延世大学
DOI: 10.1038/s41528-024-00364-6
背景介绍
电刺激已在世界范围内被用作一种有前景的非药物治疗方法，用于组织的长期治疗和功能恢复。电刺激已被临床批准用于治疗各种神经系统疾病，包括帕金森病、癫痫和抑郁症，并对组织再生，如骨修复和伤口愈合，以及在功能性电刺激中诱导肌纤维活化显示出显著效果。近年来，已经开发了利用能够电刺激胃肠道的生物电子设备的技术，以帮助体重管理或取代心脏中的起搏器功能。尽管微型电池最近取得了进展，但仍然存在持续的挑战，包括毒性和更换问题，需要改进能源供应方法，以提供更方便有效的电刺激。最近，有人提出了能量收集技术，将人体的废能转化为电刺激的能量。然而，发电机安装的空间限制以及刺激部位和电源之间的接线需求仍然具有挑战性。
为了解决这些问题，已经提出了使用人体作为无线能量传输媒介的新方法。超声波可以振动植入生物组织内的发电机，产生电能。身体耦合效应允许电磁波通过人体传输，为小型电子设备供电。然而，超声波会产生机械振动，高频电磁波会在生物组织中引起介电损耗，并将能量转化为热量。这导致能量随距离损失，并限制了能量源和刺激部位的定位。1 kHz以下的极低频（ELF）电磁波可以传输，与身体内的距离无关，而不会在由细胞质、细胞外液和离子组成的生物组织中造成介电损失，从而允许能量传递不受距离的影响。然而，它们需要发电机、电池、额外的电路、设备和PCB基板来进行电刺激。
本文亮点
1. 本工作介绍了一种基于全纺织品的身体耦合电刺激（BCES）系统，该系统设计用于使用电子设备的能量损失和身体活动的静电进行无线电刺激。
2. 通过编织导电线开发了BCES袜子，以确保稳定性和舒适性。BCES袜子每毫米产生数十到数百毫伏的电场，足以激活肌肉纤维。实验和计算分析证实了电场的有效集中。
3. 人体试验表明，运动表现有了显著改善，小腿抬高频率增加了21.47%，重复次数增加了11.97%，肌肉疲劳减少了6.25%。
图文解析
图1. 可穿戴生物电子学中的身体耦合电刺激（BCES）概念。a 当人体与不同电位的物体（大地）接触时，低于1kHz的极低频（ELF）电场会向人体传播。电刺激是通过在这种身体耦合能量传递过程中诱导电位畸变来实现的。bΨ1和Ψ2分别表示肌肉和皮肤的电位。极低频电场根据传输方向产生电位分布，但生物组织的高介电常数导致电位降低最小，肌肉和皮肤之间几乎没有电位差。c当附着在身体上的被动电极连接到具有不同电位的对电极时，电子运动会导致电位畸变（ΨD）。这种潜在的扭曲在肌肉和外皮之间产生电势差，从而产生局部电场。d全纺织针织聚酯和导电线。e无源电极图案位于与身体的接触区域，对电极位于不与身体接触的区域。f穿着BCES袜子的照片。g BCES短袜的无源电极电阻随应变的变化。h洗涤过的BCES袜子干燥后，阻力会发生变化。
图2. BCES系统中的电场集中过程。a用作能源的能量损失：电子设备发出的电磁波和身体活动产生的静电（摩擦带电）。b电子设备（笔记本电脑）和体育活动的能量损失频率分别为60 Hz和6 Hz以下。虽然输入的潜在损失幅度可能因设备或身体活动类型而异，但频率仍低于ELF，便于通过人体传播。c BCES可以独立或同时利用电子设备和身体活动的能量作为输入源。d在BCES中测量的电场：身体活动产生超过10 mV/mm的不规则电场，而电子设备产生超过100 mV/mm的稳定电场。e BCES的3D模拟。当向右臂施加100 V、60 Hz的输入源时，沿着无源电极图案实现电场集中。
图3. BCES的设计变量和情景条件分析。a BCES实验装置示意图。b BCES及其主要部件的示意图。BCES的电场和感应电压与（c）无源电极（PE）和对电极（CE）之间的距离和高度d、CE的长度e、PE的厚度f有关。BCES的磁场与（g）输入位置和h用户姿势有关。
图4. 全纺织BCES袜子的电刺激性能。a BCES输入条件示意图。b BCES袜子的输入条件和电场的潜在损失。c BCES袜子相对于地面和鞋型的电场。d用于确定BCES袜子减轻肌肉疲劳效果的人体测试实验装置示意图。数据分析图（NS：非刺激）：e被分析参与者的中值频率（肌肉疲劳）平均斜率的降低率，f小腿抬高最大重复次数的增加率，g小腿抬高平均频率的增加率。
来源：华算科技