I n te r n ati o n al   Jo u r n al   o El e c tr i c a l   an d   C o m p u te r   En gi n e e r i n g   (I JEC E )   V o l .   10 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2020 ,   pp .   690~ 7 03   IS S N :   2088 - 8708 D O I :   10. 1 1591 / i j e c e . v 10 i 1 . pp690 - 7 03             690       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i j e c e . i ae s c or e . c om / i nd e x . php / IJ E CE   A n a l y t i c a l   st u d y   o f   f l e x i b l e   st i m u l a t i o n   w a v e f o r m s   i n   m u scl e   f a t i g u e   r e d u c t i o n       E.   N o o r s al ,   S .   Z.   Y ah ay a,   Z.   H u s s ai n ,   R .   B o u l d v i l l e ,   M .   N .   I b r ah i m ,   Y .   M o h d   A l i     F a c ul t y   o f   E l e c t r i c a l   E ng i ne e r i ng ,   U ni v e r s i t i   T e kno l o g i   M A R A   P ul a P i n a ng ,   M a l a y s i a       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A CT   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e d   A pr   5 ,   201 9   R e v i s e S e p   1 0 ,   20 19   A c c e pt e S e p   27 ,   20 19       T hi s   pa p e r   p r e s e n t s   t he   a na l y t i c a l   s t udy   of   f l e xi bl e   s t i m u l a t i o w a v e f o r m s   i m us c l e   f a t i g ue   r e d uc t i o f o r   f unc t i o na l   e l e c t r i c a l   s t i m u l a t o r   ( F E S ) - a s s i s t e he m i p l e g i c   m us c l e   a c t i v i t i e s .   T he   m a j o r   c ha l l e ng e   o f   m us c l e   c o nt r a c t i o n   i nduc e by   F E S   i s   e a r l y   m us c l e   f a t i g ue   w h i c g r e a t l y   l i m i t s   a c t i v i t i e s   s uc a s   F E S - a s s i s t e d   s t a n di ng   a nd  w a l k i ng .   T he   f i xe d   s t i m ul a t i o pa t t e r n   a ppl i e d   o a   s a m e   m o t o r   uni t   ha s   r e s u l t e t he   m o t o r   uni t   t o   be   o v e r w o r ke a nd  f a t i g ue   e a s i l y .   T he r e f o r e ,   i t h i s   w o r k,   t he   s t i m u l u s   pa r a m e t e r s ,   w h i c i nc l ude     t he   pu l s e   w i dt d ur a t i o a nd   t he   f r e qu e nc y   w e r e   v a r i e t o   c r e a t e   a   f e w   f l e xi bl e   s t i m u l a t i o w a v e f o r m s   us i ng   M A T L A B / S i m ul i nk.   T he   p ul s e   w i dt dur a t i o w a s   m o dul a t e f r o m   100µs     50 0µs   t o   g e ne r a t e   f i v e   t y pe s   of   f l e xi bl e   s t i m ul a t i o w a v e f o r m s   s uc a s   R e c t a ng u l a r ,   T r a pe z o i da l ,   R a m U p ,   R a m D o w a nd  T r i a ng ul a r .   C o nc ur r e n t l y ,   a   f e w   r a ng e s   o f   s t i m ul u s   f r e que nc y   w e r e   a l s o   us e d,   w hi c i nc l u de   2 0H z ,   3 0H z   a nd  50H z .   T he   g e ne r a t e d   f l e xi b l e   s t i m u l a t i o w a v e f o r m s   w e r e   a p pl i e d   o nt o   a   hum a no i d   m us c l e   m o de l   t o   i nv e s t i g a t e   a n a na l y s e   t he   m us c l e   o ut pu t   r e s po ns e   a nd   e a r l y   m us c l e   f a t i g ue   r e duc t i o n.   F r o m   t he   c o nduc t e s i m u l a t i o r e s u l t s   a nd   a na l y s e s ,   i t   w a s   o bs e r v e t h a t   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o w a v e f o r m s   s uc a s   T r i a ng ul a r ,   R a m U a nd  R a m D o w c o ul r e d uc e   e a r l y   m us c l e   f a t i g ue   phe no m e no by   ha v i ng   l o w e r   a v e r a g e   o f   ne g a t i v e   s l o pe ,   i t he   r a ng e   o f   0. 01 t o   0. 013  f o r   t he   m us c l e   f i t ne s s .   I c o nt r a s t ,   t he   R e c t a n g ul a r   a n T r a p e z o i da l   s ha pe s   w e r e   f o und  t o   h a v e   hi g he r   n e g a t i v e   s l o pe   o f   m us c l e   f i t ne s s   i t h e   r a ng e   o f   0. 028  t o   0. 031 .   T he   R a m D o w s ha pe   w a s   f o und  t ha v e   t he   l o w e s t   a v e r a g e   o f   ne g a t i v e   s l o pe   ( 0. 012 )   w h i l e   R e c t a n g ul a r   w a s   f o und  t o   ha v e   t he   hi g he s t   a v e r a g e   o f   ne g a t i v e   s l o pe   ( 0 . 03 1) .   T he r e f o r e ,   i t   c a be   c o n c l ude t h a t   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o w a v e f o r m s   s uc R a m D ow n,   R a m U a nd  T r i a ng ul a r   s ha pe s   c o ul r e duc e   e a r l y   m us c l e   f a t i g ue   p h e no m e no n   w i t h   R a m p   D o w s ha p e   ha v i ng   t he   h i g he s t   m us c l e   f a t i g ue   r e duc t i o n.     Ke y w or d s :   F l e xi b l e   s t i m u l a t i o n   w a v e f o r m   F un c t i o n a l   e l e c t r i c a l   s t i m ul a t o (F E S )   H e m i pl e gi c     H um a n o i d   m us c l e   m o de l   M us c l e   f a t i gue   N e ur o m us c ul a r   C opy r i gh t   ©   2020   I n s t i t ut e   o f   A dv anc e E ng i ne e r i ng   and   S c i e nc e   A l l   r i gh t s   r e s e r v e d .   Cor r e s pon di n g   Au t h or :   E m i l i a   N o o r s a l ,   F a c ul t y   of   E l e c t r i c a l   E n g i n e e ri n g,     U n i v e r s i t i   T e kn o l o gi   M A R A   P ul a u   P i na n g,     P e r m a t a n P a u h,   1 3500 ,   M a l a y s i a .   E m a i l :   e m i l i a . n o o r s a l @ u i t m . e du . m y       1.   I N TR O D U C TI O N   T o   da t e ,   s e v e r a l   e xt e rn a l   a nd  i m pl a n t a b l e   f un c t i o na l   e l e c t r i c a l   s t i m u l a t i o n   (F E S de v i c e s   h a v e   be e n   de ve l o pe d   fo r   n e ur o m us c ul a r   a pp l i c a t i o n s   t o   r e s t o r e   f un c t i o n   t o   pa r a l y s e m us c l e s   a n l i m b s ,   b ow e l   a n d   b l a dde r   e xc r e t i o n   a n t h e   r e s pi r a t o r y   s y s t e m   [1 - 5].   T h e   F E S   t r i gge r s   a n   a c t i o n   po t e nt i a l   i n   t h e   n e u r a l   a xo n s   by   t r a n s f e rr i n g   a e l e c t ri c a l   s t i m ul a t i o n   c h a rge   i nt o   n e u ra l   t i s s ue .   T h e   a ppl i e s t i m ul us   c ha r ge   a r t i f i c i a l l y   de po l a ri z e s   t h e   n e r v e   m e m b ra n e   a nd  ge n e ra t e s   a n   a c t i o p o t e n t i a l .   I t   i s   i m po rt a nt   t o   n o t e   t ha t   t h e   c h o i c e     of   s t i m u l a t i o w a v e   s h a pe s   a nd  p a t t e rn s   h a s   a   di r e c t   e ff e c t   o n   t h e   p h y s i o l o gi c a l   r e s po n s e   ge n e r a t e   by   t h e   s t i m ul us   [6,   7].   T h e r e f o r e ,   t o   a c h i e v e   a   de s i r e o ut c o m e   of   s t i m ul a t i o n,   a n   o pt i m um   w a v e fo r m     i s   r e qui r e d .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m E n g     IS S N :   2088 - 8708       A nal y t i c a l   s t udy   o f   f l e x i bl e   s t i m ul a t i on  w av e f or m s   i n   m us c l e   f at i g ue   r e d uc t i on   ( E .   Noor s al )   691   T h e   F E S   i n v o l v e s   a rt i f i c i a l l y   i n duc i n a   c u rr e nt   i n   s pe c i f i c   m o t o r   n e u r o n s   t o   ge n e r a t e   m us c l e   c o n t ra c t i o n s   [8,   9 ] .   T h e   n e u r o n s   r e c e i ve s   a   s e r i e s   o f   s h o rt   e l e c t r i c a l   pul s e s   t ha t   a r e   de l i v e r e us i ng    e l e c t r o de s   [10].   T h e s e   e l e c t r o de s   c a n   b e   t r a n s c ut a n e o us   (pl a c e o n   t h e   s ki n   s u r f a c e ),   pe r c ut a n e o us   (pl a c e d   w i t h i a   m us c l e ),   e pi m y s i a   (pl a c e o n   t h e   s u r f a c e   of   t h e   m us c l e ),   o r   c uf f   (w r a ppe a r o und  t h e   n e r v e   t ha t   i nn e r v a t e   t h e   m us c l e   of   i n t e r e s t [10] .   T h e   t e n s i o n   p r o duc e i n   e l e c t ri c a l l y   s t i m ul a t e m us c l e   de pe n ds   o n     t h e   i n t e n s i t y   a n f r e que n c y   of   s t i m u l a t i o n.   T h e   s t i m u l a t i o n   i nt e n s i t y   i s   a   f un c t i o n   o f   t h e   t o t a l   c ha r ge   t r a n s f e rr e t o   h e   m us c l e ,   w h i c h   de pe n ds   o n   t h e   pul s e   a m p l i t ude ,   du ra t i o n   a nd  f r e que n c y   a s   w e l l   a s   t h e   s h a pe   of   t h e   pul s e   t ra i n.   T h e s e   m us c l e   c o n t ra c t i o n s   c a n   b e   a dj us t e by   s t i m ul a t i n o n e   o r   m o r e   m us c l e s   t h a t   w i l l   c r e a t e   t o r que   a t   t h e   j o i n t   o f   t h e   m us c l e .     U n fo r t u na t e l y ,   o n e   of   t h e   m a j o r   l i m i t a t i o n s   i n   m us c l e   c o n t r a c t i o n s   i n duc e by   F E S   i s   e a r l y   o r   r a p i d   m us c l e   f a t i gue ,   w h i c h   g r e a t l y   l i m i t s   F E S - a s s i s t e a c t i v i t i e s   s uc h   a s   s t a ndi n a n w a l k i n g.   R e duc t i o n   i n   m us c l e   fo r c e   due   t o   t h e   r a p i f a t i ga b i l i t y   of   pa ra l y s e m us c l e   w i t h   e l e c t r i c a l   e xc i t a t i o n   i n   F E S   de v i c e   c a n   l e a t o   i n s t a b i l i t y ,   p oo r   c o n t r o l   a n l i m i t e w a l ki n di s t a n c e s   [11].   T h us ,   a ppl i c a t i o n s   o e l e c t r i c a l   s t i m u l a t i o n   f o r   r e s t o r a t i o o f   f un c t i o na l   m o v e m e n t s   s uc h   a s   s t a ndi n g ,   g a i t ,   a nd  g ra s ha v e   a l w a y s   b e e n   hi n de r e by   t h e   r a p i f a t i gue   o s t i m ul a t e m us c l e   [12,   13] .   O n e   o t h e   m a i n   r e a s o n s   f o r   t hi s   e a rl y   m us c l e   f a t i gue   i s   t h e   i n e ff i c i e n c y   i n   F E S   s t i m u l a t i o n   s y s t e m   [6].   T he   t w o   m a i n   l i m i t a t i o n s   i n   F E S   s y s t e m   a r e   r e v e r s e   o r de r   r e c r ui t m e n t   ( n o n - p h y s i o l o gi c a l   r e c r u i t m e nt a n b i a s   s y n c hr o n o us   r e c r u i t m e nt   o f   m o t o r   n e u r o n s   f o r   m us c l e   c o n t r a c t i o n .   T hi s   i s   d i f f e r e n t   f r o m   t h e   c e n t ra l   n e r v o us   s y s t e m   (CN S ),   w h i c h   t ri gge r s   a c t i o n   po t e n t i a l s   a s y n c hr o n o us l y   a n a l l o w   t h e   m o t o r   u ni t   t o   r e s t .   I n   p h y s i o l o gi c a l   m us c l e   c o n t ra c t i o n ,   t h e   s m a l l e s t   m o t o r   a xo n s   ( hi g f a t i gue - r e s i s t a n t )   a r e   r e c r ui t e f i r s t   a nd  t h e   l a r ge s t   m o t o r   a xo n s   ( l e a s t   f a t i gue - r e s i s t a nt a r e   r e c r u i t e d   l a s t   f o r   s m o o t h   m us c l e   c o n t ra c t i o n.   M o t i v a t e by   t h e   di s c r e pa n c i e s   of   t h e   F E S   s y s t e m ,   m a n y   s t i m ul a t i o n   t e c hn i que s   ha v e   b e e n   de s i g n e a n de v e l o pe t o   h e l a l l e v i a t e   t h e   p r o b l e m   o f   e a r l y   m us c l e   f a t i gue   i n   F E S - i nduc e m us c l e   c o n t ra c t i o n.   A m o n t h e   m a i n   s t i m u l a t i o n   i n t e n s i t y   pa r a m e t e r s   a r e   t h e   vo l t a ge s   a n c u rr e n t   l e v e l ,   pul s e   s ha pe ,   p ul s e     w i dt h   a n d   pul s e   f r e que n c y .   T h e   a m p l i t ude   a n d   c urr e nt   de f i n e s   t h e   s t r e n g t h   o f   s t i m u l a t i o o r   h o w   s t r o n i s     t h e   fo r c e   ge n e r a t e t o   t h e   m us c l e .   T h e   s t i m u l a t i o n   f r e qu e n c y   m a i n l y   c o n t r o l s   t w i t c hi n o f   t h e   m us c l e .     A s   t h e   s t i m ul a t i o n   f r e que n c y   i n c r e a s e s ,   t h e   s t i m u l a t e m us c l e   w i l l   ge t   f a t i gue   f a s t e r s   w h i c h   i na dv e r t e n t l y   l i m i t   t h e   m us c l e   t r a i n i ng  du ra t i o [14] .   T h e r e f o r e ,   i [11]   t h e   s t i m ul a t i o n   f r e que n c y   h a b e e n   r e duc e t de c r e a s e   f a t i gue   o t h e   a c t i v a t e m us c l e   f a t i gue .   G r a u pe   e t .   a l   [13]  h a e m p l oy e r a n do m   m o dul a t i o n   o f   F E S   s t i m u l a t i o n   pa ra m e t e r s   t o   r e duc e   m us c l e   f a t i gue .   By   r a n do m l y   m o dul a t i n t h e   pul s e   f r e que n c y ,   a m pl i t ude   a n w i dt h,   t h e   r e s ul t i n f i ri n ra t e   a n l e v e l   of   r e c r ui t m e nt   o f   m o t o r   u n i t s   w o ul v a r y   ov e r   t i m e .   O t h e r   m e t h o ds   of   f a t i gue   r e duc t i o n   h a v e   pra c t i c a l   l i m i t a t i o n   s uc h   a s   do ub l e   s t i m ul a t i o n   a n s e que nt i a l   s t i m u l a t i o n .   D o ub l e   s t i m ul a t i o n   us e by   Ro ut h   e t   a l . ,   h a de m o n s t ra t e b o t h   a   po s i t i v e   a nd  n e ga t i v e   e ff e c t   o n   t h e   f a t i gue   t i m e   de pe n di ng  o t h e   t e s t   c o n di t i o n s   a n d   p r o t o c o l .   A n   a l t e rna t i v e   t e c hn i que   e m pl oy e by   K a ru   e t   a l .   [12]   t o   c o m b a t   e a rl y   m us c l e   f a t i gue   w a s   by   i m pl e m e n t i n N - l e t   (a   s e t   o f   N   c l o s e l y   s pa c e pul s e s )   s t i m u l a t i o n   m e t h o d.   T h e   a dv a nt a ge   o f   us i n o pt i m i z e N - l e t   s t i m ul a t i o n   t ra i n s   t e c hni que   i s   i t   g r e a t l y   i n c r e a s e s   t h e   a b i l i t y   of   a   s t i m ul a t e m us c l e   t o   s us t a i n   f o r c e   duri n a n   i s o m e t r i c   c o n t r a c t i o n   w h e n   c o m pa r e t o   c o n v e n t i o na l   F E S   w hi c h   us e s i n gl e   pul s e   t r a i n   s t i m ul a t i o n.     D e s pi t e   s e v e r a l   e f fo r t s   o f   us i n di f f e r e n t   s t i m u l a t i o n   s t r a t e g i e s ,   i t   i s   i m po r t a nt   t o   n o t e   t ha t   m o s t   of  t h e   s t i m u l a t i o n   w a v e fo r m s   a r e   r e s t ri c t e t o   r e c t a n gu l a r   pul s e   s h a pe   a n f a t i gue   c o n t i n ue s   t o   b e   a   l i m i t i n g   f a c t o r   i n   t h e   w i de - s pr e a d   a p pl i c a t i o n   o f   F E S   t e c hni que s   i r e ha b i l i t a t i o p ra c t i c e .   T h e r e f o r e ,   t h e r e   i s   s t i l l   m uc h   r o o m   f o r   i m p r o v e m e n t   i n   t h e   F E S   de v i c e   t o   pr o duc e   e ff i c i e n t   s t i m ul a t i o n   t e c hni que   t ha t   c a o pt i m i z e   t h e   m us c l e   t o r que   o ut put   a nd  s ub s e qu e n t l y   r e duc e   t h e   e ffe c t   of   e a r l y   m us c l e   f a t i gue .   R e c e n t l y ,   v a r i o us   e xpe r i m e nt a l   a n c l i ni c a l   s t ud i e s   h a v e   de m o n s t ra t e t ha t   di f fe r e nt   n e u r o na l - c e l l   t a r ge t s   r e qui r e   di f f e r e n t   t hr e s h o l l e v e l s ,   di f fe r e nt   t y pe s   of   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   f o r   e xc i t a t i o n   a nd  di f f e r e n t   s t i m u l a t i o n   s t r a t e gi e s .   A ddi t i o n a l l y ,   t h e   b e n e f i t s   of   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a ve fo r m s   f o r   n e ura l   p r o s t h e s i s   a ppl i c a t i o n s   w e r e   de m o n s t r a t e i n   v a r i o us   pub l i c a t i o n s   [7 ,   15 - 18] .   T h us ,   a   h i g hl y   e ff i c i e n t   a nd  f l e xi b l e   s t i m ul a t o r   t ha t   ha s   g r e a t   f l e xi b i l i t y   i n   s t i m u l a t i o n   w a v e fo r m   ge n e r a t i o n   i s   e s s e n t i a l l y   r e qui r e f o r   r o b us t   a n u n i v e r s a l   a p pl i c a t i o n s .   S o m e   o f   t h e   b e n e f i t s   o f   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   t h a t   a r e   m a i n l y   r e l a t e t o   n e u r o m us c ul a r   a ppl i c a t i o n ,   s t i m u l a t i o n   e ff i c i e n c y   a n s a f e t y   a r e   s um m a ri z e a s   fo l l ow s :   (i A r b i t ra r y   pul s e   s h a pe   s uc h   a s   qua s i t ra pe z o i d a l   [1 8]  a nd  t ri a ngul a r   pu l s e   s ha pe   [19]  w e r e   fo un t o   p r o v i d e   goo s e l e c t i v i t y   t o   s t i m ul a t e   a   s pe c i f i c   po pul a t i o n   o f   n e r v e   f i b r e s   (f i b r e   di a m e t e r   o r   s pa t i a l   s e l e c t i v i t y w i t h o ut   a c t i v a t i n g   t h e   n e i g h b o uri n a n u n w a n t e n e r v e .   (i i H i g h   f r e que n c y   r e c t a n gu l a b i p h a s i c   pul s e   t r a i n   i n   ra n ge   o f   100  t o   600  H z   w e r e   fo un t o   b e   a b l e   b l o c l a r ge   d i a m e t e f i b r e s   i n t o   f i r i n g   a c t i o n   po t e n t i a l s   [15] .   ( i i i N o n - r e c t a n gul a r   s ha pe ,   s uc h   a s   g a us s i a n,   l i n e a r   o r   e xpo n e nt i a l   de c r e a s e ,   w a s   t h e   m o s t   e ff i c i e n t   pu l s e   s h a pe   t h a t   m a xi m i z e d   t h e   c ha r ge   i n j e c t i o n   c a pa c i t y   of   t h e   e l e c t r o de   w i t h   t h e   l o w e s t   t hr e s h o l c ha r ge   f o r   n e u r a l   e xc i t a t i o n   [17 ].   (i v A   l i n e a r   de c r e a s i ng  ra m w a s   fo un t o   pr o v i de   t h e   b e s t   c ha r ge   i n j e c t i o n   fo r   a l l   pu l s e   w i dt h s   r a ngi ng  f r o m   0. 02  t o   0. 5m s   [17] .   (v T h e   e xpo n e nt i a l   w a v e f o r m ,   f o r   a   s t i m ul a t i o n   t i m e   du ra t i o n   b e t w e e n   100µ s   a n 5 m s ,   w a s   fo un d   by   [20]  t b e   t h e   s a fe s t   a n m o s t   e n e r gy - o pt i m a l   w a ve fo r m   w i t h   l o w e r   pow e r   c o n s um pt i o n,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   Int   J   E l e c   &   Co m E n g ,   V o l .   10 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2020  :     69 0   -   70 3   692   l o w   c h a rge   i n j e c t i o n   a nd  m o r e   r e duc e pr o duc t   c o n c e n t ra t i o n   de v i a t i o n s .   (v i G a us s i a n   a nd  s i n us o i da l   s t i m u l us   w a v e   s h a pe s   w e r e   ob s e r ve by   [21]  t de l i v e r   m uc h   s m a l l e r   pe a c u rr e nt   de n s i t i e s   t ha n   a   s qu a r s t i m u l us   s ha pe .   In  s um m a r y ,   b a s e o n   t h e   d i v e r s i t y   of   n e ura l   s t i m ul a t o r e qu i r e m e n t s   t o ge t h e r   w i t h   num e r o us   r e s e a r c h   s t u di e s   a n f i ndi n gs   o n   s t i m ul a t i o n   e ff i c i e n c y ,   h a v i n f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   i s   a dv a n t a ge o us   fo r   di f f e r e n t   de g r e e s   of   t i s s ue   de g e n e ra t i o n,   f o r   e f f i c i e n t   s t i m ul a t i o n   a n d   f o r   m a xi m i z i ng    t h e   a ppl i c a t i o n   r a nge   of   t h e   F E S .   E xpe ri m e n t a l   s t udi e s   c on d uc t e by   s e ve r a l   r e s e a r c h e r s   h a v e   s h o w n   t ha t   s e v e r a l   n o n - r e c t a ngul a r   s ha pe s ,   s uc h   a s   G a us s i a n ,   l i n e a r   de c r e a s e   a n e xpo n e nt i a l   i n c r e a s e ,   r e q ui r e   l e s s   e n e r gy   t o   t r i gge t h e   a c t i o n   po t e n t i a l   a n d   t h us   p r o v i de   e ff i c i e nt   s t i m ul a t i o n .     T h e r e f o r e ,   t h e   o bj e c t i v e   of   t h i s   r e s e a r c h   w o r i s   t o   i n v e s t i ga t e   t h e   r e l a t i o n s h i o f   m us c l e   o ut put   r e s po n s e   w i t h   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   i n   F E S   m o de l l i n s y s t e m   us i n h u m a n o i m us c l e   m o de l .     T h e   s t i m ul us   pa ra m e t e r s ,   w h i c h   i n c l ude   t h e   pul s e   w i dt h   d ura t i o n   a n f r e que n c y   w e r e   v a r i e t o   ge n e r a t e     t h e   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   us i n g   M A T L A B / S i m u l i n k .   F i v e   t y pe s   of   f l e xi b l e   w a v e fo r m s   w e r e   t e s t e o n t o   a   hum a n o i m u s c l e   m o de l   n a m e l y   Re c t a n gu l a r,   T ra p e z o i da l ,   R a m p   up ,   R a m p   do w n   a nd  T r i a n gu l a r.     T h e   m us c l e   o ut put   r e s po n s e   w a s   e v a l ua t e a n a na l y s e ov e r   a   pe r i o of   60s   t o bs e r v e   t h e   e a rl y   m us c l e   f a t i gue   r e duc t i o n   w h e f l e xi b l e   s t i m u l a t i o w a v e fo r m s   w e r e   i n j e c t e o n t o   t h e   m us c l e   m o de l .       2.   R ES EA R C H   M ET H O D     T h e   s t ud i e s   c o n duc t e i t hi s   r e s e a r c h   i n v o l ve   w i t h   t h e   de v e l o pm e n t   o f   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o w a ve fo r m s ,   t e s t i n t h e   ge n e r a t e f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   o n t o   a   h u m a n o i m us c l e   m o de l   a n f i na l l y   a n a l y s e t h e   m us c l e   r e s po n s e   w i t h   r e s pe c t   t o   t h e   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   a s   i l l us t r a t e i n   t h e   F i g u r e   f l ow c h a r t .   F i v e   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e f o r m s   w e r e   de v e l o pe u s i n g   M A T L A B / S i m u l i nk  by   v a r y i n g   t h e   pul s e   w i dt h   f r o m   1 00µ s     500µ s .   T h e   m o dul a t i o n   o f   s t i m ul a t i o n   pu l s e   w i dt r e s ul t e i f i v e   t y pe s   o f l e xi b l e   s t i m ul a t i o w a v e fo r m s   s uc h   a s   R e c t a n g ul a r ,   T ra pe z o i da l ,   R a m p   U p,   R a m D o w n   a n T ri a n g ul a r.   A ddi t i o n a l l y ,   t hr e e   s t i m ul a t i o n   f r e que n c i e s   w e r e   us e n a m e l y   20 H z ,   30H z   a nd  50H z .   T a b l e   l i s t s   de t a i l   s t i m u l us   pa ra m e t e r   s e t t i n gs   s uc h   a s   pul s e   w i dt h,   f r e que n c y   a n s t i m ul a t i o n   du ra t i o n   f o r   t h e   ov e r a l l   t e s t   s e t up.   E a c h   w a v e fo r m   h a s   di f f e r e n t   c h a ra c t e r i s t i c   a n c a n   b e   di s t i n g ui s h e by   t h e   w a v e fo r m s   s ha pe ,   pu l s e   w i dt h   a n f r e que n c i e s .   T o   t e s t   t h e   pe r f o r m a n c e   o t h e   f l e xi b l e   s t i m u l a t i o n   w a ve fo r m ,   a   p h y s i o l o gi c a l l y   b a s e d   m us c l e   m o de l   (m us c l e   a c t i v a t i o n   dy n a m i c w a s   c o n s t ruc t e d.   T hi s   m us c l e   a c t i v a t i o n   dy n a m i c   m o de l   e n a b l e s   t h e   a na l y s i s   of   m us c l e   a c t i v a t i o n,   w h i c h   i n c l ude   t h e   m us c l e   f a t i gue   c ha ra c t e ri s t i c .             F i g u r e   1 .   R e s e a r c fl o w   m e t h o do l o g y         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m E n g     IS S N :   2088 - 8708       A nal y t i c a l   s t udy   o f   f l e x i bl e   s t i m ul a t i on  w av e f or m s   i n   m us c l e   f at i g ue   r e d uc t i on   ( E .   Noor s al )   693   T a b l e   1 .   F l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e f o r m s   w i t h   c o rr e s po n d i n g   s t i m u l us     pa r a m e t e t e s t   s e t up  i M A T L A B / S i m u l i n k     F l e x i b l e   W a v e f o rm   P u l s e   W i d t h   M o d u l a t i o n   S t i m u l a t i o n   D u ra t i o n   F re q u e n c y   2 s   O N   2 s   O N ,   3 s   O F F   fo r   6 0 s   2 0 H z   3 0 H z   5 0 H z   Re c t a n g u l ar   1 0 0   µs   /   /   /   /   /   2 0 0   µs   /   /   /   /   /   3 0 0   µs   /   /   /   /   /   4 0 0   µs   /   /   /   /   /   5 0 0   µs   /   /   /   /   /   T ra p e z o i d a l   100    5 0 0   µs     /   /     /     Ra m p   U p   100    5 0 0   µs   /   /     /     Ra m p   D o w n   100    5 0 0   µs   /   /     /     T ri a n g u l a r   100    5 0 0   µs   /   /     /         2. 1 .   F l e x i b l e   s t i m u l ati o n   w av e fo r m   m od e l   In  m o s t   a ppl i c a t i o n   o f   F E S ,   n o n - i n v a s i v e   t y p e   of   i n t e r v e n t i o n   us i n g   s u r f a c e   e l e c t r o de   i s   us e d.   T h i s   i s   due   t o   i t s   s i m pl e   pr e p a r a t i o n   a n a de qua t e l y   e ff i c i e n t   t o   a c hi e v e   t h e   o bj e c t i v e   of   t h e   F E S   a ppl i c a t i o n.   I n   t hi s   s t udy ,   t h e   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   w e r e   de s i g n e b y   c o n s i de ri n t h e   i s s ue s   r e l a t e w i t h   t h e   s u r f a c e   s t i m u l a t i o n   s uc h   a s   s y n c hr o n o us   a c t i v a t i o n   o f   m us c l e   f i b r e   a n pe n e t r a t i o n   v i a   o t h e r   t i s s ue s   b e fo r e   r e a c h i ng  t h e   t a rge t e m us c l e .   M A T L A B / S i m ul i nk  s o f t w a r e   w a s   us e t o   de s i gn   t h e   t y pe s   o f   w a v e fo r m s   a nd  t o   t e s t   t h e   ge n e ra t e w a ve fo r m s   w i t h   a   m us c l e   m o de l .   F i g u r e   s h o w s   t h e   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a ve fo r m s   m o de l   t h a t   w a s   de ve l o p e us i n M A T L A B / S i m ul i n k .           F i g u r e   2 .   F l e x i b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   m o de l       In  ge n e ra t i n t h e   i n d i v i dua l   w a v e f o r m s ,   a   S i g na l   B ui l de r   f un c t i o n   w a s   us e d.   A s   l i s t e i T a b l e   1,     a l l   w a v e fo r m s   s h a r e   a   c o m m o pa ra m e t e t ha t   i s   2s   O N   a n d   3s   O F F   c o n t i n uo us l y   fo r   a   du ra t i o n   o f   60s .     T h i s   m e a n s ,   i n d i v i dua l   w a v e f o r m s   w i l l   h a v e   pe r f e c t   s h a pe   f o r   e ve r y   2s   a n r e - a ppe a r   e v e r y   5s .   W i t h i n   t h e   2s   O N ,   t h e   s t i m u l a t i o n   pu l s e   w i dt h   w i l l   b e   m o dul a t e t o   fo r m   a   c o m pl e t e   s h a pe   of   w a v e fo r m s .   T h e   du ra t i o n   of  60s   s t i m u l a t i o pe r i o e n s u r e s   c o n t i nuo us   p r o duc t i o n   o f   w a ve fo r m s   f o r   60s .   T h e   w a v e fo r m s   pe a k   v a l ue   i s   de t e r m i n e by   t h e   us e r   a n d   n o rm a l l y   a l l o w e t o   be   a   m a x i m u m   o 500µ s   a c c o r di n g   t o   t h e   s t a n d a r p ra c t i c e   f o r   F E S   [ 22 ] .   E a c S i g n a l   B ui l de r   o ut p ut   i s   c o nn e c t e w i t a   G a i f un c t i o n   t o   e n a b l e   t h e   us e r   t o   s e t   t h e   r e qui r e pe a v a l u e   of   s t i m ul a t i o n   pul s e   w i dt h .   F i g u r e   de pi c t s     t h e   de s i gn e f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   m o de l   o ut pu t   w a ve fo r m s   a t   m a x i m um   pe a o f   250µ s   a n s i m ul a t e d   f o r   60s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   Int   J   E l e c   &   Co m E n g ,   V o l .   10 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2020  :     69 0   -   70 3   694       F i g u r e   3 .   F l e x i b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   m o de l   o ut pu t       2. 2 .   F l e x i b l e   s t i m u l ati o n   w av e fo r m   w i th   m u s c l e   m o d e l   T h e   m us c l e   m o de l   s t ruc t u r e   a s   f o r m ul a t e by   R i e n e r   &   F uhr   [ 22 ]   c o n s i s t s   o f   t hr e e   m a i   s e c t i o n s   w h i c a r e   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   dy n a m i c s ,   c o n t ra c t i o n   dy n a m i c s   a nd  b o d y   s e gm e n t a l   dy n a m i c s .     In  t hi s   s t udy ,   o n l y   pa rt   o f   t h e   m us c l e   m o de l ,   w h i c h   i s   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   dy n a m i c s   w a s   c o n s t r uc t e i M A T L A B / S i m ul i nk  a n d   i s   s h o w n   i F i g u r e   4.             F i g u r e   4 .   F l e x i b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m   w i t m us c l e   m o de l       In   t h i s   w o r k,   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   m o de l   p r o po s e by   R i e n e r   a n F u hr  [ 22 ]   w a s   us e a s   s h o w n   i F ig u r e   4.   T h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   m o de l   c o n s i s t s   o f   fo ur   m a i n   c o m po n e nt s ;   R e c r u i t m e nt   Ch ar ac t e r i s t i c F r e que nc y   Ch ar ac t e r i s t i c Ca l c i um   D y n am i c s   a n Mus c l e   F at i gu e .   I n   c a l c ul a t i n t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   l e v e l ,   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   dy n a m i c s   r e qu i r e s   s e ve r a l   i n pu t   pa ra m e t e r s .   T h e   i nput   t o   R e c r u i t m e nt   C har ac t e r i s t i c   m o de l   i s   t h e   s t i m ul a t i o n   pu l s e   w i dt h .   T h us ,   i t   i s   c o nn e c t e t o   t h e   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e f o r m s ,   w h i c h   pr o v i de   t h e   s t i m ul a t i o n   pul s e   w i dt h   m o dul a t i o n .   T h e   R e c r u i t m e nt   Char a c t e r i s t i c   m o de l   de s c r i b e s     t h e   pe r c e nt a ge   o f   n o r m a l i z e m o t o r   u n i t   o f   t h e   m us c l e   t ha t   i s   a c t i v a t e a nd  c o m put e a s   a   f u n c t i o n   o s t i m u l a t i o n   pu l s e   w i dt h .   F o r   t h e   F r e que nc y   Ch ar ac t e r i s t i c   m o de l ,   t h e   i n pu t   i s   t h e   s t i m ul a t i o n   f r e que n c y   t h a t   i s   t h e   s e t   f r e que n c y   of   t h e   s t i m ul a t i o n   r e c e i v e by   t h e   m us c l e .   T h e   F r e qu e nc y   Ch ar ac t e r i s t i c   m o de l   de s c r i b e s   t h e   n o rm a l i z e a m o unt   o a c t i v a t i o n   i n   a   s i n g l e   m o t o r   uni t .   T hi s   f un c t i o n   h a s   b e e n   i nt r o duc e t c a pt ur e     t h e   fo r c e - f r e que n c y   c h a r a c t e r i s t i c   o a r t i f i c i a l l y   s t i m u l a t e m us c l e .   T h e   o ut put   p r o d uc t   of   R e c r ui t m e nt   Char ac t e r i s t i c   m o de l   a n F r e qu e nc y   Char a c t e r i s t i c   o ut put   b e c a m e   t h e   i n put   t o   t h e   Cal c i um   D y nam i c   m o de l .   T h e   Cal c i um   D y nam i c ,   w hi c h   i s   m o de l l e us i n g   t w o   f i r s t   o r de r   t r a n s f e r   f un c t i o n s   p r o duc e   a   n o n - f a t i gui ng  m us c l e   a c t i v a t i o n.   T h i s   n o n - f a t i gu i n m us c l e   a c t i v a t i o n   i s   t he n   a ppl i e w i t h   f a t i gue   b y   Mus c l e   F at i gu e   m o de l   t o   pr o duc e   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   l e v e l .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m E n g     IS S N :   2088 - 8708       A nal y t i c a l   s t udy   o f   f l e x i bl e   s t i m ul a t i on  w av e f or m s   i n   m us c l e   f at i g ue   r e d uc t i on   ( E .   Noor s al )   695   T h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   dy n a m i c   i s   us e t o   ob s e r ve   t h e   a c t i v a t i o n   o ut put   a s   t h e   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a ve fo r m s   i s   a ppl i e t o   t h e   i n p ut .   I n   t h e   o v e r a l l   s t ruc t u r e   of   m us c l e   m o de l   by   R i e n e r   &   F uhr   [ 22 ] ,   t h e   o u t put   of   m us c l e   a c t i v a t i o dy n a m i c   b e c a m e   t h e   i n pu t   t o   t h e   m us c l e   c o n t ra c t i o n   dy n a m i c s   t o   p r o duc e   t h e   m us c l e   fo r c e .   S ub s e que n t l y ,   t h e   p r o duc t   o f   m us c l e   fo r c e   w i t m o m e nt   a r m   w i l l   r e s ul t   w i t h   a c t i v e   j o i n t   m o m e nt   (t o r que ).   T h e   ov e r a l l   j o i n t   t o r que   i s   pr o duc e d   by   t a ki n i nt o   c o n s i de ra t i o n   t h e   pa s s i v e   j o i n t   t o r que   ge n e ra t e pa s s i v e l y   f r o m   t h e   m o ve m e n t .   D e t a i l   e xpl a na t i o n ,   e qua t i o ns   a n p a r a m e t e r s   f o r   t h e   m us c l e   m o de l   c a n   b e   ob t a i n e i n   [ 22 23 ] .     2. 3 .   S ti m u l ati o n   s tr ate gy  o f l e x i b l e   w av e fo r m   fo r   m u s c l e   fat i gu e   an al ys e s   F o r   m us c l e   f a t i gue   a n a l y s e s   pur po s e ,   t h e   ge n e ra t e f l e xi b l e   s t i m u l a t i o n   w a v e f o r m s   w e r e   t e s t e i n   fo ur   d i f f e r e n t   s t a ge s ,   w h i c h   a r e   l i s t e d   a s   f o l l o w s :   a.   S i ngl e   R e c t a n g ul a s t i m u l a t i o w a v e fo r m   w i t h   pul s e   w i dt du r a t i o r a ngi ng  f r o m   1 00µ s     500µ s   a n t hr e e   f r e que n c y   s e t t i n gs   (20H z ,   30H z ,   50H z ),     b.   P ul s e   t ra i n   o f   Re c t a n gu l a r   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m   w i t h   pu l s e   w i dt h   du ra t i o n   ra n g i n f r o m   100µ s     500µ s   a n t hr e e   f r e que n c y   s e t t i n gs   (2 0H z ,   30H z ,   50H z ) ,     c.   S i ngl e   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m   us i n g   pu l s e   w i dt m o dul a t i o f r o m   1 00µ s     500µ s   a n d   s t i m ul a t i o f r e que n c y   of   30H z .   T h e   pul s e   w i dt m o dul a t i o n   r e s ul t e i n   f l e xi b l e   w a ve fo r m s   ge n e ra t i o n   s uc h   a s   T r a pe z o i d a l ,   R a m U p,   R a m D o w n   a nd  T r i a n gu l a s h a pe s .   F o r   R e c t a n gu l a s h a pe   t h e   pu l s e   w i dt h   o f   500   µ s   w a s   us e d.   d.   P ul s e   t r a i n   o f   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m   us i n pul s e   w i dt h   m o dul a t i o n   f r o m   100µ s     500µ s   a n d   s t i m u l a t i o n   f r e que n c y   o f   30H z .   S i m i l a r   t o   s i n g l e   f l e xi b l e   w a ve fo r m s ,   f i v e   di ffe r e n t   t y pe s   of   f l e xi b l e   s t i m u l a t i o n   w a v e fo r m s   w e r e   ge n e ra t e d ,   w hi c i n c l u de   R e c t a n g ul a r,   T ra pe z o i da l ,   R a m p   U p,   R a m p   D o w n   a n T ri a n g ul a s ha pe s .     Ini t i a l l y ,   o n l y   s i n gl e   R e c t a n g ul a r   s ha pe   w a s   t e s t e d   t o b s e r v e   t h e   o ut put   r e s po n s e   of  m us c l e   a c t i v a t i o n   f o r   di ff e r e n t   pul s e   w i dt h   a nd  f r e que n c y   s e t t i n gs .   S e c o n dl y ,   t h e   pul s e   t r a i n   o R e c t a n gul a r   s h a pe   w a s   us e d   t o   ob s e r ve   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   r e s po n s e   fo r   a   dura t i o n   o f   60s   s t i m ul a t i o n   pe r i o d.   T h i r d l y ,   s i n gl e   fl e xi b l e   w a ve fo r m   s ha pe s   w e r e   us e t o   c o m pa r e   t h e   r e s po n s e   of   m us c l e   a c t i v a t i o n   a m o ng  t h e   f i ve   ge n e r a t e f l e xi b l e   s t i m ul a t i o w a v e fo r m s .   F i n a l l y ,   t h e   pul s e   t ra i n   o f   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   w e r e   t e s t e t ob s e r ve   t h e   m us c l e   f i t n e s s   ov e r   a   du ra t i o o f   6 0s   s t i m ul a t i o n   pe ri o d.   D e t a i l s   o n   t h e   s e l e c t i o o f   pa ra m e t e r   s e t t i n gs   f o r   e a c s t a ge   w i l l   b e   f ur t h e di s c us s e i r e s ul t s   a nd   di s c us s i o s e c t i o n .       3.   R ES U LTS   A N D   A N A L Y S I S     In   t h i s   s e c t i o n,   t h e   s i m ul a t i o n   r e s ul t s   o b t a i n e a r e   di s c us s e d.   A s   di s c us s e i n   p r e v i o us   s e c t i o n ,   f i v e   di f fe r e nt   t y pe s   of   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   (R e c t a n g ul a r,   T ra pe z o i da l ,   R a m U p,   R a m D o w n   a n d   T r i a n gu l a r w e r e   de ve l o pe d   by   m o dul a t i ng  t h e   pul s e   w i dt h   dura t i o n   f r o m   100µ s   -   500µ s   w i t h   t hr e e   di f fe r e n t   v a l ue s   of   f r e que n c i e s   20H z ,   30H z ,   5 0H z .   T h e   ge n e r a t e f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   w e r e   t e s t e o n t o     a   h um a n o i m us c l e   m o de l ,   i n   w h i c h   t h e   m us c l e   o ut put   r e s po n s e   a n m us c l e   f i t n e s s   w e r e   m e a s ur e a n d   a n a l y s e d.   A s   m e n t i o n e e a r l i e r,   t h e   ge n e r a t e f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   w e r e   t e s t e d   i n   fo ur   di f f e r e n t   s t a ge s ;   w h i c h   i n c l ude   (i s i n gl e   R e c t a n gu l a r   s t i m ul a t i o n   w a ve fo r m   (i i pul s e   t r a i n   o f   R e c t a ngul a r   s t i m ul a t i o w a ve fo r m   (i i i s i n g l e   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m ,   a nd  (i v pul s e   t r a i n   o f   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n .   T h e r e f o r e ,   t h e   f o l l ow i n s e c t i o n s   w i l l   e xpl a i t h e   m us c l e   o ut put   r e s po n s e   a nd  m us c l e   f i t n e s s   r e s ul t s   a c c o r di n t o   e a c h   s t a ge   o f   s i m ul a t i o n.       3. 1 .   S i n gl e   r e c t an gu l ar   p u l s e   F i g u r e   s h o w s   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n,   f o r   a   s i n gl e   r e c t a n g ul a r   s t i m u l a t i o n   pul s e   a t   d i f fe r e nt   pul s e   w i dt h s   (10 s   -   5 00µ s a n f r e que n c i e s   (20,   30 ,   50H z ) .   T h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   g ra p h   ra n ge s   b e t w e e n   a nd  1 ,   w i t h   v a l ue   r e pr e s e nt s   f ul l   a m o u n t   o f   a c t i v a t e m us c l e   f i b r e s   a n v a l ue   r e p r e s e n t s   n o   m e a s u r a b l e   r e s po n s e   t o   s t i m u l a t i o n.   A t   l o w e r   s t i m ul a t i o n   pu l s e   w i dt h s ,   100µ s   a n 20 s ,   t h e   r e s ul t s   i ndi c a t e   t ha t   t h e r e   i s   n o   s i g n i f i c a n t   r e s po n s e   of   a c t i v a t e m us c l e   e v e n   w i t h   v a r i e s   f r e que n c i e s .   T h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   r e s po n s e s   s t a r t   t o   i n c r e a s e   w i t h   g r e a t e r   s t i m u l a t i o n   pu l s e   w i dt h .   T h e   o ve r a l l   r e s ul t s   s h o w   t h a t   m us c l e   a c t i v a t i o n   di f f e r s   w i t h   di f fe r e nt   s t i m ul a t i o n   f r e que n c i e s   a s   h i g h e f r e que n c y   c a us e s   gr e a t e m us c l e   a c t i v a t i o n.     S t i m u l a t i o n   pul s e   w i dt h   o 500µ s   c a us e s i gn i f i c a n t   i m pa c t   a n p r o duc e b i di ff e r e n c e   t   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   5(e ) .   A dd i t i o n a l l y ,   i t   i s   f o un t h a t   s t i m u l a t i o n   f r e que n c y   of   50H z   i s   a b l e   t o   o pt i m i z e   t h e   a c t i v a t i o n   o f   m us c l e   f i b r e s .   T h e   s i m u l a t e r e s ul t s   a l s o   i n di c a t e   t ha t   hi g h e r   s t i m ul a t i o n   f r e que n c y   h a s   g r e a t e r   e ff e c t s   t o   t h e   r e duc t i o n   o f   m us c l e   a c t i v a t i o n   a s   t h e   s t i m ul a t i o n   c o n t i nue s .   It   c a n   a l s o   b e   s e e n   f r o m   t h e   s l o pe   of  t h e   gra p h   t ha t   t h e   h i g h e r   t h e   f r e que n c y ,   t h e   m o r e   r e duc t i o n   i n   m us c l e   a c t i v a t i o n ,   w h i c a l s o   i ndi c a t e s   t ha t   t h e   m us c l e   e xpe r i e n c e   gr e a t e r   f a t i g ue   fo r   hi g h e r   f r e que n c y .   T h e   o b t a i n e r e s ul t s   a r e   i n   l i n e   w i t o t h e r e s e a r c h e r s   f i ndi n gs   i m us c l e   m o de l   o ut pu t   r e s po n s e   [ 24 - 26 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   Int   J   E l e c   &   Co m E n g ,   V o l .   10 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2020  :     69 0   -   70 3   696   ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e )     F i gu r e   5 .   R e c t a ngul a r   s t i m ul a t i o w a v e fo r m   w i t 5   r a nge s   o pul s e   w i dt h s   (100µ s   -   500µ s a n d   3   r a nge s   o f   f r e que n c i e s   (20H z ,   30H z   a n 50H z f o r   4s   o f   s t i m ul a t i o n   pe ri o d       3. 2 .   P u l s e   tr a i n   o r e c tan gu l ar   p u l s e   In  s i n g l e   R e c t a n gu l a pul s e   s t i m u l a t i o n ,   t h e   e f fe c t   of   m us c l e   f i t n e s s   a t   d i f f e r e n t   s t i m ul a t i o n   pu l s e   w i dt h s   c o ul n o t   b e   de t e r m i n e due   t o   a   s h o rt   s t i m u l a t i o n   pe r i o (2s ).   T h e r e f o r e ,   pul s e   t r a i n   o f   r e c t a n gul a s t i m u l a t i o n   a t   d i f fe r e nt   pul s e   w i dt h s   (100µ s   -   500µ s a n f re que n c i e s   (20H z ,   30H z ,   50H z w e r e   t e s t e a n e v a l ua t e d.   F i g u r e   s h o w s   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   r e s ul t s ,   f o r   pul s e   t r a i n   o f   r e c t a n gul a r   s t i m u l a t i o n   a t   di f f e r e n t   pul s e   w i dt h s   a n d   f r e que n c i e s .     A t   l o w e r   s t i m ul a t i o n   pu l s e   w i dt h s ,   1 00µ s   a nd  20 s ,   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n s   a r e   c o n s i s t e n t   f o r     t h e   w h o l e   60s   s t i m ul a t i o n   pe ri o w i t h   a c t i v a t i o n   o f   0. 03  t o   0. a s   o b s e r ve i n   F i g u r e   6(a a n 6(b ).   H ow e ve r ,   a t   hi g h e r   s t i m ul a t i o n   pul s e   w i dt h,   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   s t a rt e t o   r e duc e   a s   t i m e   i n c r e a s e s .   I n   F i g u r e   6(c ) ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m E n g     IS S N :   2088 - 8708       A nal y t i c a l   s t udy   o f   f l e x i bl e   s t i m ul a t i on  w av e f or m s   i n   m us c l e   f at i g ue   r e d uc t i on   ( E .   Noor s al )   697   w i t h   s t i m ul a t i o n   pu l s e   w i dt h   o 300µ s ,   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   r e duc e f r o m   0. 49  t o   0. 42  f o r   t h e   60s   s t i m u l a t i o n   pe ri o d.   I n   F i g u r e   6(d),   w i t h   s t i m ul a t i o n   pu l s e   w i dt h   o f   400µ s ,   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   r e duc e f r o m   0. 74  t o   0. 59  w h e r e a s   i n   F i g u r e   6(e ) ,   w i t h   s t i m ul a t i o n   pu l s e   w i dt h   o f   500µ s ,   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   r e duc e f r o m   0. 93  t o   0. 69 .   T h e r e fo r e ,   i t   c a n   b e   c o n c l ude t h a t   h i gh e r   s t i m ul a t i o n   pu l s e   w i dt h   r e s ul t e i h i g h e r e duc t i o n   o a c t i v a t e m us c l e .   A ddi t i o na l l y ,   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   i s   a l s o   ob s e r v e t o   i n c r e a s e   a s   t h e   s t i m ul a t i o n   f r e que n c y   i n c r e a s e s   f r o m   20H z   t o   30H z .   H ow e ve r ,   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   do e s   n o t   i n c r e a s e   f ur t h e r   a s   t h e   s t i m ul a t i o n   f r e que n c y   i n c r e a s e s   t o   50H z   a f t e 40s   o f   s t i m u l a t i o pe r i o e s pe c i a l l y   fo r   h i g h e s t i m u l a t i o n   pul s e   w i dt h .   T h e r e f o r e ,   fo r   f ur t h e r   m us c l e   fa t i gue   a na l y s e s ,   i t   i s   s u ff i c i e n t   t o   us e   30 H z   s t i m u l a t i o n   f r e que n c y   a n d   500µ s   pul s e   w i dt f o r   a l l   t y pe s   of   f l e xi b l e   w a ve fo r m s .         ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e )     F i g u r e   6 .   P u l s e   t ra i o f   r e c t a n gu l a s t i m u l a t i o w a v e fo r m   w i t 5   r a n ge s   o f   pul s e   w i dt h s   (100µ s   -   50 s a n d   r a nge s   o f   f r e que n c i e s   (20H z ,   30H z   a n d   50 H z f o r   60s   o f   s t i m ul a t i o n   pe ri o d     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   Int   J   E l e c   &   Co m E n g ,   V o l .   10 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2020  :     69 0   -   70 3   698   3. 3 .   S i n gl e   fl e x i b l e   s ti m u l ati o n   w av e fo r m   F i g u r e   de pi c t s   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n ,   f o r   a   s i n g l e   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e f o r m .   A s   m e nt i o n e d   e a rl i e r ,   f i v e   di ffe r e nt   t y pe s   of   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo rm s   (R e c t a n g ul a r,   T ra pe z o i d a l ,   R a m U p,   R a m D ow n   a nd  T r i a n gu l a r w e r e   e m pl oy e i n   t h i s   a na l y s i s   of   s t ud y .   A l l   f i ve   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   w e r e   ge n e ra t e by   m o dul a t i n t h e   s t i m ul a t i o n   pu l s e   w i dt h   f r o m   1 00µ s   -   500µ s   a t   s t i m ul a t i o n   f r e que n c y   of   30 H z .   T h e   m us c l e   a c t i v a t i o o b t a i n e by   t h e   R e c t a n gu l a r   s ha pe   o s t i m ul a t i o n   w a s   us e a s   a   r e f e r e n c e   t o   c o m pa r e   t h e   pe r f o rm a n c e   o f   t h e   o t h e r   t y p e s   of   s t i m ul a t i o w a v e fo r m s .     R e s ul t s   s h o w s   s o m e   de l a y   i t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   r e s po n s e   w h e n   T r a pe z o i da l ,   R a m U a nd  T r i a n gu l a r   s h a pe s   of   s t i m ul a t i o n   w e r e   a ppl i e a t   t h e   m us c l e   m o d e l .   H ow e ve r ,   t h e   R a m D ow n   a n d   R e c t a ngul a r   s ha pe s   ha v e   s h o w n   o n l y   s m a l l   de l a y   i n   m us c l e   a c t i v a t i o n   r e s po n s e .   I t   c a a l s o   be   ob s e r v e t ha t   t h e r e   a r e   s l i g ht   d r o ps   o f   m us c l e   a c t i v a t i o n   w h e n   t h e   R a m U p,   R a m p   D o w n   a n T r i a n gu l a r   s ha pe   s t i m u l a t i o w a ve fo r m s   w e r e   a ppl i e d.         ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e )     F i g u r e   7 .   S i ngl e   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o w a v e fo r m s   a t   pu l s e   w i d t =   500µ s   a nd  f r e que n c y   =   30H z   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m E n g     IS S N :   2088 - 8708       A nal y t i c a l   s t udy   o f   f l e x i bl e   s t i m ul a t i on  w av e f or m s   i n   m us c l e   f at i g ue   r e d uc t i on   ( E .   Noor s al )   699   3. 4 .   P u l s e   tr a i n   o f l e x i b l e   s t i m u l ati o n   w av e f o r m   In  t hi s   s e c t i o n   t h e   f i v e   di ff e r e n t   t y pe s   of   f l e xi b l e   s t i m u l a t i o w a ve fo r m s   (R e c t a n g ul a r,   T ra pe z o i da l ,   R a m U p,   R a m D ow n   a n T ri a n g ul a r w e r e   t e s t e a n s i m u l a t e o n t o   t h e   m us c l e   a c t i v a t i o n   m o de l   f o r     a   du ra t i o n   o f   60s   a s   s h o w n   i t h e   F i g u r e   8 .   S i m i l a t o   t h e   s i n g l e   f l e xi b l e   w a v e fo r m ,   t h e   s t i m ul us   pa ra m e t e r s   us e w e r e   500µ s   fo r   pul s e   w i dt h   a n 30H z   fo r   s t i m ul a t i o n   f r e que n c y   t o   c h a ra c t e ri z e   m us c l e   a c t i v a t i o n   a n d   m us c l e   f i t n e s s   fo r   60s   o f   s t i m ul a t i o n   pe ri o d.   T h e   e f fe c t   of   m us c l e   f i t n e s s   t hr o ug h   t h e   us a ge   o f   di ff e r e n t   pul s e   t r a i o f   f l e xi b l e   s t i m u l a t i o w a v e fo r m   w e r e   a na l y s e d.   F i g u r e   s h o w s   t h e   m us c l e   f i t n e s s   o f   t h e   f i v e - pul s e   t r a i o f   f l e xi b l e   s t i m ul a t i o n   w a v e fo r m s   f o r   60s   of   s t i m ul a t i o n   pe r i o d.   D e t a i l   f i t n e s s   v a l ue s   fo r   a l l   s t i m ul a t i o n   w a ve fo r m s   a r e   t a b ul a t e i n   T a b l e   2 .         ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 7 f 8 f 9 f 1 0 f 1 1 f 1 2 f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 7 f 8 f 9 f 1 0 f 1 1 f 1 2 f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 7 f 8 f 9 f 1 0 f 1 1 f 1 2 f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 7 f 8 f 9 f 1 0 f 1 1 f 1 2 f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 7 f 8 f 9 f 1 0 f 1 1 f 1 2     F i g u r e   8 .   P u l s e   t ra i o f   f l e xi b l e   s t i m u l a t i o w a v e fo r m s   a t   pu l s e   w i dt =   500µ s     a n f r e que n c y   =   30H z   f o r   60s   s t i m ul a t i o n       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.