Un électrostimulateur neuromusculaire "Description et réalisation"

Cet appareil idéal, moderne et d’une grande diversité d’emplois, répond aux attentes des athlètes, aux exigences des professionnels de la remise en forme comme aux espoirs de tous ceux qui souhaitent améliorer leur aspect physique. Il propose plusieurs programmes de musculation, d’amincissement, de tonification, de préparation et de soin des athlètes.


Notre époque est celle de la qualité, de l’apparence extérieure mais aussi du bien-être au sens large : économique, social et physique. Pour ce dernier, nous trouvons toujours plus de produits nous aidant à atteindre notre objectif, des crèmes aux boissons isotoniques en passant par les multiples accessoires pour le “fitness” et les appareils électriques de stimulation musculaire.

L’influx nerveux et l’électricité
A propos de ceux-ci, il faut rappeler que les premières études sur la conduction nerveuse remontent au XVIIe siècle : la découverte de la relation entre l’influx nerveux et l’électricité date de ce temps-là ! C’est ainsi qu’eurent lieu les premières expérimentations de stimulation électrique cutanée et directe.
Dans le premier cas (non invasif), la technique adoptée consistait à appliquer des impulsions de courant à deux électrodes placées sur la surface de la peau : le champ électrique se formant entre les deux électrodes provoque l’excitation des circuits nerveux qu’il investit.
Dans le second cas (invasif), la technique consistait à poser les électrodes directement au contact du nerf ou de la fibre pour provoquer une stimulation dite intracellulaire.
Le temps passant, la stimulation directe fut employée en chirurgie comme aide à la reconstruction des fibres musculaires endommagées alors que la stimulation cutanée est utilisée pour augmenter la force musculaire des athlètes.

L’électrostimulation et la médecine
On sait que “la force maximale exercée par un muscle dépend de son diamètre physiologique, d’où il découle que l’entraînement systématique (“body building”) associé à de fréquentes et fortes contractions du muscle, a pour effet augmenter son diamètre grâce au grossissement des fibres musculaires et, par suite, l’augmentation de la force. La stimulation électrique produit le même résultat.”*
Ce n’est pas tout. La stimulation électrique permet encore d’activer tout l’appareil contractile en mettant en oeuvre une force supérieure à celle du plus grand effort volontaire possible.
En outre, comme la force maximale du muscle provoquée électriquement se maintient plus longtemps, on obtient une croissance plus forte et plus rapide de la masse musculaire. L’électrostimulation permet un entraînement sélectif des seuls muscles.
Des études récentes ont démontré que l’électrostimulation, encore appelée “entraînement électrique”, produit des résultats sans la participation de l’athlète (gymnastique passive) avec pour avantage de ne pas influer sur la coordination motrice de celui-ci.

*L. DIVIETI, Professeur à la Polytechnique de MILAN (It.), dans Systèmes biologiques de contrôle.




Les électrostimulateurs du commerce
Ceci établi, voyons maintenant de quelle manière électrostimuler le muscle.
La règle de base est que les paramètres de stimulation doivent être choisis de manière à obtenir la contraction maximale du muscle sans forte sensation douloureuse.
Des études désormais célèbres fournissent les paramètres significatifs devant s’appliquer aux impulsions électriques.
Beaucoup de produits concurrents du commerce font sourire avec leurs 60, 200 (ou même plus !) programmes : c’est du 100 % “marketing” et du 0 % technique !
Nous en avons examiné une dizaine environ pour parvenir à la conclusion que beaucoup de formes d’onde présentent des écarts tellement minimes qu’en pratique il n’y aura aucune différence de stimulation.
Pire encore : certains programmes multiples présentent exactement les mêmes formes d’onde. Et ce n’est pas tout : certains stimulateurs du commerce, même les plus coûteux, ne prévoient même pas de régulation en courant dont on sait pourtant qu’elle est un des paramètres fondamentaux.
Lorsque nous nous sommes mis au travail pour concevoir notre appareil, nous ne nous attendions pas à un tel résultat. Nous pensions réaliser un dispositif capable de garantir les mêmes prestations que ceux du commerce en plus économique, bien sûr.
Sans fausse modestie, nous pouvons affirmer que notre produit peut tranquillement être comparé avec ceux qu’utilisent les hôpitaux.

Notre électrostimulateur
Venons-en enfin à notre propre électrostimulateur.
Il met en oeuvre un étage final de type “push-pull” avec un transformateur dont le primaire est à prise centrale. Ce transformateur joue un rôle déterminant dont nous avons pris conscience en mettant au point le prototype définitif : des noyaux avec peu de fer donnent des impulsions d’amplitude correcte mais courtes et à allure exponentielle décroissante et non rectangulaires.
Avec trop de fer, on obtient, en revanche, des impulsions émoussées sur le front de montée.
Si l’on adopte des noyaux de ferrite, les impulsions sont encore trop brèves et exponentielles, c’est-à-dire en forme d’aiguille et donc non adaptées à notre application.
Nous avons finalement choisi un noyau lamellaire de fer au silicium à grains orientés, ce qui nous a permis de produire de vraies impulsions non seulement symétriques mais encore rigoureusement rectangulaires.

L’organigramme de notre appareil est le suivant :
- Une unité d’élaboration produisant deux signaux rectangulaires en opposition de phase dont la fréquence et la cadence sont définies par le logiciel du microcontrôleur PIC MF395 déjà programmé en usine s’occupant de la gestion du système et également de définir les cycles de travail (stimulation/repos) en fonction des configurations faites par l’usager sur le pupitre de commande à l’aide des poussoirs P1, 2, 3, 4 et 5.
Il signale aussi le temps résiduel et bien d’autres choses encore sur l’afficheur LCD à deux chiffres commandé par son port RD.
- Un double “driver push-pull” avec transformateur élévateur a pour tâche d’envoyer des impulsions biphasiques à deux paires d’électrodes :
la double stimulation simultanée est utile car tous les muscles étant symétriques, ceux de droite et ceux de gauche doivent être stimulés ensemble (par exemple, les biceps, les triceps, les biceps fémoraux et quadriceps, etc.).
- Deux limiteurs de courant réglables permettant de transformer les générateurs d’impulsions de tension en parfaits générateurs de courant constant avec limitation de l’intensité parcourant le corps du patient à des valeurs d’abord non dangereuses et ensuite non douloureuses.
Un étage d’alimentation à batterie rechargeable où la batterie est rechargée par une alimentation secteur 220 V reliée à une prise faite de telle façon qu’en insérant la fiche, la ligne principale est automatiquement coupée : cela évite tout contact, même accidentel, du patient avec le réseau électrique. Ainsi, les normes légales sont respectées et notre appareil ne présente aucun risque de se transformer en chaise électrique !

Le type d’onde généré par l’électrostimulateur musculaire

Figure 1 : Le type d’onde généré par l’électrostimulateur musculaire.

A = Durée de l’impulsion primitive (coïncide avec le paramètre IMPULSION du Tableau 1) ;

B = Période entre les impulsions primitives (la fréquence de cette période coïncide avec le paramètre FREQUENCE du Tableau 1) ;

C/D = temps de production des impulsions et temps de pause (coïncident avec les paramètres TRAVAIL du Tableau 1) ;

E = Tension crête-crête (ou “peakpeak”)* de l’impulsion, varie automatiquement en fonction de la résistance se créant entre les deux électrodes, de manière à maintenir constant le courant appliqué.

L’efficacité de l’électrostimulation dépend directement de 4 facteurs :
- le courant produit,
- la durée de l’impulsion primitive (ou initiale),
- la fréquence à laquelle ces impulsions se répètent et
- le rapport entre le temps de production des impulsions et le temps de pause.
Les résultats dépendent ensuite de la durée des séances d’entraînement électrique et de leur fréquence.
La forme d’onde doit être exclusivement rectangulaire et caractérisée par des impulsions primitives étroites et doubles (une positive et une négative, exactement de la même amplitude).
L’onde produite (appelée biphasique) empêche toute polarisation et, partant, l’électrolyse du sang et le dépôt des électrolytes (sodium, potassium, chlore…) qui doivent rester dissout afin de demeurer à disposition des organes et des processus vitaux (par exemple, le sodium est à la base de la régulation de la pression artérielle).
La valeur des courants doit être stable et c’est pourquoi notre appareil dispose d’un limiteur de courant capable de toujours faire débiter par les électrodes seulement l’intensité désirée.
La fréquence et la cadence dépendent étroitement du type de traitement et sont gérées en fonction de la phase de travail.
Précisons, à ce propos, que notre dispositif prévoit trois phases :
- échauffement,
- musculation et
- relaxation.
La fréquence à laquelle se succèdent les impulsions et la cadence ou durée des applications dépend de la phase de traitement dans laquelle on se trouve.

*ou pic-pic, soit Vcc ou Vpp.


Tableau 1 : Dans ce tableau, nous reportons les paramètres associés aux divers programmes disponibles grâce à notre stimulateur électronique. Les programmes (sauf CAPILLARISATION – rien à voir avec les cheveux : il s’agit des petits vaisseaux sanguins – CELLULITE et TENSEUR) prévoient 3 phases d’utilisation appelées ECHAUFFEMENT, MUSCULATION et RELAXATION. Les temps associés aux diverses phases d’ECHAUFFEMENT et de RELAXATION sont fixes alors que le temps de la phase MUSCULATION peut être réglé entre 1 et 60 minutes. Le tableau indique un temps minimum de MUSCULATION conseillé pour chaque séance.

Note : La nature et l'utilisation de ces différents programmes seront expliquées dans la seconde partie de l'article.

Le schéma électrique
Tout cela est bel et bon mais il est temps de passer à l’analyse approfondie des divers étages en commençant par les étages de stimulation réalisés avec un schéma original de limitation bidirectionnelle de courant. Il s’agit des circuits fondés sur les transistors T4 et T5 pour les électrodes de gauche et T8 et T9 pour celles de droite.
Comme ces sections sont identiques, examinons-en une seule. Le secondaire du transformateur produit des impulsions d’amplitude 200 V environ, dont le courant, en absence de limitation, serait déterminé par la résistance du corps et par les possibilités de TF1.
Supposons qu’on applique une charge entre les électrodes, nous voyons que les transistors T4 et T5 conduisent chacun pendant une demie onde et font passer le courant du secondaire tantôt dans un sens et tantôt dans l’autre.
Plus exactement, T4 conduit pour l’impulsion positive sur le point “+ PLATE” et T5 pour celle qui a la polarité opposée.
Les diodes D6 et D7 protègent les transistors de l’inversion de polarité.
Ce qui détecte le courant et le limite, ce sont les résistances R12 et R13.
La limitation se produit ainsi : la chute de tension aux bornes de la série de résistances s’oppose, d’une certaine manière, à la polarité qu’à chaque impulsion les deux diodes zener DZ1 et DZ2 fournissent aux bases des transistors.
Quand le courant devient tel qu’il fait chuter aux bornes de R12 et R13 une tension dépassant la différence entre Vz (somme de la tension d’une des deux diodes zener plus 0,6 V) et la Vbe du transistor actuellement actif, ce dernier tend à se désactiver.
Par un réglage adéquat du trimmer R12, on peut choisir la valeur du courant pour lequel les transistors préposés à la production du courant d’électrodes doivent se bloquer : plus grande est la résistance, plus faible est le courant débité et vice-versa.
De toute façon, le courant maximum est limité à 100 mA environ. Voir figures 2 et 3.

Figure 2 : Schéma électrique de l’étage de contrôle de l’électrostimulateur.

Figure 3 : Schéma électrique de l’étage de sortie de l’électrostimulateur.

Figure 4 : Schéma d’implantation des composants de la platine de contrôle de l’électrostimulateur.

Figure 5 : Schéma d’implantation des composants de la platine de sortie de l’électrostimulateur.

Figure 6 : Photo d’un des prototypes de la platine de contrôle de l’électrostimulateur.

Figure 7 : Photo d’un des prototypes de la platine de sortie de l’électrostimulateur.

Notre électrostimulateur est réalisé sur deux cartes distinctes : l’une contenant la logique de contrôle et de visualisation (figure 4) ; l’autre l’étage de sortie et le circuit de recharge de la batterie (figure 5).
Le montage des composants sur les cartes ne présente aucune difficulté particulière. Insérez les composants par ordre de hauteur, du plus bas au plus haut, sans oublier de respecter la polarité des diodes, condensateurs électrolytiques, transistors, etc.
Afin de ne pas vous tromper, suivez les schémas d’implantation des composants (figures 4 et 5 correspondant respectivement aux figures 8a/8b et 9).

Figure 8a : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face, côté soudures, de la platine de contrôle de l’électrostimulateur.

Figure 8b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face, côté composants, de la platine de contrôle de l’électrostimulateur.

Figure 9 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé, côté soudures, de la platine de sortie de l’électrostimulateur.

Liste des composants de la platine de sortie
R1 = 220 Ω
R2 = 2,2 kΩ
R3 = 150 Ω
R4 = 100 Ω
R5 = 2,2 Ω
R6 = 2,2 kΩ
R7 = 2,2 kΩ
R8 = 15 kΩ
R9 = 15 kΩ
R10 = 2,2 kΩ
R11 = 2,2 kΩ
R12 = 3 kΩ pot.
R13 = 33 Ω
R14 = 2,2 kΩ
R15 = 2,2 kΩ
R16 = 15 kΩ
R17 = 15 kΩ
R18 = 2,2 kΩ
R19 = 2,2 kΩ
R20 = 3 kΩ pot.
R21 = 33 Ω
C1 = 470 μF 25 V électrolytique
C2 = 470 μF 25 V électrolytique
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 470 μF 25 V électrolytique
C5 = 100 nF
D1 = Diode 1N4007
D2 à D13 = Diodes BYW96
D14 = Diode 1N4007
DZ1 à DZ4 = Zener 5,1 V
PT1 = Pont redres. 1 A
U1 = Intégré LM317
U2 = Régulateur 7805
T1 = NPN BC547
T2 - T3 = MOSFET IRFZ44N
T4 = NPN MPSA42
T5 = PNP MPSA92
T6 - T7 = MOSFET IRFZ44N
T8 = NPN MPSA42
T9 = PNP MPSA92
RL1 = Relais 12 V 2 RT pour ci
TF1 - TF2 = Voir texte

Divers :
7 Borniers 2 pôles
2 Borniers 3 pôles
1 Porte-fusible pour ci
1 Fusible 1 A
2 Radiateurs ML26
2 Vis 3MA x 15 mm
2 Ecrous 3MA
4 Vis autotaraudeuses
1 Circuit imprimé réf. S0395A

Divers externe :
1 Plaquette en nylon
2 Boutons
4 Prises Jack mono 3,5 mm pour châssis
1 Interrupteur à poussoir
1 Prise d’alimentation pour châssis
1 Câble de raccordement
1 Face avant sérigraphiée
1 Batterie rechargeable 12 V 1 200 mA
1 Boîtier plastique


Figure 10 : Caractéristiques techniques
Canaux 2 indépendants
Douilles de sortie 2 en parallèle sur chaque canal
Sortie rectangulaire biphasique et symétrique
Régulation en courant sur chaque canal
Courant débité 100 mA maximum sur chaque canal
Type d’isolation galvanique
Programmes mémorisés 24
Durée des impulsions 150 à 300 μs (primitive)
Fréquence des impulsions 4 à 100 Hz
Séquences d’utilisation échauffement, musculation, relaxation
Durée de la phase de développement 1 à 60 minutes réglable
Alimentation batterie rechargeable interne 12 V - 1 200 mAh
Fusible interne 1 A
Circuit de recharge interne à courant constant
Temps de recharge 7 h maximum
Alimentation externe E. secteur 220 V - S. 15 V 500 mA

Figure 11 : Dotation de base et options
Dotation de base
Deux câbles de connexion longueur 180 cm, boîte de dérivation avec deux sorties longueur 30 cm et connecteurs à clips ;
Quatre électrodes conductrices au gel dimensions 45 x 35 mm avec connecteurs à clips ;
Quatre électrodes conductrices au gel dimensions 45 x 80 mm avec connecteurs à clips.

Options
Quatre bandes de toile conductrice et daim synthétique avec velcro de fermeture et connecteur à clips : largeur de la bande 50 mm, longueur 800 mm.

La réalisation pratique
Passons maintenant à la réalisation pratique.
Il faut tout d’abord se procurer ou préparer, par sa méthode habituelle, les deux circuits imprimés : un pour l’unité de contrôle (attention ! c’est un double face : figures 8a et 8b) et l’autre pour la haute tension et l’alimentation secteur 220 V chargeur de batterie (figure 9). Ceux qui choisiront la réalisation personnelle du circuit double face ne devront pas oublier toutes les liaisons à réaliser entre les deux faces.
Les deux cartes étant percées, insérez les composants par ordre de hauteur, des plus bas aux plus hauts, en respectant bien la polarité des diodes, condensateurs électrolytiques, transistors, etc.
Afin de ne pas vous tromper, suivez les schémas d’implantation des composants des figures 4 et 5 en vous aidant des photos des prototypes des figures 6 et 7.
Pour les interconnexions, montez des borniers au pas de 5 mm pour l’alimentation, les électrodes SX (gauche) et DX (droite), la prise de batterie rechargeable, etc.
Faites très attention à l’étage de sortie : les deux sections de contrôle des électrodes doivent être vérifiées individuellement quand le montage des deux platines est terminé.
Assurez-vous que la limitation de courant fonctionne si vous ne voulez pas avoir l’impression de vous retrouver dans le roman de Mary SHELLEY* lors des essais in situ !
Pour cela, branchez la batterie au bornier + et – BATT et mettez-la en charge.
Souvenez-vous, à ce propos, que vous devez avoir connecté une prise “plug” aux points “VAL” de la platine d’alimentation et que, dans celle-ci il, faut insérer la fiche d’une alimentation fournissant 15 Vca.
La batterie une fois chargée, vous pouvez extraire le “plug” : le relais, privé d’alimentation principale (il prend sa tension en aval du pont de diodes), est désactivé et il connecte, avec ses contacts repos, la batterie au circuit.

* Frankenstein.


Un premier réglage
En fermant l’interrupteur S1, le circuit est sous tension.
Pour contrôler l’efficacité des étages de sortie, lancez un programme de stimulation.
Ce n’est que dans la seconde partie, dans un prochain numéro d’ELM, que nous expliquerons comment fonctionnent les différents programmes et comment les utiliser. Ici, nous nous limitons à décrire un programme de principe : agissez sur P4 et P5 pour augmenter le temps (en minutes) visualisé par l’afficheur LCD : par exemple, deux minutes.
Prenez un multimètre réglé sur une échelle de courant alternatif avec une portée de 500 mA ou 1 A et reliez-le aux électrodes de la première sortie.
Puis pressez le poussoir P1 (MARCHE) et lisez sur le multimètre l’intensité : quelle que soit la position du curseur du trimmer R12, le courant indiqué ne doit pas dépasser 100 à 120 mA.
Répétez la mesure sur l’autre sortie en agissant sur le trimmer R20.
Pensez qu’à tout moment vous pouvez arrêter la production des impulsions de courant en pressant P3, qui fait fonction de PAUSE : deux pressions consécutives sur ce poussoir, lorsque le circuit est en marche, provoquent le passage à la condition d’arrêt. Si la brièveté excessive des impulsions ne vous permet pas de mesurer correctement le courant, vous devez utiliser un oscilloscope configuré ainsi :
- base de temps à 1 ms / division ou 100 μs / division ;
- sensibilité 1 ou 5 V / division (il vous faudra une sonde 10:1);
Vous effectuerez une mesure indirecte en plaçant une charge fictive à la sortie réservée aux électrodes : une résistance de 100 ohms, 5 W, à relier entre + et – PLATE sur SX ou DX fera l’affaire.
La deuxième partie de l’article vous apprendra à installer les deux platines dans le boîtier plastique à pupitre (voir photo de début d’article). Nous décrirons ensuite le logiciel installé dans le microcontrôleur MF395, le fonctionnement détaillé de l’électrostimulateur, l’emploi des diverses électrodes et leur positionnement sur le corps.

(A suivre)

Utilisation
la nouvelle version, encore plus performante !

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