Biometria


TENS

TENS è l’acronimo di TransCutaneous Electrical Nerve Stimulation. La TENS consiste nell’applicazione sulla cute di lievi impulsi elettrici, che attivano fibre nervose. Gli effetti biologici sono controversi, secondo alcuni l’unico effetto accertato è la riduzione del dolore. Secondo altri si hanno anche effetti curativi. Gli impulsi TENS vengono anche utilizzati posizionando gli elettrodi sui muscoli per provocare forti contrazioni e aumentare la massa muscolare.

Theremino Tens Waveform

Qui si vede la classica forma d’onda TENS con il nostro adattatore regolato per una corrente media e la massima frequenza di ripetizione.

Non siamo qui per decidere cosa sia vero e cosa non lo sia, e non importa se questo o quell’effetto sia solo una bufala. Tutti concordano che qualche effetto biologico ci sia, perlomeno la riduzione del dolore, e molte persone utilizzano apparecchi TENS. Inoltre sperimentare è sempre positivo ma questi apparecchi sono costosi e non permettono di fare prove perché sono programmati con una serie di onde, frequenze e cicli e non è possibile modificare la loro programmazione.

Pubblichiamo quindi questo progetto per facilitare la sperimentazione. Il modulo è semplice, poco costoso e facilmente costruibile con componenti comuni ma le caratteristiche del segnale prodotto sono comparabili ai migliori apparecchi professionali. La particolarità di questa soluzione è di gestire tutti i parametri (corrente di uscita, tempi, ripetizioni e pause) da una applicazione sul PC per cui si ha il controllo totale su tempi, intensità e ripetizioni. Ideale per chi vuole sperimentare.

Se si costruiscono più moduli uguali si possono avere più uscite indipendenti e si potrebbero collegare fino a 12 moduli a un solo modulo Master.

Theremino Slots To Office

Anche senza conoscere linguaggi di programmazione evoluti, si potrebbe utilizzare un foglio Excel e scrivere macro in VBA (Visual Basic for Applications) per sperimentare tempi, intensità e programmi con ripetizioni di ogni tipo.


Un apparecchio controllato da un Tablet

Più volte ci hanno chiesto di progettare un apparecchio come questo. E ci hanno anche preparato una analisi di come sono fatti gli apparecchi commerciali e di come dovremmo progettarlo:
– Microcontrollore programmato con un firmware che stabilisce i tempi e gestisce un menu.
– Display a due righe collegato in I2C per presentare il menu.
– Alcuni pulsanti per selezionare i menu dentro al display.
– Manopole per facilitare le regolazioni che nel menu sarebbero troppo scomode.
– Batterie in modo da avere un apparecchio portatile e sicuro (non collegato alla rete elettrica).
– Connettore per ricaricare le batterie e circuito interno di controllo per non caricarle troppo.

Tens Device

In pratica un qualcosa come si vede in questa immagine (fare click sulla immagine per vederla meglio).

Ringraziamo quelli che ci hanno scritto per il loro lavoro di ricerca, ma la via thereminica è diversa, si riduce al minimo l’hardware e ci si appoggia ad un PC, o meglio in questo caso a un Tablet che provvederà anche alla alimentazione dei circuiti (fino a 12 indipendenti).


Theremino Tablet DeviceCon un Tablet si possono utilizzare le sue batterie e restare isolati dalla rete elettrica per sicurezza. Non si devono costruire circuiti stampati, display LCD e pulsanti. E al posto di quattro manopole e un piccolo display si ha un intero pannello touch screen a colori, le batterie, il circuito di ricarica, l’indicatore dello stato di carica, l’alimentatore da rete a norme di legge, il collegamento remoto in WiFi, la sezione audio e gli altoparlanti…

Nonché una infinità di memoria e di potenza di calcolo. Il tutto in poco volume, con qualche watt di consumo totale e (tutto contato) anche risparmiando.

Esistono Tablet economici da 7 pollici con prezzi dai 50 ai 100 Euro ma attenzione che il sistema operativo deve essere Windows10.


Schema elettrico

Theremino Tens V1 Schematics

Lo schema è semplice e realizzabile con componenti facilmente reperibili. Anche il transistor, che è un componente speciale da 300 volt, può essere recuperato da una lampada fluorescente bruciata. Leggere le note per il transistor T1.

  • Il connettore di ingresso (SIG./+5/GND) si collega direttamente a un Pin del modulo Master configurato come Pwm16 che fornisce sia la alimentazione che il segnale di pilotaggio. Il modulo Master a sua volta sarà collegato al Tablet con un cavetto USB.
  • R1 – Limita la corrente che si può prelevare dal 5 volt a non più di 50 mA. Così anche se si sbaglia il pilotaggio e invece di inviare brevi impulsi da qualche millisecondo lo si tiene attivo all’infinito, non succede niente di spiacevole, i componenti non si scaldano e la corrente prelevata dalla porta USB non è eccessiva.
  • C1 – Immagazzina abbastanza energia per un impulso alla massima potenza. Ma se si sbaglia e si inviano impulsi troppo frequenti o addirittura un segnale continuo, la sua tensione si abbassa e in pochi secondi la corrente di alimentazione viene limitata ai soli 50 mA in arrivo da R1.
  • C2 – Limita la tensione sul collettore di T1 a non più di 100 volt. Se non ci fosse questo condensatore e si accendesse l’apparecchio con gli elettrodi scollegati, la tensione impulsiva potrebbe salire anche oltre i mille volt e mettere in pericolo il transistor e l’isolamento del trasformatore.
  • R2 – Limita la corrente di pilotaggio della base del transistor a una ventina di milliampere.
  • T1 – E’ un transistor NPN da almeno 300 volt e almeno 500 mA. Lo si potrebbe sostituire con un qualunque transistor recuperato dalle lampade fluorescenti (quelle chiamate a risparmio energetico). Di solito in queste lampade si trovano gli MJE13002 o gli STX13003 o i TS13003. Ma attenzione che la disposizione dei piedini potrebbe non essere la stessa (CBE invece di EBC) e quindi il corpo del transistor andrebbe ruotato di 180 gradi. Il transistor va recuperato da lampade da pochi watt altrimenti potrebbero utilizzare i 13007 che sono più grandi e scomodi da saldare. I transistor delle lampade a risparmio energetico vanno anche meglio dello MPSA42, la corrente massima in uscita sale da 12 mA fino a quasi 15 mA.
  • D1 – Limita la tensione negativa a -0.7 volt per proteggere il transistor T1 nel caso  si accendesse l’apparecchio con gli elettrodi scollegati.
  • Il trasformatore marcato 12 to 220v è un piccolo trasformatore di alimentazione da circa 30 x 40 mm. Accettando una piccola riduzione della corrente massima di uscita (10 mA al posto di 12) si potrebbero anche utilizzare trasformatori da 9 volt o da 24 volt (sempre con primario da 220 volt). Se invece si trovasse un trasformatore con primario da 110 volt si otterrebbe un leggero aumento della corrente massima che passerebbe da 12 mA a circa 15.
  • Il connettore di uscita (OUT/OUT) porta il segnale che andrà agli elettrodi da applicare sulla pelle. Tra i due poli OUT – OUT si può aggiungere un resistore da 22k per limitare la tensione massima di uscita a circa 80 volt. Vedere la sezione “Limitare la tensione di uscita” verso la fine di questo articolo.

Sicurezza

Premessa: gli apparecchi TENS non devono essere usati da chi utilizza un pacemaker e gli elettrodi non vanno mai posizionati in modo che la corrente attraversi il cuore. Probabilmente sono raccomandazioni eccessive ma è bene rispettarle.

Questo generatore è intrinsecamente sicuro, la corrente massima è di 12 mA e non è possibile aumentarla nemmeno per errore. Si parte da soli 5 volt e c’è subito un resistore da 100 ohm in serie che limita la corrente di alimentazione a meno di 50 mA. Poi questi 50 mA vengono divisi per il rapporto di trasformazione del trasformatore ed è impossibile ottenere più di pochi milliampere per una frazione di millisecondo a meno di modificare quasi tutti i componenti del circuito.

Una corrente di 12 mA potrebbe, in alcuni casi, essere dolorosa ma è considerata del tutto sicura. Inoltre, dato che gli impulsi sono brevi (qualche millisecondo al massimo), la corrente che viene considerata pericolosa è molto più alta, come si vede nella prossima immagine.

Theremino Tens - Dangerous Current

Guardando questa immagine si può notare che 12 mA sono persino pochi. Alcuni apparecchi commerciali arrivano fino a 50 mA e oltre. Dalle prove fatte ci sembra che 12 mA siano sufficienti ma suggeriremo delle varianti per chi volesse aumentare la corrente.


Corrente di uscita

La corrente di uscita si regola con il segnale PWM da zero fino a poco meno di 12 mA. La corrente è abbastanza indipendente dalla resistenza del corpo (tra circa 500 ohm e 10 000 ohm) e la forma d’onda di uscita è bilanciata (uguale energia nella fase negativa che in quella positiva) in modo da ridurre al minimo il rischio di reazioni sulla pelle.

La forma d’onda della corrente di uscita è quella classica degli apparecchi TENS, cioè una semionda positiva di forma quadrata della durata di qualche millisecondo, seguita da un impulso negativo che torna a zero in modo asintotico e che ha la stessa area della semionda positiva in modo da bilanciare il totale e evitare effetti di dissociazione galvanica ed elettroforesi.


Costruzione

Theremino TENS V1 board  Theremino TENS V1

Utilizzando questa immagine si potrebbe anche fare a meno del circuito stampato. I componenti sono pochi per cui basta un pezzo di basetta millefori e qualche filo nudo ricavato dai resistori stessi.

Il modulo è più piccolo di quel che sembra, appena 60 x 40 millimetri (come un modulo Master). In una scatola larga una spanna se ne possono affiancare sei. Nella parte posteriore si colloca il Master con la presa USB, sul frontale sei prese per i cavetti TENS e sulla faccia superiore si appoggia il Tablet, magari con un po’ di velcro per tenerlo fermo. Su eBay e Amazon si possono trovare i cavetti di ricambio e gli accessori, ad esempio le spugnette da inumidire con acqua.

Non c’è bisogno di un alimentatore. Si collega il cavetto USB e la batteria del Tablet può alimentare fino a sei o dodici uscite per molte ore. Il consumo di dodici uscite regolate per la massima ripetizione e corrente possibile è più o meno lo stesso del display del Tablet a mezza luce. Con sei uscite basta abbassare la luminosità del display al minimo e si ottiene una autonomia di oltre sei ore.


Il trasformatore

Sullo stampato sono presenti varie forature per alcuni trasformatori tra i più comuni. Se i fori non coincidono si possono fare dei fori in più con il trapano e utilizzare piccoli fili sul lato inferiore per i collegamenti.

Il trasformatore può essere sia da 220 volt che da 110 volt e il secondario può essere da 9, 12 o 24 volt, ma in tutti i casi non si potrà ottenere una corrente massima maggiore di 12…15 mA. Per aumentare la corrente ci vorrebbe un trasformatore speciale come spiegato nel prossimo capitolo.

In tutti i casi è bene che il trasformatore abbia i due avvolgimenti separati da un divisore di plastica. Se il trasformatore è costruito con il divisore allora si ottiene un isolamento sicuro e si potrebbe utilizzare l’apparecchio anche quando è collegato all’alimentatore che carica le batterie.


Incrementare la corrente di uscita

Per quasi tutte le persone una corrente di 12…15 mA è già sufficiente e anche troppa. Ma qualcuno potrebbe volerla aumentare fino ai livelli degli apparecchi commerciali più potenti.

Per ottenere una corrente massima di 50 mA e oltre ci vorrebbe un trasformatore con 50…100 mH dal lato a bassa tensione e 200…400 mH dal lato degli elettrodi di uscita. In pratica il rapporto di spire dovrebbe essere circa due e quindi il rapporto tra le impedenze circa quattro volte.

  • Utilizzare un trasformatore appositamente costruito per gli apparecchi TENS.
  • Costruire questo trasformatore con un nucleo in ferrite a doppia “U” e due avvolgimenti separati, uno su una gamba e uno sull’altra.
  • Cercare un trasformatore che abbia due avvolgimenti separati, uno da 12 volt e uno da 24 volt. Ma in questo caso si dovrebbe eliminare l’avvolgimento che era previsto per il 220 volt per evitare che su di esso si sviluppino tensioni troppo alte in grado di bucare l’isolamento del suo filo smaltato.
  • Oppure si potrebbe utilizzare un trasformatore da 12 v con primario a 110 o 220 volt e eliminare dal primario gran parte del filo fino a che la sua impedenza diventi quattro volte quella dell’avvolgimento a 12 volt.

Limitare la tensione di uscita

Se si utilizza un trasformatore da 110 o 220 volt si ottiene una uscita quasi a corrente costante. Questo vuol dire che se la resistenza tra gli elettrodi aumenta allora anche la tensione aumenta proporzionalmente e la corrente rimane quasi la stessa. Secondo alcuni autori questo è desiderabile perché le differenze di resistenza delle varie parti del corpo vengono compensate automaticamente.

Questo modo di funzionamento però richiede che gli elettrodi siano sempre ben inumiditi e applicati correttamente. Se un elettrodo facesse un contatto instabile la resistenza in quel punto potrebbe salire e la tensione salirebbe anch’essa per compensare. In alcuni casi la tensione potrebbe salire a molte centinaia di volt e si potrebbero avere sensazioni molto fastidiose nel punto di contatto o addirittura delle piccole bruciature.

Per cui molti apparecchi professionali utilizzano una via di mezzo tra la corrente costante e la tensione costante e in pratica limitano la tensione di uscita a circa 80 volt, anche con elettrodi completamente scollegati e con la corrente di uscita impostata al massimo.

Per ottenere anche noi il funzionamento con limite a circa 80 volt abbiamo due possibilità:

  1. Utilizzare un trasformatore apposito come spiegato nel capitolo precedente “Il trasformatore”. Questa è la soluzione usata dagli apparecchi commerciali e permette anche di ottenere una corrente massima maggiore;
  2. Utilizzare i trasformatori da 110 o 220 v che sono facili da trovare e aggiungere un resistore da 22k (da un quarto di watt) in parallelo ai due poli di uscita.

Pilotare il circuito con un segnale PWM

Si parte da una uscita Pwm del Master e con poche istruzioni software si possono ottenere tutte le ripetizioni che si vogliono da 1 Hz a 100 Hz e oltre. E sempre attraverso il segnale Pwm si può regolare la corrente da zero milliampere fino a una corrente dolorosa.

Regolazione della corrente
Regolando il Duty-Cycle del Pwm da 0 mS a 2 mS (da 0 a 500 sullo Slot) si varia la corrente degli impulsi da zero a poco più di dieci mA.
Si può anche regolare il Pwm oltre i 2 mS e la corrente cresce ancora ma non si può più arrivare alla massima frequenza di ripetizione (250 Hz) perché in tal caso la corrente viene limitata da R2 che fa scendere la tensione di alimentazione.

Regolazione della ripetizione nel software
1) Si imposta nello Slot relativo al Pin Pwm un numero da 0 a 1000 che regola la corrente desiderata.
2) Si attendono circa 3…10 mS per dar tempo al Master di emettere da uno ad alcuni impulsi.
3) Si imposta nello Slot relativo al Pin Pwm uno zero per fermare il Pwm.
4) Si attende un tempo da zero (ripetizione 250 Hz) fino a un secondo (ripetizione 1 Hz)
5) Si ripete dal punto 1


Download del progetto

Progetto del Theremino_TENS_V1
Questo è il progetto completo del PCB in formato Eagle, con schemi, piani di montaggio, simulazioni ltspice, GCode per la fresa e immagini 3D.
Theremino_TENS_V1 (file zip da 2 MByte)

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