Moisés Jiménez León Estimulador electrico para la...

Informe Proyecto de Título de Ingeniero Civil Electrónico

Moisés Jiménez León

Estimulador electrico para la rehabilitación muscular

Escuela de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

Valparaíso, 12 de octubre de 2018

Moisés Guillermo Jiménez León

Informe Final para optar al título de Ingeniero Civil Electrónico,

aprobada por la comisión de la

Escuela de Ingeniería Eléctrica de la

Facultad de Ingeniería de la

Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

conformada por

Sr. Juan Vignolo Barchiesi

Profesor Guía

Sr. Sebastian Fingerhurt

Segundo Revisor

Sr. Jorge Mendoza Baeza

Director de Escuela


Título completo del documento

A mi madre por ser quién me ha guiado sin límites a conseguir lo inimaginable.

Agradecimientos Gracias a mi madre por ser un ejemplo a seguir y por creer que todo es posible. Mis hermanos y

familia por demostrar que puedo contar con ellos en cada momento y a Kirsten por ser un

partner ideal en todo lo que alguien podría pedir.


Moisés Jiménez León.

Resumen El desarrollo del presente proyecto, consiste en el diseño y la fabricación de un estimulador

eléctrico para la rehabilitación muscular mediante la aplicación de pulsos de corriente. El

sistema consta de dos canales que permiten estimular, por separado, a dos grupos musculares.

Para la estimulación muscular se implementó un sistema que consta de una etapa de potencia

que a través un puente H de corriente permite obtener los pulsos bipolares necesarios para

producir la estimulación a una frecuencia de 2 kHz. La frecuencia está fijada sólo por una etapa,

compuesta por un oscilador y un sistema de interruptores de alta velocidad.

El sistema permite prefijar la amplitud de la corriente que se desea aplicar con el uso de un

potenciómetro por cada canal. Además se utiliza un botón por canal que permite activar la

estimulación durante el tiempo que se mantenga presionado; para procesar estas órdenes se

utilizó una placa Arduino que es la encargada de leer la información externa y mediante un

conversor D/A, enviar la estimulación que se desea aplicar a la etapa de switching y

posteriormente a la etapa de potencia.

Se logró flexionar la muñeca de los sujetos de prueba y también la rodilla mediante la

estimulación, lo que permitió registrar los valores de corrientes mínimas de estimulación.

Palabras clave: Estimulación, conversor D/A, Muscular, potencia.

Abstract

The presented project consists of the design and implementation of a system for the electrical

stimulation of different muscle groups, with the objetive of the rehabilitation of said muscles.

The process of stimulation will be executed via the aplication of modulated current pulses. The

system operates by utilizing two different channels, thus allowing us to stimulate two different

muscle groups in separate ways.

In order to effect the muscular stimulation, the system utilizes two different main stages, ths

first of which is a stage of power, which is managed for an H current bridge. The H current

bridge gives us the possibility to apply bipolar pulses, which are necessary to produce the

electrical stimulation of the muscles with a fixed frequency of 2 kHz. The frequency is fixed for

only one of the stages, and is comprised of one oscilator and a system of high-speed switches.

The system allows one to preset the amplitude of the current, which is applied by using a

potentiometer for each channel. It is also possible to use a button for each channel, which

allows one to activate the stimulation during the time that the button is being pressed. In order

to process these commands, the system utilizes an Arduino board, which is in charge of reading

the external information using a digital analog conversor, sending the stimulation that needs to

be applied to the switching stage, which finally then continues onward to the power stage.

In conclusion: in applying the above-described electrical stimulation, it was possible to effect a

flicking movement in the wrist of the test users; it was also possible to cause a jerk/flick of the

knee when the electrical stimulation was applied. This allows us to understand the minimum

values of current needed to generate a stimulation.

Key words: stimulation, digital analog converter, muscles, power.

Índice general

Índice general Introducción ................................................................................................................. 1

Objetivos generales ............................................................................................................................. 3

1 Descripción del proyecto. ........................................................................................ 4 1.1 Descripción general del proyecto. ............................................................................................... 4 1.2 Objetivos específicos. ................................................................................................................... 4

2 Electroterapia. ........................................................................................................... 6 2.1.1 Introducción a la electroterapia. ....................................................................................... 6

2.2 Fisiología Esqueleto – Muscular. ................................................................................................. 7 2.3 Carácterísticas de las corrientes. ................................................................................................. 8

2.3.1 Pulsos de corrientes. .......................................................................................................... 8 2.3.2 Clasificación según la frecuencia de la corriente. ........................................................... 9 2.3.3 Clasificación según la aplicación de la corriente. .......................................................... 10 2.3.4 Corrientes Bipolares. ........................................................................................................ 11

3 Señales y rangos de operación para la estimulación. ......................................... 13 3.1 Introduccion al capítulo. ............................................................................................................ 13 3.2 Parámetros observados en otros estimuladores. ..................................................................... 13

4 Descripción del sistema desarrollado. ................................................................. 18 4.1 Descripción general del sistema. ............................................................................................... 18

4.1.1 Sección análoga. ............................................................................................................... 18 4.1.2 Etapa de control................................................................................................................ 19

4.2 Implementación sección análoga. ............................................................................................ 19 4.2.1 Etapa de potencia. ............................................................................................................ 19 4.2.2 Conversor digital/análogo. ............................................................................................. 21 4.2.3 Oscilador y conmutador. ................................................................................................. 24

4.3 Implementación sección digital. ............................................................................................... 27 4.4 Construcción del circuito. .......................................................................................................... 32

5 Pruebas realizadas. ................................................................................................. 34 5.1 Diseño del experimento. ............................................................................................................ 34

5.1.1 Objetivos. .......................................................................................................................... 34 5.1.2 Mediciones a realizar. ...................................................................................................... 34 5.1.3 Procedimiento. ................................................................................................................. 35 5.1.4 Resultados obtenidos. ...................................................................................................... 35

Discusión y conclusiones .......................................................................................... 46

Bibliografía ................................................................................................................. 49

1

Introducción En Chile existe cerca de un 5.9% de población con discapacidades y problemas en el sistema

nervioso [1], dentro de estas discapacidades se encuentra la Hemiplejia y las discapacidades

producidas por accidentes cardiovasculares y por daños en la medula espinal. Existe un

porcentaje de la población nacional expectante por tener mejores oportunidades de

recuperación y tratamientos en sus diversas condiciones. Investigar y desarrollar proyectos en

áreas que puedan suplir estas necesidades es una tarea fundamental y además enriquecedora

que se condice con la visión que genera en sus alumnos la PUCV como casa de estudio.

Con el objetivo de generar conocimientos acerca de áreas como la electroterapia y poder

entregar elementos que contribuyan a la investigación de estas, se hace un enfoque de prototipo

para el proyecto desarrollado. Se busca tener una primera aproximación a la electroterapia por

parte de LABSEI con la intención de poder generar proyectos complementarios o de mejorías

para el área mencionada.

La instrumentación electrónica y la generación de señales de forma digital, entre otras

especialidades, permitirán describir de una forma técnica y comprensible, desde el punto de

vista electrónico, los fenómenos detrás del sistema desarrollado en el presente informe.

Se busca entonces, desarrollar un sistema de estimulación muscular mediante la aplicación de

corrientes eléctricas moduladas y controladas, dichas corrientes y sus parámetros han sido

estudiados en detalle durante la primera etapa del desarrollo del sistema para poder tener

claridad en el objetivo final a desarrollar desde el punto de vista de una máquina que permitirá

estimular ciertos grupos musculares.

El electro estimulador, diseñado, cuenta con dos etapas principales en su funcionamiento y

desarrollo. Las distintas etapas serán abordadas de forma independiente, ambas etapas serán

integradas finalmente para el funcionamiento del sistema completo. El estudio de un electro

estimulador comercial presentó cierta efectividad a la hora de generar la estimulación de

diversos grupos musculares e incluso la flexión de la articulación de la muñeca, siendo este el

Introducción

2

movimiento que se desea generar con el desarrollado en el presente informe. Basados en las

pruebas de dicho estimulador comercial se pudieron obtener parámetros de referencias para la

estimulación en cargas reales, con el objetivo de poder tener referencias a la hora de comenzar

a operar con el sistema a construir. Las pruebas realizadas permitieron tener nociones y

referencias de como operar a medida que el proyecto avanza. Además de poder visualizar de

forma directa el funcionamiento de un sistema de estimulación muscular.

Dentro de las etapas desarrolladas, la etapa de potencia fue la que presentó el mayor riesgo de

presentar problemas durante su implementación. En caso de no ser capaz de generar la

estimulación requerida, el proyecto no podría continuar con el desarrollo propuesto. Es,

entonces, esa una de las razones principales por la que se optó por comenzar el curso de

Proyecto de Titulación con el diseño, implementación y prueba de la etapa de potencia, para

luego poder continuar con las siguientes secciones del proyecto que se encargarán de tareas

como: Generar la señal deseada y mediar entre el usuario y la estimulación mediante un sistema

de control compuesto por potenciómetros y pulsadores quienes serán los encargados de

ordenar la intensidad y la duración de la estimulación.

Finalmente el sistema contará con una etapa de control comandada por un Arduino UNO,

quien será el encargado de leer los potenciómetros y además enviar la intensidad de la señal que

se desea aplicar mediante la salida a un conversor D/A el cual funcionará como enlace entre las

etapas de control y potencia. El Arduino UNO, hará el papel de cerebro del sistema, definiendo

entonces cada parámetro de los pulsos de corrientes que serán aplicados a el usuario del

sistema. La etapa digital del sistema cuenta con un control directo por parte del usuario,

permitiendo esto poder definir la amplitud de pulso de corriente aplicado y la duración del

anterior. Parámetros como la frecuencia de los pulsos aplicados, quedará estable.

El proceso de construcción de la máquina de estimulación muscular, comienza con el estudio

de la materia de electro terapia y estimulaciones musculares mediante pulsos de corrientes

eléctricas, lo anterior, debido a que es necesario comprender de forma clara que se debe aplicar

para generar la estimulación y con ello claro poder comenzar a desarrollar un sistema que

permita responder al cómo se va a aplicar la estimulación.

Introducción

3

Objetivos generales

Realizar un estudio del funcionamiento de la estimulación eléctrica muscular.

Comprender los parámetros detrás de la estimulación eléctrica muscular.

Definir la factibilidad de construir un sistema de estimulación muscular mediante

pulsos de corrientes eléctricas.

Generar estímulos eléctricos a través de la maquina construida para generar una

activación muscular.

Crear la base para futuros proyectos relacionados con la electro estimulación.

4

1 Descripción del proyecto. 1.1 Descripción general del proyecto.

El presente proyecto consiste en el desarrollo de un estimulador eléctrico para la recuperación

muscular. Durante el proceso de investigación, se encontraron los valores óptimos para los

parámetros más importantes involucrados en la producción de los estímulos eléctricos de la

máquina diseñada. El estimulador aplicará secuencias de impulsos eléctricos en los músculos

del ante brazo, generando de esta forma, la estimulación de la zona antes mencionada.

Produciendo una flexión en la articulación de la muñeca. A su vez, se evaluaron diferentes

opciones, de controles posibles, que al implementarse sean capaz de generar un sistema que

permita ser operado en forma autónoma por el usuario. Siendo este sistema lo más simple

posible para su uso.

El prototipo desarrollado, permitió probar su efectividad en pruebas físicas. Por lo que dentro de

las ambiciones de este proyecto está el fomentar y estimular la investigación en lo referente al

área de la electro estimulación, llevándose a cabo , entonces, un primer acercamiento a este tipo

de sistemas; Además de generar conocimientos que permitan continuar, a futuro, con el

desarrollo e implementación de mejoras y complementos al sistema original.

1.2 Objetivos específicos.

Se considera en primera instancia realizar un estudio de las características principales de la

electro terapia para poder definir y comprender los requerimientos de los impulsos eléctricos

necesarios para producir una contracción muscular. Se busca desarrollar un prototipo funcional

que genere secuencias de impulsos de corriente eléctrica. Los impulsos de corriente deben

cumplir con ciertos parámetros específicos de amplitud y frecuencia en su salida.

La aplicación de las corrientes estimulantes se realizará mediante los canales de salida de la

máquina. Dichos canales serán fijados para aplicar las corrientes en uno de los antebrazos de

las personas, específicamente en el grupo muscular encargado de flectar la muñeca (músculos

agonistas) y en el grupo muscular encargado de extender la articulación de la muñeca

(músculos antagonistas). Los parámetros y secuencias presentadas por el estimulador estarán

1 Descripción del proyecto.

5

abocados a generar la activación de estos grupos musculares. El usuario tiene la posibilidad de

pre-fijar mediante los potenciómetros el valor de la amplitud que se desea aplicar en cada canal

de salida y además poder elegir en tiempo real la duración del estímulo mediante un botón por

cada canal, permitiendo al usuario tener un control total sobre la estimulación de una forma

simple.

6

2 Electroterapia. 2.1.1 Introducción a la electroterapia.

La electroterapia es una disciplina que se engloba dentro de la medicina física y la

rehabilitación, y se define como el arte y la ciencia del tratamiento de lesiones y enfermedades

por medio de la electricidad [2]. Dentro de la electroterapia se encuentra la estimulación

eléctrica funcional (FES), la cual es una técnica que mediante corrientes eléctricas activa los

nervios que inervan las extremidades afectadas por parálisis resultantes por distintas causas

como lesiones en la médula espinal, lesiones cerebrales y accidentes cerebro vasculares entre

otros [3]. Su principal función es de restaurar la función muscular en personas con

discapacidad, en algunos casos se llama también estimulación eléctrica neuromuscular (NMES).

Además de la fisioterapia convencional y la terapia ocupacional, la técnica más utilizada para

mejorar la función motora en pacientes con SCI es la estimulación eléctrica funcional (FES), con

la que se producen contracciones en los músculos paralizados, dichas contracciones pueden ser

controladas. Las articulaciones se accionan mediante la estimulación de varios músculos que

ejercen un torque en la articulación, el ángulo resultante de la articulación puede ser controlado

por la modulación de intensidad de los pulsos ejercidos en el músculo flector y extensor, los

cuales actúan en direcciones opuestas.

Los FES pueden utilizar sistemas de control de lazo abierto o sistemas de control de tiempo

finito para dichas funciones. En el caso de FES con sistemas de control en tiempo finito, se

ejecuta una secuencia de estimulación prefijada en modo de ciclo abierto cuando se cumple

una condición específica. Un ejemplo de FES con sistema de control en tiempo finito, es

utilizado en ¨Dropfoot¨ daño que se caracteriza por la incapacidad de levantar los dedos del pie

o el pie completo desde el tobillo, en ese caso, el sistema FES utiliza un sensor para detectar

cuando el talón del usuario se levanta del suelo y luego estimula los músculos flexores del tobillo

permitiendo al usuario realizar un pivote en su pie y dar un paso.

2 Electroterapia.

7

2.2 Fisiología Esqueleto – Muscular.

La función del sistema esqueleto muscular es mantener la posición del cuerpo y producir

movimientos, la acción de este sistema está controlada por el sistema nervioso. La producción

de la tensión en el sistema esqueleto muscular se logra por una estimulación secuencial a las

unidades motoras adyacentes llamadas también MU, cada unidad motora se contrae después

de una estimulación previa, y la tensión muscular total es la suma de las tensiones individuales

de las unidades motoras [4].

Los músculos dependiendo de su objetivo pueden tener más o menos unidades motoras. Los

músculos de las piernas tienen pocas unidades motoras con muchas fibras cada una, por otro

lado, los músculos faciales tienen muchas unidades motoras y cada una incluye un número

pequeño de fibras. El cuerpo recluta un número variante de unidades motoras dependiendo de

la tarea, por ejemplo, en una tarea que requiere un máximo esfuerzo muscular se usaran todas

las unidades en el músculo, activando una gran cantidad de fibras para estos [4].

Un impulso de una neurona motora resulta en una rápida contracción de una unidad motora,

pero las neuronas motoras pueden entregar un tren de impulsos, los que producen que la fibra

se mantenga en contracción constante en la porción muscular dirigida por esa unidad motora,

en músculos voluntarios esta tensión constante y sostenida se conoce como contracción

tetánica y se produce entonces mediante la activación de las unidades motoras adyacentes de

una manera secuencial a una frecuencia de entre 6Hz y 8 Hz [4].

Actualmente se cree que los FES reclutan en primer lugar las fibras de rápida contracción y

luego las de lenta contracción, el orden de reclutamiento es opuesto al orden naturalmente

producido por el sistema fibro-muscular, el tipo de reclutamiento no fisiológico se debe a que

las fibras de contracción rápida están inervadas por axones con un mayor diámetro que las

fibras de respuesta lenta, el mayor diámetro capta más el campo eléctrico por lo que las fibras de

respuesta rápida responden a los FES con niveles más bajos de estimulación que las fibras de

respuesta lenta, es por esto que las fibras de respuesta rápida se fatigan más rápido [4]. El torque

generado por una articulación depende de los músculos flexores y extensores de la articulación,

por lo que el ángulo de la articulación se puede controlar modulando la amplitud del pulso, la

frecuencia y la duración.

2 Electroterapia.

8

Figura 2-1 : Suma de tensiones en una unidad motora. (Fuente: www.booksmedicos.org)

Es posible aumentar la resistencia a la fatiga mediante un entrenamiento de estimulación

eléctrica intensiva utilizando FES, dicho entrenamiento produce un aumento en el volumen y

fuerza del músculo, lo que aumenta la resistencia a la fatiga de este.

2.3 Carácterísticas de las corrientes.

En electroterapia existe una amplia variedad de corrientes y pulsos utilizados, los cuales han ido

evolucionando a través del tiempo. En un principio se utilizaron corrientes continuas conocidas

también como corrientes Galvánicas, las cuales producen electrólisis en los tejidos y a su vez

producen migración iónica en las soluciones salinas orgánicas. En las cercanías de los

electrodos se produce entonces una acumulación de iones opuestos al electrodo y esto produce

una reacción local con diversos efectos fisiológicos. Consecuentemente la utilización de

corrientes continuas es muy baja, ya que han sido superadas con ventajas por las otras

modalidades, como lo son las corrientes pulsantes.

2.3.1 Pulsos de corrientes.

Los pulsos de constituyen la base de las corrientes de baja frecuencia. Con parámetros

adecuados se busca despolarizar la membrana de la fibra nerviosa o muscular y producir su

excitación de forma artificial. Se deberán conocer y elegir en cada aplicación los parámetros

adecuados del pulso a aplicar. En la práctica se utilizan duraciones de pulso de 0.01 ms a 10

ms para la estimulación del nervio motor y de entre 50 ms a 500 ms para estimular fibras

musculares desnervadas. Se debe considerar además que los pulsos cortos son mejor

tolerados, aunque mientras más corto el pulso, se requiere una mayor intensidad de

corriente para producir el mismo efecto.

2 Electroterapia.

9

La pausa entre los pulsos debe ser al menos el doble de la duración del pulso, lo que permite

una recuperación de la fibra estimulada y además evita que el pulso siguiente caiga en el

periodo refractario.

El periodo de los trenes de pulso o periodo de estimulación viene dado por la suma de la

duración del pulso y la duración de la pausa, por lo que la frecuencia de estimulación es

entonces el inverso de dicho valor. Los nervios admiten frecuencias de estimulación de hasta

1000 Hz pero se suelen utilizar en las aplicaciones clínicas frecuencias inferiores a los 300 Hz.

La intensidad del mulso está siempre en el rango de mili Amperes (mA).

Existe una relación directa entre la intensidad necesaria y la duración del pulso. Los tipos de

pulsos suelen ser rectangulares, pero dentro de estos se destacan los pulsos bifásicos

simétricos, los cuales aplican una intensidad de corriente negativa e inmediatamente

después aplican la misma intensidad de corriente positiva, neutralizando el efecto galvánico,

esto mejora la tolerancia de la piel.

La modulación en amplitud permite definir las pendientes de ascenso y descenso del pulso,

ayudando a que las contracciones musculares partan y terminen suavemente.

Figura 2-2 : Forma de onda bifásica simétrica balanceada.

2.3.2 Clasificación según la frecuencia de la corriente.

Las corrientes utilizadas en electroterapia se dividen a grandes rasgos en tres grupos:

Corrientes galvánicas, son corrientes continuas unidireccionales con polaridad e

intensidad fija.

Las corrientes de baja frecuencia, dichas corrientes son pulsos eléctricos que producen

una estimulación nerviosa y muscular. Dentro de estas se encuentran las corrientes

T.E.N.S la cual es una corriente analgésica. La corriente T.E.N.S se caracteriza por pulsos

menores a 0.2 ms con frecuencias entre 50Hz y 150 Hz, también están las corrientes

2 Electroterapia.

10

excito-motoras, que son las que generan la excitación muscular, dichas corrientes no

superan los 500 Hz [5].

Las corrientes de frecuencia media, oscilan entre 1 kHz y 10 kHz, tienen la capacidad de

disminuir la impedancia de la piel, permitiendo una mayor facilidad de penetración y

mejor efecto con una dosis menor [5].

Figura 2-3: Modulación en amplitud de la secuencia bifásica.

2.3.3 Clasificación según la aplicación de la corriente.

Una división importante es entre las corrientes analgésicas y las corrientes excito-motoras. Las corrientes analgésicas estimulan las fibras nerviosas aferentes, esto con el fin de influir en los centros de modulación del dolor. Cada fibra aferente responde a una determinada gama de frecuencias lo cual complica la individualización de estas pero se pueden conseguir acciones analgésicas con diversas modalidades de corriente de baja frecuencia y media frecuencia modulada o interferencial. La acción dependerá de la frecuencia e intensidad aplicada.

Las corrientes excito-motoras, funcionan bajo el siguiente principio. Un pulso negativo en la proximidad de un nervio despolariza su membrana lo que disminuye el potencial de reposo, cuando se alcanza cierto umbral se produce una excitación, dicho potencial de acción generado se propaga hasta la unión neuromuscular. Para la excitación muscular se supone la ley del todo o nada, es decir que una vez que el pulso supera el umbral produce una respuesta idéntica, independiente de la intensidad aplicada. Las fibras responden a impulsos de intensidad

2 Electroterapia.

11

creciente de forma escalonada, por lo que depende del umbral y de la proximidad del electrodo al punto motor. Para una mejor respuesta se debe estimular el punto motor del músculo, es decir donde existe la mayor concentración de fibras nerviosas. La estimulación con corrientes excito-motoras se divide en dos tipos principalmente.

Estimulación con inervación: esta estimulación es vía nervio. Se utilizan pulsos

bifásicos compensados con tramas moduladas en amplitud generando intensidad creciente y luego decreciente, cada pulso genera un potencial de acción en el nervio. Como el musculo es lento en su contracción y relajación en frecuencias iguales o superiores a los 30 Hz no se logra relajar por lo que se mantiene en contracción permanente.

Estimulación de un musculo desnervado: en este caso existe una interrupción en la vía de los impulsos nerviosos, es decir los nervios no son utilizados pues no activan los músculos, por ello se estimula directamente el musculo con pulsos de larga duración, superando los 100 ms. Se utilizan pulsos exponenciales, los que aprovechan diferentes capacidades de acomodación nervio-músculo y se acerca a una respuesta selectiva del músculo desnervado, dicha terapia se denomina denominada terapia exponencial y los electrodos se pueden ubicar en cualquier zona del músculo.

2.3.4 Corrientes Bipolares.

Las corrientes bipolares directas y bipolares moduladas exógenamente inducen una

transferencia de carga en el tejido e inmediatamente después inducen una transferencia de

carga fuera del tejido, dicho tipo de patrones de carga evita las componentes galvánicas que

pueden causar daños, además producen acciones tanto analgésicas como excito-motoras en

profundidad. Dentro de las corrientes de frecuencia media se destacan las corrientes bipolares

interferenciales, lo cual es la aplicación de dos corrientes independientes que al interferirse una

con otra producen una corriente de baja frecuencia en profundidad y dentro del cuerpo del

paciente, la frecuencia resultante se puede modular en amplitud y frecuencia. Se suele utilizar

en estas una frecuencia fija de 4 kHz modulada.

Se ha demostrado que para una impedancia de la piel de 3 kΩ a 50 Hz se puede obtener una

equivalente de 80 Ω para una corriente de 2 kHz y en el caso de 4kHz una impedancia de 41 Ω

[6], lo que evidencia el aumento de la permeabilidad de los tejidos cuando aumenta la

frecuencia, permitiendo una mayor facilidad de penetración de la corriente y un mejor efecto de

esta. A su vez aumenta el umbral de sensibilidad con la frecuencia lo que permite aplicar

mayores intensidades.

Para las frecuencias de modulación se pueden hacer dos divisiones. Las frecuencias entre (75-

100 Hz) son adecuadas para producir analgesia mediante un proceso similar utilizado en

corrientes T.E.N.S y estimular fibras de mayor diámetro, y las frecuencias entre (25-50 Hz)

producen contracciones musculares, y aumento de irrigación en la zona estimulada [6].

2 Electroterapia.

12

Figura 2-4: Modalidades de corrientes bipolares. (Fuente: www.wikipedia.org)

13

3 Señales y rangos de operación para la estimulación. 3.1 Introduccion al capítulo.

Mediante la aplicación de corrientes eléctricas se busca generar una estimulación muscular que

permita la activación de estructuras musculares y de esa forma poder obtener el movimiento

deseado, mover la muñeca. La aplicación de la corriente se llevará a cabo en el antebrazo del

usuario. Se han observado rangos de operación específicos para la estimulación de fibras

musculares. Las corrientes que han tenido mejor desempeño en pruebas realizadas en diversos

estudios y además las que suelen ser más implementadas en sistemas actuales son las

denominadas corrientes bifásicas moduladas, las cuales consisten en corrientes bifásicas que se

pueden modular en amplitud para generar una activación muscular más paulatina y menos

brusca, además debido a su alta frecuencia portadora permite traspasar las capas de piel y

tejidos pudiendo llegar de forma eficiente al punto motor y generar la activación muscular

deseada, por lo que esta corriente es la base sobre la cual se desarrolló la estimulación el sistema

Dentro de los parámetros relevantes para manejar la estimulación se encuentran la amplitud de

los pulsos de corriente, la frecuencia de dichos pulsos y el ancho de los pulsos, dichos

parámetros se espera puedan ser fijados por el usuario dentro de los rangos determinados, para

de esta forma adaptarse al paciente y a sus necesidades. No todas las personas necesitan el

mismo nivel de estimulación para llevar a cabo una actividad determinada [7].

3.2 Parámetros observados en otros estimuladores.

Las mediciones realizadas a un TENS comercial, consistieron en principalmente conectar dos

tipos de electrodos con áreas distintas. En primera instancia se conectaron electrodos circulares

en un área de 8 cm cuadrados, posteriormente se conectó un electrodo rectangular con un área

de 50 cm cuadrados. Ambos electrodos presentan diferencias considerables en la superficie de

contacto con la piel.

3 Señales y rangos de operación para la estimulación.

14

Como carga se utilizó un arreglo de resistencias entre 500 Ω y 9.5 kΩ para poder cubrir un rango

amplio y lograr ubicar dentro de este rango cargas reales. Además del arreglo de resistencia se

utilizó como carga real mediante la conexión con los electrodos tres brazos distintos y los

músculos de una pierna. Se pudo observar y estimar un rango aproximado de donde debería

estar ubicado como carga el usuario. Se destaca la diferencia entre los tres brazos distintos,

pertenecientes a personas distintas con composiciones de grasa y musculatura variable lo cual

se puede observar en los valores registrados.

Tabla 3-1: Voltajes aplicados con cargas resistivas.

Resistencia [Ω] Voltaje Max [V] Voltaje Min [V] Vp-p [V]

1000 19.2 -0.8 20

1500 24 -1.6 25.6

2500 63 -9.9 72.9

3000 64 -9.8 73.8

4000 84 -14.4 98.4

5000 86 -15 101

6000 87 -15.8 102.8

7400 100 -18 118

brazo 1 96 -25 121

9600 110 -20 130

vacío 110 -25 135

En la tabla anterior se puede observar que el voltaje a medida que aumenta la carga aumenta de

forma constante, esto deja entre ver que el principio el TENS se comporta como una fuente de

corriente ya que intenta mantener el valor de la corriente constante a medida que aumenta la

resistencia de carga.


15

020406080

100120140160

0 2 4 6 8 10 12

Volts

Resistencia Ohms

Voltaje peak to peak con electrodos circulares

Figura 3-1: Voltaje peak to peak con electrodos circulares.


16

Tabla 3-2: Voltaje aplicado a cargas resistivas y reales.

Resistencia [Ω] Voltaje Max [V] Voltaje Min [V] V p-p [V]

1000 0 0 0

1500 16 -0.8 16.8

2500 42 -4 46

3000 50 -6 56

brazo 1 42.4 -12.8 55.2

brazo 3 50.4 -12.8 63.2

brazo 2 64.8 -17.6 82.4

pierna 69.6 -16 85.6

4000 76 -12 88

5000 81 -14 95

6000 88 -16 104

7400 96 -16 112

9600 106 -20 126

vacío 110 -28 138

Para las cargas reales se registraron valores cercanos a los 3.5 kΩ, siendo estos valores no muy

variantes entre los tres brazos. Cabe destacar que el brazo uno presenta una masa total

considerablemente menor a los otros dos brazos con un porcentaje de grasa mucho menor y

menor diámetro, lo cual se ve reflejado en los valores obtenidos. El hecho de poder ubicar las

tres cargas reales dentro de un rango cercano es de mucha ayuda ya que se puede deducir que la

carga con la cual se deberá trabajar estará en el rango de los 3 kΩ.


17

Finalmente, mediante las distintas pruebas e iteraciones con cargas reales se buscaba encontrar

los valores necesarios para poder producir la estimulación en los músculos del antebrazo.

Se obtuvieron valores que de forma experimental generaron la estimulación y en base a estos se

realizó una tabla resumen con los rangos de operación del electro estimulador a desarrollar en el

proyecto.

Tabla 3-3 : Valores definidos para producir la estimulación.

Parámetro Valor Mínimo Valor Máximo Resolución

Frecuencia de Estimulación 2 kHz 2 kHz -

Amplitud de Corriente 0 mA 32 mA 2mA

Voltaje Aplicado 0 V 90 Vptp -

Se puede observar finalmente que lo importante para poder realizar una electro estimulación de

forma correcta es necesario definir de forma clara los parámetros a utilizar, siendo la resolución,

el parámetro que dará la posibilidad de aumentar o disminuir la intensidad de la estimulación

mediante la variabilidad de la amplitud de los pulsos de corriente. Los valores de frecuencia se

mantendrán fijos y el voltaje será directamente definido por la corriente aplicada.

020406080

100120140160

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Volts

Resistencia Ohms

Voltaje peak to peak con electrodos cuadrados

Figura 3-2: Voltaje peak to peak con electrodos cuadrados.

18

4 Descripción del sistema desarrollado.

4.1 Descripción general del sistema.

El electro estimulador desarrollado se divide básicamente en dos secciones importantes, una

sección denominada como sección análoga que incluye la etapa de potencia, la conversión

digital/análoga y el circuito oscilador encargado de entregar los 2 kHz de frecuencia necesarios

para estimular. Dicha sección es controlada por la otra mitad del sistema que consiste en la

etapa de control. La etapa de control cuenta con un Arduino UNO como cerebro principal del

proceso de control y se cataloga como la sección digital del sistema.

4.1.1 Sección análoga.

Dicha etapa cuenta con un puente H de corriente elemento principal. Dicho puente H de

corriente cuenta con cuatro transistores de potencia. Los transistores de potencia están

separados en dos grupos, los transistores del grupo A y los transistores del grupo B. Los

transistores del grupo A son transistores NPN con capacidad de manejar 250 Volts y 500 mA en

su voltaje colector emisor. Los valores descritos pueden parecer elevados, dichos valores son por

seguridad, debido a que se trabajara con personas y la salida será manejada por estos dos grupos

de transistores directamente. Con altos márgenes de seguridad se logra evitar posibles fallas. En

el emisor de ambos transistores del grupo A se puede conectar un osciloscopio donde se

observara de forma clara la corriente generada. El otro grupo de transistores B consiste en dos

transistores PNP capaces de manejar los mismos niveles de voltaje y corriente que el grupo A,

siendo los dos transistores superiores del puente H. Ambos transistores están controlados por

dos transistores de menores características y se rigen por los pulsos provenientes de la etapa de

generación de secuencias.

En la sección análoga también se cuenta con la implementación del conversor D/A y el circuito

oscilador. Ambos elementos permiten la conexión entre la sección digital y la sección análoga.


19

4.1.2 Etapa de control.

La etapa de control es la encargada de leer las órdenes externas para saber cuándo aplicar los

pulsos de corrientes necesarios para estimular y durante cuánto tiempo se realizara la

estimulación. Consta con Arduino UNO como parte central. Las entradas análogas permitirán

leer la amplitud de corriente deseada para estimular mediante dos potenciómetros (uno por

cada canal) y el tiempo que se aplicará la estimulación mediante dos pulsadores (uno por cada

canal). Además esta etapa permitirá visualizar en tiempo real la amplitud de corriente aplicada

en la salida de cada canal mediante una pantalla LCD, siendo finalmente la encargada de enviar

los pulsos al conversor D/A que tiene en su salida y a través del cual se realiza la estimulación

del puente H de corriente.

4.2 Implementación sección análoga.

A continuación se explica el funcionamiento detallado y construcción de la sección análoga del

sistema.

4.2.1 Etapa de potencia.

Para las primeras pruebas de la etapa de potencia, se implementó el circuito con una señal de

entrada proveniente de un generador de funciones. El circuito funciona como una fuente de

corriente y por ende mantiene el valor de la corriente fijada independiente de la variación en la

carga. En pruebas realizadas con voltajes de 50 V en la fuente se fijó una corriente de 30 mA y se

probaron cargas de 100 Ω, 300 Ω y 1000 Ω y se pudo observar como la corriente se mantuvo fija

sin variar su forma de onda y ajustándose a la carga.

El circuito funciona recibiendo en su entrada una onda cuadrada de 2.5 V de amplitud a una

frecuencia de 2 kHz. La señal se separa en dos canales distintos y mediante un arreglo de

inversores quedaran en contra fase, cada canal es un espejo del otro. El puente H de corriente

funciona saturando transistor y luego , no pudiendo ocurrir una saturación de transistores

de una misma rama al mismo momento ya que de ocurrir se produciría un corto circuito. La

señal luego de salir de los inversores toma dos caminos distintos para activar y . Para la

activación del transistor la señal entra a un arreglo de una resistencia de 10 kΩ en paralelo

con un capacitor de 4.7nF, el objetivo del arreglo es solucionar un desfase temporal en la restas

de las dos señales (canal uno y canal dos) que resultaba en una diferencia de 40 μs. Terminó

concluyéndose que era un tiempo de recuperación del transistor con la resistencia de 4.7 kΩ con

la que contaba en su base, la resistencia de 470 Ω es solo por seguridad en la entrada de la señal.

La señal se encarga de saturar el transistor inyectando suficiente corriente en su base. De

forma paralela la señal se desvía en dirección a un divisor de voltaje donde mediante la

resistencia de 4.7 K Ω y 100 Ω se fija un voltaje de 100 mV que va directo a la entrada no

inversora del amplificador operacional TL072. Dicho amplificador operacional se encarga de


20

inyectar la corriente necesaria a la base de para hacerlo conducir y mediante la lectura de la

corriente en el emisor de dicho transistor se mantendrá siempre fija la corriente que polariza del

mismo. La etapa del amplificador operacional tiene como objetivo realizar una conversión de

tensión en corriente fijando 10 mA en el transistor cuando el divisor de voltaje fija los 100 mV

en su entrada, gracias a la resistencia de 10 Ω que se encuentra en el emisor de . El proceso

explicado funciona de forma idéntica para la otra rama, saturando al transistor y activando

el transistor .

A continuación se presenta un esquema donde se muestra la etapa de potencia, dicha etapa está

precedida del conversor Digital/Análogo el cual es el encargado de conectar la etapa de control

con la etapa de potencia (fig. 4-1: Esquemático general sección análoga parte 1).

Figura 4-1: Esquemático general sección análoga parte 1


21

Figura 4-2: Esquemático general sección análoga parte 2.

4.2.2 Conversor digital/análogo.

Dicha sección es la encargada de tomar los valores de los 4 pines de salida del Arduino y

transformarlos en valores digitales, es decir, un número binario de cuatro dígitos proporcional

en una escala de 0 V a 5 V.


22

El circuito a utilizar es un conversor D/A de tipo sumador de 4 bits compuesto por un

amplificador operacional y un arreglo de resistencias. Cada resistencia asigna una ponderación

deseada para el bit correspondiente, la señal real a convertir viene de la entrada del voltaje de

referencia. Ya que se eligió un conversor de 4 bits solo se necesita una resistencia de 8 veces el

valor de la primera, en dado caso se eligió una resistencia en el canal A de 10 kΩ por lo que las

siguientes resistencias a utilizar serían la resistencia de B de 20 kΩ , la resistencia del canal C de

40 kΩ y la resistencia del canal D de 80 kΩ, finalmente la suma en paralelo de todas estas

resistencias da como resultado 5 kΩ por lo que para tener una ganancia unitaria en el circuito se

debe fijar una resistencia de 5 kΩ en el lazo de realimentación del pin negativo. El circuito es de

rápida reacción y presenta una solución muy simple para poder realizar el proceso de

conversión deseada.

Se procedió a elegir resistencias con los siguientes valores:

RA = 9.89 kΩ

RB = 19.7 kΩ

RC = 39.2 kΩ

RD = 79.7 kΩ

La corriente aplicada en el usuario estará totalmente definida por dos elementos, el voltaje

máximo fijado a la salida del conversor digital análogo y la resistencia de 10 Ω en el emisor de los

transistores inferiores en el puente H de corriente. Para poder obtener 30 mA en ese punto se

debe fijar un voltaje de 300 mv como máxima salida en el conversor D/A (con el código 1111).

Las otras salidas dependiendo del código irán variando desde ese valor hasta cero. Para poder

fijar el voltaje señalado se realizó el siguiente cálculo.

(4-1)

(4-2)

Por lo que, para poder obtener una salida de 300 mv se debe reemplazar la resistencia de

5 kΩ por una resistencia de 320 Ω. Finalmente el segundo inversor deberá tener una ganancia

unitaria para de esta forma no alterar el voltaje anteriormente calculado; para esto se eligieron

dos resistencias de 4.7 kΩ de precisión y que al ser medidas con un multímetro han arrojado

valores muy similares.


23

Luego de realizar nuevamente los cálculos anteriores con los valores exactos detallados

anteriormente se obtuvo un valor de resistencia de 316 Ω, esta resistencia se armó mediante una

resistencia de 218 Ω en serie con una resistencia de 99 Ω.

A continuación se presenta un esquemático de la etapa de conversión digital análoga con sus

valores para la conversión unitaria en la salida del TL072.

Figura 4-3: Esquemático conversor D/A

En la siguiente figura, se observa la escala de conversión D/A, lo cual permite corroborar el buen

funcionamiento del conversor diseñado.


24

Figura 4-4: Escala conversión D/A.

4.2.3 Oscilador y conmutador.

Consiste en la sección del circuito encargada de la generación de la señal de 2 kHz. Dicha señal

será muy importante en lo que respecta a el control del puente H de corriente, ya que será la

encargada de recibir la orden desde el Arduino y se activará aplicando los 2 kHz durante el

tiempo deseado y con la amplitud deseada. Se optó por desarrollar esta etapa de forma física y

no en la programación del Arduino para no sobrecargar el tiempo de cálculo de este y de esta

forma no sobre exigirle en los procesos necesarios para realizar sus tareas, siendo este método

bastante exacto y eficiente.

La etapa consta de un chip oscilador CD4060, que mediante un arreglo RC fijará la frecuencia de

salida deseada. En las distintas salidas del 4060 se podrán obtener subdivisiones de dicha

frecuencia siendo estas, Q3 con una salida dividida por 2 elevado a 4 es decir dividida por 16 y

siendo la última salida Q13 con una división de 2 elevado a 14, es decir, una frecuencia de salida

dividida por 16348.


25

Figura 4-5: 4060 conexiones de los pines. (Fuente: www.alldatasheet.com)

Figura 4-6: 4060 Diagrama funcional. (Fuente: www.alldatasheet.com)

Se utilizará entonces la configuración astable del oscilador para la cual se debe realizar la

conexión detallada a continuación:


26

Figura 4-7: Conexión astable del 4060. (Fuente: www.alldatasheet.com)

Para el cálculo de la frecuencia deseada en conexión astable se aplica la fórmula siguiente:

(4-3)

Basados en la fórmula detallada anteriormente se calcularon los valores partiendo con un valor

para de 100 pF y en base a dicho capacitor se obtuvo un valor de 34 kΩ para lo cual con la

fórmula entrega una frecuencia de salida de 128 khz y dicha frecuencia dividida por 64, entrega

2 kHz en la salida , siendo esta la frecuencia deseada.

Figura 4-8: Frecuencia fijada en el CD4060.

A continuación el circuito deriva en un chip CD4066 el cual es un arreglo de interruptores

análogos de alta frecuencia controlados por una señal proveniente del conversor D/A y además


27

por la señal de 2 kHz fijada en el oscilador. La salida del circuito encargado de mezclar la

frecuencia fija de 2 kHz con la señal de control irá al circuito de potencia.

Como se puede observar en el esquemático general de la sección análoga, la sección termina

con un relé de doble polo. Dicho relé estará siempre en un canal de estimulación en su estado

normalmente cerrado, al abrir el relé se activará el otro canal de estimulación que

corresponderá al otro grupo muscular que se desea activar. El relé permite activar de forma

alternada los grupos musculares y además evita una posible estimulación simultánea de ambos

grupos.

4.3 Implementación sección digital.

La etapa de control cuenta con un Arduino UNO como parte central y este es el encargado de

leer las entradas análogas y además generar las salidas deseadas. El sistema consiste

básicamente en la lectura de dos potenciómetros encargados de fijar la amplitud de corriente

deseada mediante la lectura de su variación de voltaje entre 0 V y 5 V. Se convierten dichos

valores en una salida de 4 bits, mediante una escala en el programa que permitirá variar la

amplitud de corriente aplicada entre 0 mA y 30 mA. El Arduino lee dos botones pulsadores

encargados de indicar el canal a activar y durante cuánto tiempo aplicar la estimulación, por lo

que se utilizan 4 entradas análogas en la placa Arduino, las cuales son A0, A1 y dos entradas

digitales para los botones 3, 4. Para las salidas se utiliza la salida análoga 2, TX como salida de

conexión serial para enviar la información al LCD, el cual está conectado mediante el shield

Sparkfun serLCD, lo que permite que el visor LCD necesite una salida digital. Para las salidas de

los LED encargados de indicar cual canal está siendo activado se utilizarán las salidas digitales 5

y 6, necesitándose 4 salidas para el código digital de cuatro bits que indicará el nivel de corriente

fijado en el potenciómetro. Dichas salidas son la 9, 10, 11, 12. Se puede observar que aún quedan

6 salidas digitales libres con posibilidades de ser utilizadas en otras aplicaciones.

El circuito de control tiene como objetivo principal poder hacer una interfaz fácil de utilizar para

el usuario y que además permite a este tener el control total sobre la estimulación que se está

aplicando. A continuación se presenta un esquema de lo descrito en el párrafo anterior.


28

Figura 4-9: Esquemático sección digital.

Para la programación de la etapa digital, se optó por un loop que realiza todas las funciones

necesarias en un tiempo determinado. En la siguiente figura se detallan algunas de las tareas

realizadas por el software durante un ciclo.


29

En el primer paso dentro del programa se realiza la lectura de los potenciómetros de referencia

con el conversor A/D de 10 bits con los que cuenta la placa Arduino, su valor de referencia de 5V

se subdividirá en los 1024 niveles posibles. Al mismo tiempo se realiza la lectura de los botones

pulsadores encargados de elegir el canal en el cual se aplicará la estimulación, dichos botones

utilizarán la configuración típica sugerida por Arduino y su lectura se realiza como entradas

digitales variando su valor desde 0 a 5 V, siendo cero un 0 y siendo 5 V un valor lógico 1.

Para mostrar en la pantalla LCD los datos registrados con el potenciómetro en la escala de 0 mA

hasta 30 mA con escalones de dos en dos se implementó la función “map” de Arduino

realizando la conversión de 10 bits de entrada a 4 bits y además se multiplicaron estos valores

por dos para de esta forma obtener los 16 niveles pares de 0 a 30 mA, representando como será

aplicada la corriente en el usuario. El nivel de corriente fijado con los potenciómetros aparecerá

en el visor LCD independiente de si se está aplicando o no el estímulo, permitiendo fijar el valor

deseado antes de ser aplicado el formato que se muestra en la siguiente imagen.

Figura 4-10: Diagrama de bloques del software.


30

Figura 4-11: Función ¨map¨Arduino.

Para poder realizar pruebas de funcionamiento del programa se conectó un LED a cada salida

encargada de enviar la información al conversor D/A. Cada LED representa a uno de los 4 bits de

salida y se enciende o apaga dependiendo del código binario que se desea en la salida el cual es

directamente proporcional al valor fijado con el potenciómetro. Esto permitió que mientras se

realizaba la programación se realizaran pruebas en el minuto y con esto evaluar el desarrollo

correcto del programa.

Para poder realizar la conversión de la lectura de los potenciómetros a una salida de 4 bits

dominada por los pulsadores, se utilizaron comparaciones “if” como encargado de decisión

donde se evaluaba cual botón que se está pulsando. Luego de leer alguno de los pulsadores se

aplica el valor leído en la entrada del potenciómetro correspondiente a dicho pulsador y

mediante la división de 2 niveles para el bit más significativo y de 16 niveles para el bit menos

significativo se arma el código binario en la salida, tal como se muestra en las imágenes. Si bien

se utilizaron los valores reales de conversión de 0 a 1023 para este proceso, es posible

implementar el código con una división de valores de 0 a 16 bits utilizando la función “map”.


31

Tabla 4-1: Conversión de valores de lectura de los potenciometros.

Lectura Potenciómetro.

Salida en mA

Canal 9 Canal 10 Canal 11 Canal 12

0-63 0 0 0 0 0

64-127 2 0 0 0 1

128-191 4 0 0 1 0

192-255 6 0 0 1 1

256-319 8 0 1 0 0

320-383 10 0 1 0 1

384-447 12 0 1 1 0

448-511 14 0 1 1 1

512-575 16 1 0 0 0

576-639 18 1 0 0 1

640-703 20 1 0 1 0

704-767 22 1 0 1 1

768-831 24 1 1 0 0

832-895 26 1 1 0 1

895-959 28 1 1 1 0

960-1023 30 1 1 1 1

En la tabla anterior se muestra la lectura de los valores de los potenciómetros en la entrada

análoga del Arduino. El Arduino lee la entrada análoga en una resolución de 10 bits y en la salida

se espera tener una resolución de 4 bits para el conversor D/A, por esta razón se realizó una

tabla de conversión manual para tener exactitud en la conversión de los valores encargados de

fijar la amplitud de la corriente aplicada.


32

4.4 Construcción del circuito.

El circuito físico se presenta en las imágenes a continuación, donde se muestra como están

conectadas las diferentes etapas.

Figura 4-12: Armado sección digital.


33

Se puede observar que la sección digital, cuenta lógicamente con muchos menos componentes

que la sección análoga, siendo esta última, la sección más compleja de implementar. La

implementación de la sección análoga debe ser mediante un circuito bien armado y organizado

de forma coherente y fácil de entender, ya que se manejarán tensiones altas y donde es

importante poder identificar de forma rápida cualquier error que pueda ocurrir.

Figura 4-13: Armado sección análoga.

34

5 Pruebas realizadas.

5.1 Diseño del experimento.

5.1.1 Objetivos.

Realizar la estimulación de la articulación de la muñeca y evaluar:

El funcionamiento correcto del electro estimulador generando el movimiento deseado,

para lo cual se buscará en principio solamente generar la flexión de la articulación.

Encontrar la relación existente entre la composición muscular del sujeto de pruebas y

la corriente necesaria para la estimulación, para el cual se deberán realizar ciertas mediciones.

Los distintos niveles de tolerancia de los sujetos de pruebas a la estimulación.

Variación de la corriente al modificar los puntos de estimulación.

5.1.2 Mediciones a realizar.

Para poder llevar acabo los objetivos planteados anteriormente, se deberán realizar las

mediciones expuestas a continuación.

Grosor del Brazo del sujeto.

Largo del Brazo del sujeto.

Corriente umbral mínima para generar la flexión de la muñeca.

Corriente máxima tolerada al flectar la muñeca.

Corriente Umbral mínima para generar la enderezar de la muñeca.

Corriente máxima tolerada al enderezar la muñeca.


35

5.1.3 Procedimiento.

Los pasos a seguir para poder realizar las mediciones son los expuestos a continuación.

Medir el grosor del Brazo del sujeto en su parte más gruesa.

Medir el Largo del Brazo del sujeto desde el codo hasta la muñeca.

Conectar los electrodos en las zonas definidas y marcadas. Posiciones de músculos agonistas y antagonistas en la flexión de la articulación en cuestión.

Realizar la estimulación para flectar la muñeca y medir el valor mínimo de corriente para generar flexión

Medir valor máximo de corriente tolerado.

Realizar la estimulación para enderezar la muñeca y medir el valor mínimo de corriente para generar flexión

Medir valor máximo de corriente tolerado.

5.1.4 Resultados obtenidos.

En las pruebas realizadas se pudieron observar varios fenómenos. En primer lugar, la diferencia

existente entre la forma del voltaje en la carga al pasar de una carga resistiva a la carga real (

brazo ), esta diferencia se debe a la característica capacitiva que presenta el cuerpo humano al

ser estimulado eléctricamente.

A continuación se presentarán capturas del osciloscopio correspondientes a la señal de

corriente y voltaje de salida para distintos valores de estimulación fijados con una carga

netamente resistiva. Para medir la corriente de salida se procede a medir el valor del voltaje en la

resistencia de 10 Ω de los transistores de switching y para medir el voltaje en la carga se utilizan

puntas atenuadoras x10 que permiten visualizar hasta 60 V comprendidos en la prueba

realizada. Las pruebas se realizaron con una carga resistiva de 3 kΩ.


36

Figura 5-1: Voltaje en mili Volts, correspondientes a 2 mA de corriente.

Figura 5-2: Voltaje en la carga para 2mA.


37

Figura 5-3: 200 mV correspondientes a 20 mA.

Figura 5-4: Voltaje en la carga para 20 mA.

El voltaje en el osciloscopio corresponde a una de las puntas atenuadoras en el canal donde se

está realizando la estimulación y la otra punta atenuadora en el canal que se encuentra

desactivado por el relé.


38

Antes de realizar las pruebas con carga real, se implementó una carga con características

capacitivas y resistivas para de esa forma poder tener una aproximación al comportamiento de

la carga real y poder realizar pruebas del sistema. Se utilizó una carga resistiva de 3.2 kΩ

aproximadamente y basado en pruebas realizadas a la etapa de potencia se logró calcular una

capacitancia que permitió simular la carga real.

Figura 5-5: Forma de onda en carga real.

(5-1)

(5-2)

(5-3)

Para el caso de una señal de 9 mA con 30 V se obtiene mediante el mismo método el valor de

capacitancia siguiente:

Por lo que los valores de la capacitancia concuerdan de forma coherente y en base a esto se

realizaron diversas mediciones con un armado de una carga que consistía en 3 capacitores y una

resistencia en paralelo. Finalmente los resultados obtenidos mostraron formas de onda muy

similar a la observada con las cargas reales y con conocimiento exacto de los valores de la carga.


39

Figura 5-6: Forma de onda con carga modelada.

Figura 5-7: Forma de onda en la resistencia de 10 Ω con carga modelada.

A continuación se muestran las formas de ondas de corriente y voltaje en carga real.


40

Para la estimulación de los músculos superiores e inferiores. Los valores de estimulación fueron

de 8 mA para el canal inferior y de 10 mA para el canal superior.

Figura 5-8: Corriente en el canal inferior.


41

Figura 5-9: Voltaje en el canal inferior.

Figura 5-10: Corriente en el canal superior.


42

Figura 5-11: Voltaje en el canal superior.

Se puede observar que no existe mayor diferencia en las formas del voltaje en la carga superior e

inferior. Para estimular el canal superior se requiere un nivel de corriente mayor que en el canal

inferior.

Luego de aplicar la estimulación a seis sujetos distintos se puede observar una concordancia en

los valores de corriente necesarios para generar la estimulación, tanto como los valores

máximos tolerados. Es importante destacar que una vez percibida la flexión de la muñeca no se

realizó estimulación con valores de corriente muy superiores, debido a que no era necesario

someter a los sujetos de prueba a una estimulación que pudiera tornarse molesta e incluso

pudiera provocar alguna sensación de dolor. Se muestra una tabla que resume los datos

obtenidos en las mediciones realizadas.


43

Tabla 5-1: Resultados pruebas para enderezar la muñeca.

Sujeto Grosor

Brazo

Largo

Brazo

Corriente

Umbral Min

Corriente Max

tolerada

1 23 cm 25 cm 8 mA 10 mA

2 26cm 24cm 10 mA 12 mA

3 26 cm 24 cm 8 mA 12 mA

4 25 cm 24 cm 10 mA 12 mA

5 22 cm 20 cm 8 mA 10 mA

6 26 cm 25 cm 8 mA 10 mA

Tabla 5-2: Resultados pruebas para flectar la muñeca.

Sujeto Grosor

Brazo

Largo

Brazo

Corriente

Umbral Min

Corriente Max

tolerada

1 23 cm 25 cm 6 mA 10 mA

2 26cm 24cm 8 mA 10 mA

3 26 cm 24 cm 8 mA 12 mA

4 25 cm 24 cm 8 mA 10 mA

5 22 cm 20 cm 6 mA 10 mA

6 26 cm 25 cm 8 mA 10 mA

Las diferencias en las dimensiones del ante brazo no afectan de forma notoria en la corriente

necesaria para estimular, está más relacionado con la “sensibilidad” de la persona sometida a la

prueba. Para las pruebas se realizaron mediciones con el sujeto mirando y presionando el botón

que activa la estimulación y además con la aplicación del estímulo de forma sorpresiva, de esta

forma se podría descartar la existencia de un efecto psicológico en el movimiento de la

articulación.


44

Figura 5-12: Secuencia de estimulación en la muñeca.

Además de la estimulación en la articulación de la muñeca, se realizaron algunas pruebas para

poder generar una estimulación en los músculos de los cuádriceps, esperando poder generar

alguna flexión en la rodilla. Los resultados de las pruebas hechas en los cuádriceps arrojaron

evidencia de que se puede realizar una flexión de la articulación de la rodilla solamente

aplicando la estimulación con un canal de salida y con ubicaciones específicas. Se observó que

la corriente necesaria para lograr la flexión de la rodilla no es mucho más elevada que la

necesaria para la muñeca. La corriente necesaria para generar una estimulación del cuádriceps

varió entre 14 mA y 16 mA generando finalmente la activación de la articulación.


45

Figura 5-13: Secuencia de estimulación en los cuádriceps.

46

Discusión y conclusiones El objetivo principal del proyecto consistía en estudiar la electro estimulación, su efecto en el

cuerpo humano, parámetros de funcionamiento y comprender las diferentes aplicaciones de

dicha terapia. Mediante la comprensión general de la estimulación eléctrica muscular, se ha

buscado poder comenzar el diseño de una máquina de estimulación muscular que permita

realizar la activación de músculos específicos en ciertas articulaciones. Para poder diseñar el

electro estimulador se han analizado diversas opciones, ya que existen diferentes

aproximaciones para obtener el mismo tipo de resultado, existe en el mercado un número

elevado de electro estimuladores que funcionan en base a un transformador de voltaje que

permite llevar a voltajes elevados para poder aplicar la estimulación deseada. En este caso, se ha

optado por diseñar un sistema estable con dos etapas claves, análoga y digital y mediante ello

poder aplicar pulsos eléctricos específicos y poder generar la activación de los grupos

musculares encargados de realizar el movimiento de la articulación de la muñeca, dicho

objetivo se logró y se pudo generar un movimiento en ambos sentidos de la articulación,

generando flexión y la extensión de esta.

Se ha optado por la articulación de la muñeca por la facilidad de acceso a esta y porque es

posible manejar el estimulador al mismo momento en el que se observa cómo reaccionan los

grupos musculares y la articulación en cuestión.

Dentro de lo que se puede concluir en las pruebas hechas para distintos sujetos, está el hecho

de que, independiente de las dimensiones del brazo de la persona, los valores necesarios para la

estimulación son similares en todos los casos, por lo que los valores de estimulación necesarios

se han mantenido acotados dentro de niveles cercanos. Para generar una flexión de la muñeca

se necesita generar una estimulación con pulsos de corriente de entre 6 mA y 8 mA, siendo 8 mA

el valor que siempre generó flexión en los sujetos sometidos a las pruebas, es decir, cada

individuo ha podido ser estimulado al menos con 8 mA y en algunos casos se ha presentado

movimiento articular incluso con pulsos de 6 mA. Para la extensión de la muñeca los valores de

los pulsos de corrientes necesarios oscilaron entre 8 mA y 10 mA. Se observa que en ambos

grupos musculares se necesitaron valores de corrientes muy similares. Siendo la extensión de la

muñeca un movimiento que requiere 2 mA más en promedio que la flexión de la misma. Lo

anterior puede deberse a que es más fácil poder encontrar el grupo muscular flector de forma

clara y puntual que el grupo muscular encargado de estirar la articulación. Por otro lado, se

Discusión y conclusiones

47

destaca que la diferencia es relativamente marginal por lo que se sigue estando bajo los 10 mA

para realizar la estimulación tanto de flexión como de estiramiento de la articulación de la

muñeca.

Poder trabajar con sistemas médicos o diseñar y construir máquinas que estarán en contacto

con el cuerpo humano o algún individuo de forma directa amerita un nivel extra de

preocupación al detalle y debe contar con niveles de exactitud elevados, es sumamente

importante reducir cada riesgo de error al mínimo ya que un mal funcionamiento de la máquina

puede causar en este caso por ejemplo daño físico directo al usuario. Es por ello que compañías

dedicadas al mercado de máquinas como las que se ha desarrollado en este informe, cuentan

con sistemas de seguridad elevados, tanto e las máquinas mismas como en la empresa para

poder enfrentar potenciales problemas legales y de funcionamiento.

Dentro del proceso de conexión de las distintas etapas, se debió ajustar el circuito para poder

entregar en la salida hacia la carga el valor especificado en el visor LCD, lo cual es importante

debido a que es un sistema que estará en contacto con el cuerpo humano y es relevante tener

información verídica de los valores aplicados,. Los ajustes consistieron básicamente en 3 ajustes

de offset y un ajuste de ganancia. Se utilizaron potenciómetros para los ajustes de offset y un

trimpot para el ajuste de ganancia en la salida del conversor D/A. Es importante mantener un

nivel precisión suficiente que permita asegurar un margen de error mínimo en los valores de

corriente que se desea aplicar. Para el electro estimulador se buscó mantener un error menor a 1

mA de corriente ya que si bien no sería notorio para los valores altos de estimulación (30 mA),

para la estimulación mínima posible (2 mA) será más importante. Presentando en dicho caso

una variabilidad del 50%. Cabe destacar que una estimulación de 2 mA es una estimulación

mínima y casi imperceptible por lo que el valor de error de 1 mA presenta una variabilidad a su

vez imperceptible.

Una prueba que se realizó con el electro estimulador fue en los músculos de los cuádriceps.

Dicho músculo representa dimensiones muy superiores a los músculos presentes en el brazo

por lo que se deduce que se necesitara una corriente mayor. Se observó que la corriente

necesaria para estimular la pierna e incluso flectar la articulación de la rodilla no es muy

superior a la corriente necesaria para flectar el brazo. Se necesitaron entre 14 mA y 16 mA para

generar la estimulación deseada, siendo entre un 40% y un 50% mayor que la necesaria para

estimular el brazo pero aun así está muy lejos de los valores máximos posibles del sistema. El

cuádriceps es un músculo que presenta una masa bastante grande, siendo uno de los músculos

más grandes del cuerpo humano. Realizar la estimulación de dicho músculo, implica generar un

movimiento en la articulación de la rodilla.

Uno de los casos de estudios de aplicación para un sistema como el desarrollado en el presente

informe, ha sido personas con hemiplejia, es decir, personas que han perdido la movilidad de

un hemisferio del cuerpo, ya sea el lado derecho o izquierdo. Dichas personas solo tienen

autonomía y control sobre una de sus piernas en casos particulares. El poder estimular un

cuádriceps, implica que desarrollando un sistema específico para este tipo de casos, permitiría

por ejemplo, tener la posibilidad de desplazarse de forma independiente con una bicicleta

Discusión y conclusiones

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especial a las personas que necesitan una estimulación extra para completar un pedaleo

continuo. Esto mediante la lectura de la posición de la pierna controlada por el usuario y

complementando cada movimiento con la estimulación necesaria para generar la flexión de

rodilla adecuada y con ello el complemento al movimiento de pedalear. Aplicando de esta forma

un sistema de control automático cómo complemento al sistema ya desarrollado y obteniendo

una aplicación práctica y funcional.

Por otro lado, un complemento posible sería automatizar la secuencia aplicada al usuario y de

esa forma poder generar secuencias con un objetivo específico como por ejemplo, poder coger

algún objeto. El electro estimulador desarrollado en este proyecto permite continuar una línea

de investigación que se complemente con la kinesiología y la interacción de la electrónica con el

cuerpo humano.

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Bibliografía

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Moisés Jiménez León Estimulador electrico para la...

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