INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERÍA Y TECNOLOGIAS AVANZADAS
INGENIERÍA BIÓNICA
ELECTROESTIMULADOR
ALUMNOS: ARELLANO AGUILAR PAULETTE VERÓNICA CRUZ TELLO ANDRES EMMANUEL AIM GONZÁLEZ CHÁVEZ ROLANDO GONZALEZ ZARATE EMMANUEL
GRUPO 3BM4
MÉXICO, DISTRITO FEDERAL A 23 DE NOVIEMBRE DEL 2012
INTRODUCCIÓN La electroestimulación es la técnica que utiliza la corriente eléctrica para provocar una contracción muscular mediante un electroestimulador, se utilizan las contracciones musculares para prevenir, entrenar o tratar los músculos, buscando una finalidad terapéutica o una mejora de su rendimiento, esto es muy útil y empleado para la rehabilitación donde el paciente en parcial o completamente incapaz de mover un miembro a voluntad. En las personas normalmente inervadas (todas excepto los para y tetrapléjicos) el impulso eléctrico no estimula directamente la fibra muscular, sino que lo hace a través del nervio motor (motoneuronas), que sólo necesitará una cantidad muy pequeña de energía eléctrica para conseguir un estímulo eficaz. Con el paso del tiempo los elementos electrónicos de un electroestimulador se han miniaturización, por lo que una población más generalizada es capaz de utilizarlos incluso para sólo mejorar el rendimiento físico. Las patologías más comunes en las que se utilizan los electroestimuladores son en:
La prevensión y el tratamiento de la atrofia muscular. La potenciación, las contracturas y el aumento de la fuerza para la estabilidad articular. La profilaxis de la trombosis, y la estimulación de los músculos paralizados. Tratamiento del dolor (TENS).
Aunque estas son sólo algunas aplicaciones, el desarrollo del conocimiento de la contracción muscular por electroestimulación, ha permitido saber los diferentes efectos en función de la frecuencia de los impulsos eléctricos. La utilización de frecuencias muy bajas (por debajo de 10 Hz) va a dar lugar a un aumento de la circulación sanguínea, va a tener un efecto descontracturante y relajante, y va a producir un aumento de la secreción de endorfinas. Si utilizamos frecuencias bajas (entre 10 y 30-35 Hz) de estimulación, vamos a estar activando principalmente las fibras lentas o tipo I (de metabolismo principalmente aeróbico, esencial en las pruebas de fondo) del músculo activado. Frecuencias intermedias (entre 30-35 y 50 Hz) van a provocar la contracción de las fibras musculares de tipo mixto o IIa (fibras de metabolismo mixto, aeróbico-anaeróbico) principalmente. Frecuencias altas (por encima de 50 Hz) traen consigo la activación de las fibras musculares más rápidas o de tipo IIb (fibras de metabolismo anaeróbico predominantemente, fácilmente fatigables) que son las que intervienen de forma preponderante en los ejercicios de muy alta intensidad.
La onda que debe construir el electroestimulador, es imprescindible y debe ser rectangular bifásica, compensada simétricamente para evitar los desagradables y temidos efectos polares (sensación eléctrica, irritación de la piel y quemaduras), en el lugar de ubicación de los electrodos por donde circula la corriente. Las corrientes de tipo galvánico están desaconsejadas, por el elevado riesgo de quemaduras químico-eléctricas y por la desagradable sensación de electricidad que se percibe a intensidades incluso bajas. Puesto que se provoca la contracción muscular a través de la estimulación del nervio, la energía necesaria para estimular una motoneurona es una cantidad muy pequeña proporcionada por: Q=It Donde I es la intensidad y t es la duración del impulso eléctrico. La intensidad o amplitud, se mide en miliampere [mA] y lo normal es que los aparatos más potentes se muevan en un rango de 100 a 120 mA, pero para una mayor seguridad, especialmente en pruebas, 15 mA es lo adecuado. La duración de los impulsos se mide usualmente en microsegundos [ms], un buen estimulador debe ajustar este parámetro en sus programas, en función de que estemos estimulando la extremidad superior, la inferior o el tronco. La utilización adecuada de este parámetro nos asegurará que cada grupo muscular, recibirá únicamente la cantidad de energía que necesita para ser estimulado con eficacia, ya que si es mayor a la que necesita, la carga eléctrica en exceso será desagradable, y si es menor, no será suficiente para una contracción eficaz. Ya que las corrientes de baja frecuencia, a diferencia de las de media y alta frecuencia, presentan un número de contraindicaciones no excesivamente alto, por lo que es una técnica muy recomendable, si se siguen las indicaciones provenientes de un médico, fisioterapeuta, preparador físico, o en su defecto después de haber leído detenidamente las instrucciones que todo sistema debe acompañar, porque aunque estemos ante una técnica que si está desarrollada con las garantías descritas no afecta a la presión arterial ni a la frecuencia cardíaca, hay algunas consideraciones que se deben tener presente, y colectivos a los que les estará contraindicado utilizar, como:
Personas con marcapasos. Tumores y metástasis. Trombosis, tromboflebitis y varices. Diabéticos y epilépticos. Personas con alteraciones de la sensibilidad. No utilizar en el seno carotídeo. Personas con procesos hemorrágicos. No utilizar en estados febriles y/o infecciosos. No utilizar en el abdomen en mujeres embarazadas. Personas hipersensibles o muy nerviosas. Niños menores de 10 años.
MATERIAL. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
1 ECG (realizado anteriormente). 1 Transistor 2N2222A. 3 Transistores TIP31C Cables para conexión. Resistencias varias. Cables tipo caimán-caimán. 1 Arduino.
8. Cables tipo banana-caimán. 9. Puntas de osciloscopio. 10. Multímetro. 11. Osciloscopio. 12. 5 Electrodos. 13. Fuente de voltaje de 30 V.
DESARROLLO Y RESULTADOS 1. Se realiza un tren de pulsos empleando el Arduino, las características del mismo son de 10 voltajes pico de 5 V con una duración de 2 ms con un tiempo de espera de 40 ms después de cada tren de pulsos de 10 picos. En la figura 1 se muestra el código empleado en Arduino para generar el tren de pulsos, en la figura 2 se muestra la señal resultante.
Figura 1 Código en Arduino para generar el tren de pulsos.
Figura 2 Tren de pulsos generado con Arduino.
Como se puede observar en la imagen anterior, el tren de pulsos cumple con las características especificadas al inicio de este punto. 2. Elaborar el circuito que se muestra en la figura 3, las resistencias fueron seleccionadas para colocar en corte y saturación a los transistores, el 2N2222A junto con el TIP31C son la etapa de potencia, en donde el tren de pulsos (simulado por el generador de funciones XSG1) es modificado para que cada pulso tenga un voltaje de 30 V. Posteriormente se llega a la etapa de control de corriente, en donde se emplean dos TIP31C en configuración de espejo, la resistencia seleccionada es para mantener la corriente bajo control, la cual es menor a 15 mA.
Figura 3 Circuito de potencia y control de corriente por configuración de espejo.
Se simula el circuito y se comprueban los resultados en simulación, en la figura 4 se muestran las gráficas de voltaje y de corriente resultantes con un generador de funciones como prueba con una señal cuadrada de 1 Hz con pulsos de 5 V; para poder medir el voltaje sólo se coloca en simulación una resistencia de 1 Ω entre las terminales A y B del circuito de la figura 3, en la terminal A se coloca la punta del osciloscopio y la otra terminal del osciloscopio a tierra, con ello se mide el voltaje y se obtiene la primer gráfica de la figura 4, después se coloca el otro canal del osciloscopio empleando a la resistencia, se medirá una caída de voltaje pero por tratarse de una resistencia de 1 Ω, por ley de Ohm (V = IR) se tiene que el voltaje que se registra en dicha resistencia puede interpretarse como la corriente, la cual se muestra en la segunda gráfica de la figura 4.
Figura 4 Resultados en simulación del circuito de la fig. 3, la primera es la gráfica de voltaje, el segundo la gráfica de corriente, el voltaje se interpreta como corriente en la segunda gráfica.
Los resultados en simulación son satisfactorios, se incrementa el voltaje alrededor de 25 V así como una corriente controlada menor a 15 mA pero mayor a 10 mA, se decide emplear la resistencia de 3.3 kΩ en lugar de 2.2 kΩ para tener una corriente lo más alejada posible de 15 mA por razones de seguridad al momento de realizar las pruebas físicas. 3. Una vez terminado el circuito de la fig. 3 se sustituye el XSG1 por una batería de 9 V conectada en negativo, entre las terminales A y B se coloca una resistencia de 1 kΩ y se mide con el multímetro el voltaje en A; en las pruebas se obtiene un registro en el multímetro de 27.85 V, el cual es un valor aceptable para el electroestimulador. Se retira el multímetro, se configura para medir corriente eléctrica y se coloca en serie junto con la resistencia entre las terminales de A y B, se registra en el multímetro un valor de 12.57 mA, valor que está entre 15 mA y 10 mA, por lo que es aceptable comenzar a realizar las pruebas con el electroestimualdor. Se retira el multímetro, se deja la resistencia de 1 kΩ, se coloca en la terminal A una punta del osciloscopio y la otra punta se deja en tierra, se cambia la alimentación de – 9 V y en su lugar se coloca el tren de pulsos generado por Arduino. La gráfica registrada en el osciloscopio se muestra en la figura 5.
Figura 5 Señal de salida entre las terminales A y B del electroestimulador de la fig. 3, donde XSG1 es cambiado por el Arduino, el cual genera el tren de pulsos previamente elaborado.
Como se nota en la figura anterior, tenemos el resultado deseado para el electroestimulador, con lo que es posible realizar pruebas en personas.
4. Se colocan dos electrodos en el brazo, en los puntos A y B donde se muestra en la figura 6, se retira la resistencia de 1 kΩ de las terminales A y B del electroestimulador de la fig.3, donde XSG1 es cambiado por el tren de pulsos generado por Arduino, se colocan cables con punta caimán en las terminales A y B donde antes estaba la resistencia, las punta caimán se colocan en los electrodos que ya están ubicados en el brazo.
Figura 6 Imagen de referencia para la colocación de electrodos.
La persona de prueba al colocarle el electroestimulador reacciona ante el estímulo, se cuestionó a la persona de prueba, la cual sólo menciona sentir leves pulsaciones eléctricas indoloras a lo largo del brazo, así como la flexión de dos de sus dedos de forma involuntaria, resultado que se esperaba desde el inicio de la presente práctica. En las siguientes imágenes se muestran parte de las observaciones.
Figura 7 Estado del brazo antes y después de la electroestimulación.
En las imágenes se muestra el resultado del electroestimulador, no se presentaron efectos adversos como quemaduras o cargas eléctricas excesivas.
5. Conectar tres electrodos más en el brazo, dichos electrodos van en la posición ECG1, ECG2 y Ref, tal y como se muestra en la figura 6. Estos electrodos se conectan al ECG que se realizó en la práctica anterior, el circuito del ECG se muestra en la siguiente figura.
Figura 8 En CN3 son las entradas de los electrodos, en CN5 va la referencia y la salida del ECG.
Una vez colocado el ECG se prueba que esté captando correctamente la señal mioeléctrica, esto se realiza colocando el osciloscopio en la salida del ECG y generando un estímulo en el brazo, una vez comprobado, se procede a estimular de nuevo el brazo con el electroestimulador y poder observar la respuesta en el osciloscopio.
Al generar de nuevo un estímulo en el brazo, se obtienen los mismos resultados que en el paso anterior, pero en el osciloscopio se puede observar una señal, que es la del electroestimulador. En las siguientes imágenes se muestra el estímulo observado en el osciloscopio, en la primera imagen es para un estímulo continuo y en la segunda para pequeños estímulos continuos.
Figura 9 Estimulación observada en el osciloscopio.
En las siguientes imágenes se observan los estímulos captados con el osciloscopio.
Figura 10 Estimulación observada en el osciloscopio, la primera, segunda y tercer imagen son para pequeños estímulos dados, la última imagen es para una estimulación contínua.
6. Se cambia el generador de tren de pulsos de Arduino por un generador de pulsos en una tarjeta de adquisición de datos de Texas Instruments, se coloca todo como en los pasos anteriores y se observan resultados. En la siguiente imagen se observa el archivo .vi utilizado.
Figura 11 Archivo .vi empleado para generar el tren de pulsos.
CONCLUSIONES
Aunque el electroestimulador es muy sencillo de elaborar, hay que tener cuidado en el cálculo de las resistencias, así como al momento de usar los transistores, cualquier error de cálculo o de unión puede provocar heridas en el sujeto de prueba, como quemaduras o choques eléctricos.
La estimulación resultante es adecuada y es posible ser utilizada para rehabilitación o estimulación muscular.
