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Diseño de un Circuito Integrado para Medir el Grado de Bloqueo Neuromuscular
Provocado Farmacológicamente
Miranda G. Juan; Remolina L. Joaquín?; Zepeda P. Hugo; Rosas O. José
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Sección de Bioelectrónica, Centro de Investigación y de
Estudios Avanzados del IPN; México, D. F.; [email protected]
RESUMEN
En este artículo se describe el diseño de un circuito
integrado monolítico utilizando la tecnología CNM25,
CMOS de 2.5 ? m, para medir el grado de bloqueo
neuromuscular provocado farmacológicamente. Este
diseño consiste de un circuito Neuroestimulador que
proporciona cinco modos de estimulación para estimular
el nervio ulnar o medio del dedo pulgar, de un circuito
Medidor de Fuerza de Contracción Muscular que cuenta y
almacena los pulsos provenientes de un sensor de fuerza
colocado en el dedo pulgar, y de un circuito Manejador de
Intensidad de Corriente que controla un circuito externo
de estimulación que proporciona el nivel de corriente de
estimulación deseado. El circuito integrado se alimenta
con una fuente de voltaje de 5 Volts, y su consumo total
de potencia es 2.6 mW aproximadamente.
simulaciones con el programa WorkView plus 5.1.2 y el
programa Spice[3]. En la sección 4 se describen las
pruebas del Circuito Externo de Estimulación. En la
sección 5 se describe el diseño geométrico con el
programa LASI 6.0[4]. Y por último, en la sección 6 se
dan las conclusiones.
2. DISEÑO Y FUNCIONAMIENTO
En la figura 1 se muestra la utilización del circuito
integrado diseñado para medir el grado de bloqueo
neuromuscular. En este artículo sólo se presenta el diseño
del circuito integrado.
1. INTRODUCCIÓN
Cuando se realizan operaciones quirúrgicas regularmente
se aplica anestesia general moderada para evitar el dolor
y se usa algún tipo de bloqueador neuromuscular (el cual
actúa directamente en las uniones mioneurales) para
relajar la zona a intervenir, con lo cual se evita la
aplicación de anestesia general profunda, la cual pudiera
poner en riesgo la vida del enfermo, ya que ésta actúa
primero sobre los órganos más especializados del cuerpo.
El propósito de este diseño es medir el grado de bloqueo
neuromuscular para suministrar la cantidad adecuada de
bloqueador. La información se muestra en un exhibidor a
cristal líquido (LCD)[1], el cual está integrado por tres
secciones: una sección de letreros que indica el modo de
estimulación escogido, una sección numérica que indica
el grado de bloqueo en el que se encuentra el enfermo, y
una sección de barras verticales que indican el nivel de
intensidad de corriente que se aplica al enfermo. El
diseño es completamente digital y se llevó acabo con la
tecnología CNM25[2] (CMOS de 2.5 ? m), del Centro
Nacional de Microelectrónica de Barcelona, España. En
la sección 2 se describe el diseño y funcionamiento de
este circuito. En la sección 3 se dan los resultados de las
Figura 1. Utilización del circuito integrado para medir el
grado de bloqueo neuromuscular.
El funcionamiento es el siguiente: se aplica un estímulo
en el nervio ulnar de la muñeca de la mano provocando
una contracción en el dedo pulgar del enfermo, ésta
contracción del dedo pulgar permite al transductor
generar un tren de pulsos que se aplican al circuito
integrado. El tren de pulsos generado es utilizado por el
circuito integrado para cuantificar el grado de bloqueo en
que se encuentra el paciente. La información del modo de
estimulación (pulso único, tren único, etc), magnitud de
la corriente de estimulación, y la respuesta de la
estimulación en forma numérica es mostrada al
especialista por medio de un exhibidor a cristal líquido
diseñado exprofeso para este dispositivo.
El circuito integrado está formado principalmente por un
circuito Neuroestimulador (NE), un circuito Medidor de
Fuerza de Contracción Muscular (MFCM) y un circuito
Manejador de Intensidad de Corriente (MIC). Las
características del Pulso Básico (PB) de estimulación son
las siguientes: pulso rectangular[5] con duración de 0.2
ms [6]. La descripción de cada uno de los modos de
estimulación es:
PULSO ÚNICO. Es un Pulso Básico a demanda.
TREN ÚNICO. Es un tren único de cuatro Pulsos Básicos
con duración de 2 s, con período de 0.5 s cada estímulo.
PULSO C/1S. Es un Pulso Básico aplicado
periódicamente cada segundo.
TREN C/10S. Es un tren de cuatro Pulsos Básicos con
duración de 2 s, con período de 0.5 s para cada estímulo,
aplicados periódicamente cada 10 s.
PULSO 50 HZ. Es un Pulso Básico aplicado cada 20 ms,
durante el tiempo que sea requerido.
2.1 Circuito Neuroestimulador (NE).
El diagrama a bloques del circuito Neuroestimulador[7]
se muestra en la figura 2. Este circuito se encarga de
conformar el o los Pulsos Básicos, de seleccionar y activar
los cinco modos de estimulación, de generar las
frecuencias de trabajo de los circuitos Medidor de Fuerza
de Contracción Muscular y Manejador de Intensidad de
Corriente, y manejar la sección de letreros del Mostrador
de cristal Líquido.
El Registro de Corrimiento selecciona uno de los cinco
modos de estimulación, actualiza los datos del MFCM y
activa el modo de estimulación escogido por el usuario.
El Manejador de Modos de Estimulación es el encargado
de modular en fase la señal del modo de estimulación
escogido para mostrarlo en la sección de letreros del
LCD. El Selector de Modos Únicos y Periódicos envía
información al Conformador de Pulsos Básicos cuando se
selecciona cualquiera de los siguientes modos de
estimulación: PULSO ÚNICO, PULSO C/1S y PULSOS
50 HZ. Por el contrario, cuando se seleccionan los modos
de estimulación TREN ÚNICO y TREN C/10S, primero
se conforman los cuatro pulsos y posteriormente esta
información es enviada al Conformador de Pulsos
Básicos. El Circuito Divisor de Frecuencia proporciona
las frecuencias necesarias (50 Hz, 25 Hz, 2 Hz, 1 Hz y 0.1
Hz) para conformar los diferentes modos de estimulación.
Las frecuencias de trabajo son: de 400 Hz para el circuito
MFCM y de 200 Hz para el circuito MIC.
Figura 2. Diagrama
Neuroestimulador (NE).
de
bloques
del
circuito
2.2 Circuito Medidor de Fuerza de
Contracción Muscular (MFCM).
El diagrama de bloques del circuito Medidor de Fuerza de
Contracción Muscular[8] se muestra en la figura 3. El
circuito MFCM realiza la función de contar y almacenar
los pulsos del tren que genera el Transductor de Fuerza
después de que se aplica cada estimulación.
Posterormente esta información es mostrada por un LCD
para indicar el grado de bloqueo neuromuscular en que se
encuentra el enfermo.
Este circuito recibe los Pulsos Básicos del NE y con cada
Pulso Básico se realizan las siguientes funciones:
actualiza los datos que muestra la sección numérica del
LCD, selecciona un Módulo de Memoria con el Registro
Secuencial Selector de Memoria, inicia el Retardo de 300
ms, e inicializa a cero la información del Contador a 8
Bits manteniéndolo listo para recibir nuevos datos del
Transductor de Fuerza. El Contador de 8 Bits cuenta los
pulsos provenientes del Transductor de Fuerza, esta
información es enviada, después de un retardo de 300 ms,
a los Módulos de Memorias a través del Módulo de 3er
Estado MC2. Cuando el contador excede el valor de 9 9
(1001 1001 en binario), el módulo MC1 entrega la
información binaria 11111111 a los módulos de memoria,
esta señal decodificada indica un error de exceso (EE) en
la sección numérica del LCD. El Registro Secuencial
Controlador de Salida da barridos a una frecuencia de
400 Hz a los Módulos de 3er Estado para entregar la
información almacenada en las memorias al
decodificador binario de 7 segmentos. El valor
decodificado de binario a 7 segmentos se envía a los
Manejadores de 3 Niveles de Voltaje para que éstos
enciendan o apaguen los segmentos de la sección
numérica del LCD (formada por cuatro pares de dígitos
de 7 segmentos). Los Manejadores de 4 Niveles de
Voltaje (8 contraelectrodos) dan un barrido a los
contraelectrodos del exhibidor numérico a la frecuencia
de 25 Hz.
niveles de voltaje. Los Manejadores de 3 y 4 Niveles de
Voltaje activan la sección indicadora de intensidad de
corriente del LCD.
Figura 4. Diagrama de bloques del circuito Manejador de
Intensidad de Corriente (MIC).
Figura 3. Diagrama de bloques del circuito Medidor de
Fuerza de Contracción Muscular (MFCM).
2.3 Circuito Manejador de Intensidad de
Corriente (MIC).
En la figura 4 se muestra el diagrama a bloques del
circuito Manejador de Intensidad de Corriente [1]. Tiene
la función de incrementar o decrementar la corriente que
se entrega al pad de intensidad de corriente, y maneja la
sección indicadora de intensidad de corriente del LCD.
El Contador Ascendente-Descendente incrementa o
decrementa su cuenta por medio de dos interruptores de
acción momentánea. De esta forma, al aplicar un solo
pulso el Contador Ascendente-Descendente incrementa o
decrementa su cuenta. La cuenta actual del contador le
permite al Decodificador de Prioridad de 16 Bits
seleccionar un par de transistores PMOS de los 32 que
integran al Pad Manejador de Intensidad de Corriente. El
par de transistores seleccionados proporcionan el nivel de
corriente necesario para controlar el Circuito Externo de
Estimulación (CEE). Inicialmente el Decodificador BCD
a Hexadecimal tiene sus salidas en 0 Volts (“0” lógico) y
cada vez que el Contador Ascendente-Descendente
incrementa su cuenta el Decodificador de Prioridad de 16
Bits cambia una de sus salidas a 5 Volts (“1” lógico) y la
mantiene en ese valor, por el contrario cuando el
Contador Ascendente-Descendente decrementa su cuenta
el Decodificador de Prioridad de 16 Bits regresa su señal
de salida de 5 Volts a 0 Volts. Los datos decodificados de
binario a hexadecimal son enviados al Multiplexor. El
contador a 8 junto con el decodificador a 4 proporcionan
un barrido para la activación de los manejadores de 3 y 4
3. SIMULACIÓN
En la simulación se considera únicamente el modo de
estimulación de TREN C/10S. Para la simulación de los
circuitos NE, MFCM y el MIC se utilizó el programa
WorkView, y para la simulación de las entradas y salidas
(pads) el programa spice.
3.1 Simulación del NE.
En la figura 5, se muestra la simulación del TREN
C/10S. En esta figura, la señal TREN es el tren de cuatro
pulsos básicos que se genera a partir de la frecuencia de 2
Hz (0.5 s), y el período de cada tren de cuatro pulsos se
genera con la frecuencia de 0.1 Hz (10 s).
Figura 5. Señales del modo de estimulación TREN
C/10S simulado con el programa WorkView.
3.2 Simulación del MFCM
La simulación del circuito MFCM se muestra en la figura
6. En esta simulación se consideró un solo tren de el
modo de estimulación TREN C/10S. En la figura 6, la
señal TR representa los trenes de pulsos que genera el
Transductor de Fuerza después de cada estímulo en el
nervio ulnar. Cada estímulo de la señal TREN en la
figura 6 genera un retardo de 300 ms. Este retardo de la
señal 300MS es el suficiente para que ocurran los eventos
fisiológicos de contracción y relajación (sacudida
muscular), que en resumen serían: el viaje del impulso
por el nervio, el intercambio de iones, la contracción de
las miofibrillas, y finalmente la relajación de las mismas.
La sacudida muscular en fibras rápidas es de 7.5 ms y en
fibras musculares lentas es de 100 ms[8]. Terminado cada
retardo de 300 ms, el Decodificador Binario a 7
Segmentos entrega siete nuevos datos, señales A, B, C, D,
E, F y G, de la figura 6 que representa nueva información
del grado de bloqueo neuromuscular. Finalizado el tren
de cuatro estímulos los datos permanecen en memoria por
8 segundos hasta que se presenta un nuevo tren de cuatro
estímulos.
salida del decodificador de Prioridad de 16 Bits (señales
de T0 a T15) se selecciona sólo un par de transistores que
proporciona al Circuito Externo de Estimulación un nivel
de corriente diferente.
Figura 7. Simulación del MIC con el programa
WorkView.
3.4 Simulación de los pad de los circuitos
MFCM y MIC que activan el LCD.
Figura 6. Simulación del MFCM con el programa
WorkView.
Debido ha que la versión del programa WorkView que
tenemos sólo trabaja con dispositivos digitales,
únicamente conseguimos simular hasta la etapa del
Decodificador BCD a 7 Segmentos.
3.3 Simulación del MIC
En la figura 7 se muestra la simulación del MIC. La señal
INC indica incremento de corriente y la señal DEC indica
decremento de corriente. En la figura 7 cada pulso de la
señal INC indica un incremento de corriente y cada pulso
de la señal DEC indica un decremento de corriente. Con
cada incremento de corriente, una señal de salida del
Decodificador BCD a Hexadecimal, (señales de D1 a
D16) cambia de 0 V a 5 V y por cada decremento de
corriente una señal de salida del Decodificador BCD a
Hexadecimal cambia de 5 V a 0 V. Por cada dato de
En la figura 8, se muestra un pad manejador de 3 niveles
de voltaje y un pad manejador de 4 niveles de voltaje.
Para evitar tener muchas línes de activación hacia el LCD
se emplea un multiplexaje a 8 en el MFCM, y un
multiplexaje a 4 en el MIC. El MFCM contiene 8 pads
manejadores de 4 niveles de voltaje para activar 8
contraelectrodos y 7 pads manejadores de 3 niveles de
voltaje para activar 7 segmentos, que indican el grado de
bloqueo neuromuscular. El MIC por su parte contiene 4
pads manejadores de 4 niveles de voltaje para activar a 4
contraelectrodos y contiene 4 pads manejadores de 3
niveles de voltaje para activar las 15 barras que indican el
nivel de intensidad de corriente. Los pads del circuito
MFCM y del circuito MIC tienen la misma configuración
de diseño, difieren únicamente en las señales que recibe
cada pad y el número de pads que integran a cada
circuito.
con el programa spice. La señal superior es de
contraelectrodo y la señal inferior es de barras verticales.
3.5 Simulación del pad manejador de
intensidad de corriente.
En la figura 11 se muestra la simulación del pad
Manejador de Intensidad de Corriente que proporciona el
nivel de corriente adecuado para controlar el Circuito
Externo de Estimulación (CEE).
Figura 8. Circuitos de los pads manejadores de 3 niveles
de voltaje y 4 niveles de voltaje.
Figura 11. Señales del pad del MIC simulado con el
programa spice.
El pad está integrado por 32 transistores conectados en
paralelo y diseñados de diferente tamaño para
proporcionar diferentes niveles de corriente; sólo un par
de transistores es seleccionado por el Decodificador de
Prioridad de 16 Bits.
Figura 9. Simulación de los pads del MFCM para
manejar la sección numérica del LCD con el programa
spice. La señal superior es de contraelectrodo y la señal
inferior es de segmentos.
4. PRUEBAS AL CIRCUITO EXTERNO DE
ESTIMULACIÓN
El Circuito Externo de Estimulación se muestra en la
figura 12. Las pruebas al Circuito Externo de
Estimulación consistieron en conectar una carga resistiva
variable de 500 ? a 2000 ? [10] simulando la impedancia
del circuito equivalente contituido por la piel, el gel y los
electrodos. Después se seleccionó y se aplicó el modo de
estimulación TREN C/10S.
Las pruebas consistieron en dos partes:
1. Selección del nivel de intensidad de corriente al valor
de estimulación máximo.
2. Selección del nivel de intensidad de corriente al valor
de estimulación mínimo.
Figura 10. Simulación de los pads del MIC para manejar
la sección indicadora de intensidad de corriente del LCD
En la figura 13 se muestran los resultados de estas
pruebas.
Rvar
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
Vmáx
18,6
22,3
25,8
29,3
32,8
36,0
39,1
42,5
45,7
48,8
52,2
55,4
58,6
61,5
64,8
67,6
Imáx
0,037200
0,037167
0,036857
0,036625
0,036444
0,036000
0,035545
0,035417
0,035154
0,034857
0,034800
0,034625
0,034471
0,034167
0,034105
0,033800
Vmín
0,85
1,02
1,18
1,34
1,50
1,66
1,82
1,98
2,14
2,30
2,46
2,62
2,78
2,93
3,09
3,24
Imín
0,001704
0,001700
0,001686
0,001675
0,001667
0,001660
0,001655
0,001650
0,001646
0,001643
0,001640
0,001638
0,001635
0,001628
0,001626
0,001620
Relación a máximo valor de estimulación.
Corriente de
estimulación (A)
0,040000
0,039000
0,038000
0,037000
0,036000
0,035000
0,034000
0,033000
0,032000
0,031000
0,030000
12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68
Figura 12. Circuito Externo de Estimulación.
1. Selección del nivel de intensidad de corriente al
valor de estimulación mínimo.
Se seleccionó el mínimo valor de estimulación y se varió
la carga en incrementos de 100 ? . Los resultados de
voltaje y corriente a mínimo valor de estimulación son
indicados por Vmín e Imín, estos resultados muestran que
a pesar de las variaciones de la carga (500 a 2000 ? ) la
corriente resultante Imín se mantiene casi constante. Los
resultados en forma gráfica se muestran en la parte
inferior de figura 13.
Voltaje de estimulación (V)
2. Selección del nivel de intensidad de corriente a
valor de estimulación máximo.
Relación a mínimo valor de estimulación.
Corriente de estimulación
(A)
0,00180
0,00178
0,00175
0,00173
0,00170
0,00168
0,00165
0,00163
0,00160
0,00158
0,00155
0,00153
0,00150
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4
Voltaje de estimulación (V)
Figura 13. Resultados de las pruebas del Circuito
Externo de Estimulación.
En esta prueba se cambio de mínimo valor de
estimulación a máximo valor de estimulación
considerando nuevamente la variación de la carga en
incrementos de 100 ? . Los resultados de voltaje y
corriente a máximo valor de estimulación son indicados
por Vmáx y Imáx. Estos resultados muestran que a pesar
de las variaciones de la carga (500 a 2000 ? ) la corriente
resultante Imáx se mantiene casi constante.
5. DISEÑO GEOMÉTRICO
Para el diseño geométrico se empleó el programa LASI
6.0. En la figura 14 se muestra el diseño geométrico del
pad manejador de intensidad de corriente. El diseño
geométrico completo del circuito integrado se muestra en
la figura 15. El área total del circuito integrado es de
6980 ? m X 7300 ? m.. El diseño se realizó en la técnica
de full custom (diseño a la medida).
Figura 15. Diseño geométrico del circuito integrado para
medir del grado de bloqueo neuromuscular.
REFERENCIAS
[1] Miranda J., Remolina J., Zepeda H., “Circuito
Manejador de un Mostrador a Cristal Líquido para un
Equipo de Evaluación de Bloqueo Neuromuscular”, IV
Seminario
Ibero-Americano en Tecnología de
Mostradores a Cristal Líquido, 1999, 19-20.
[2] Centro Nacional de Microelectrónica, “Normas de
diseño para la tecnología CMOS CNM25, Versión 3.0”,
España 1996.
[3] Programa OrCAD Pspice, Demo Versión 9.1, OrCAD
Inc.
[4] David Boyce, “LAyout System for Individualists LASI
CAD system”, Versión 6.0, Idaho University.
[5] McClintic Robert T., Fisiología del Cuerpo Humano,
pp. 107-111, 2da. Edición, Editorial Limusa.
Figura 14. Diseño geométrico del pad manejador de
intensidad de corriente.
6. CONCLUSIONES
Se diseñó un circuito integrado el cual sirve de ayuda al
anestesiólogo para tener una cuantización del grado de
bloqueo neuromuscular provocado farmacológicamente.
De acuerdo a las simulaciones realizadas el circuito
funcionó como se esperaba. El diseño se realizó con la
tecnología CMOS de 2.5 ? m con un área total de 0.509
cm2, y se mandó fabricar al Centro Nacional de
Microelectrónica en Barcelona, España.
[6] L. A. Geddes, L. E. Baker, Principles of Applied
Biomedical Instrumentation, pag. 278-279, 2da.
Edición, Ed. Wiley Intersciense Publication, John Wiley
& Sons.
[7] Rojas Cessa Roberto, Circuito Integrado Monolítico
de un Neuroestimulador de uso Clínico, Tesis de
maestría, CINVESTAV-IPN, México 1995.
[8] Torres Domínguez Raúl, Desarrollo de un Medidor
de Fuerza de Contracción Muscular en forma de
Circuito Integrado y de un Exhibidor de Cristal
Líquido de Propósito Específico, Tesis de maestría,
CINVESTAV-IPN, México 1998.
[9] Ganong William F., Fisiología Médica, pp 50-53 Ed.
El Manual Moderno, 1990.
[10] Sorin J. Brull, John Eloow, Jan Ehrenwerth, M. D.,
David V. Silvernam; “Train of four assessment at various
monitor currents”; Anesthesiology; sept 1988; V 96; no.
3A: A468.