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Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Mar del Plata
ELECTROESTIMULADOR NEUROMUSCULAR BASADO EN
MICROCONTROLADOR Y PC
Alejandro Picone
Director: Ing. Fernando M. Clara
Co-director: Ing. Julio C. Doumecq
Departamento de Ingeniería Electrónica
2012
Un electroestimulador neuromuscular
es un dispositivo capaz de emular los
estímulos que el cuerpo produce de forma
natural para lograr el movimiento de los
músculos.
La
electroestimulación,
también
conocida como gimnasia pasiva, es la técnica
que utiliza la corriente eléctrica para provocar
una contracción muscular.
En el presente trabajo se desarrolló
un equipo que utiliza la electrónica digital
complementada con el uso de PC para la
generación, control y aplicación de diferentes
formas de onda capaces de producir
estimulación muscular y provocar así
contracciones controladas y localizadas.
fibra nerviosa como la muscular sufren un
proceso denominado despolarización, que
consiste en una pérdida transitoria del
potencial de reposo. Durante este proceso,
ingresan cargas positivas por la apertura de
los denominados canales iónicos, y el
potencial interno de estas células aumenta
desde unas decenas de mV negativos hasta
unos pocos mV positivos. Cierto tipo de
canales iónicos pueden ser abiertos cuando
se los somete a un campo eléctrico, como el
que se establece cuando se aplican
electrodos entre dos partes del cuerpo.
Aunque el campo eléctrico sea relativamente
débil,
igualmente
puede
producir
la
despolarización de una fibra nerviosa,
generando un potencial de acción nervioso
similar al que produce la descarga de
neurotransmisores por vía natural. La
despolarización de la fibra nerviosa produce a
su vez una descarga de neurotransmisores en
la unión neuromuscular que comanda, y se
genera en el músculo un potencial de acción
muscular que desencadena la contracción del
mismo.
En el músculo denervado o patológico, si el
campo eléctrico es prolongado y muy intenso,
puede producir directamente el potencial de
acción muscular y la contracción subsiguiente.
De esta forma, es posible generar
contracciones
musculares
mediante
descargas eléctricas, dando lugar a la técnica
denominada Electroestimulación, que tiene
aplicaciones terapéuticas muy importantes,
aunque actualmente se la utiliza también en
aplicaciones relacionadas con la cosmética y
el mantenimiento del estado físico de los
individuos.
Contracción muscular
Señales utilizadas
Los músculos se contraen debido a
que la fibra nerviosa perteneciente a la
neurona que los comanda descarga
sustancias llamadas neurotransmisores en un
punto llamado unión o placa neuromuscular.
Para desencadenar la contracción, tanto la
Las formas de onda más utilizadas por los
estimuladores de baja frecuencia son pulsos
rectangulares o triangulares de polaridad
Resumen
La
electroestimulación
muscular
complementa
los
programas
de
fortalecimiento para prevenir la atrofia en
articulaciones inmovilizadas y para facilitar la
rehabilitación de trastornos que dificultan la
contracción voluntaria. También se utiliza con
fines deportivos para mejorar la performance
de atletas y con fines estéticos para modelar
músculos específicos.
Se presenta un dispositivo basado en
un
microcontrolador
PIC16F628A
de
Microchip y controlado por PC, que genera las
formas de onda apropiadas para lograr
distintos tipos de estimulación muscular y para
efectuar tratamientos de iontoforesis.
Introducción
ALEJANDRO PICONE
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alternada, denominados
literatura médica.
bifásicos
en
la
tiempo llamado rampa de bajada. La suma de
estos tres intervalos determina el tiempo de
contracción. Luego la señal mantendrá su
amplitud nula durante un cierto tiempo,
llamado tiempo de pausa o relajación,
durante el cual el paciente experimenta un
descanso en sus músculos. Finalizado este
período, el ciclo se vuelve a repetir.
El dispositivo presentado tiene la
posibilidad de generar, básicamente, tres tipos
diferentes de pulsos, a saber:

Farádica bifásica:
Básicamente, se trata de pulsos
rectangulares deformados debido al efecto de
filtrado pasabanda de los transformadores de
salida.


Corriente galvánica: Según el léxico de la
electroestimulación, se denomina corriente
galvánica a aquella que mantiene constante
su polaridad a lo largo del tiempo, tratándose
simplemente de una corriente continua. La
Iontoforesis representa la aplicación principal
y más ampliamente difundida de la corriente
galvánica. Esta terapia consiste en la
penetración al organismo de principios activos
o fármacos específicos, utilizando como vía
conductora a esta corriente; en otras palabras,
empleando una vía electroquímica.
Ondas rusas:
El microcontrolador
A: Interrupción
B: Ráfaga
El empleo de estas ondas permite lograr un
grado de contracción muscular mayor que el
alcanzado por vía natural, y surgió para
aumentar la capacidad muscular en atletas
olímpicos. Se trata de una sucesión de trenes
de pulsos de una portadora senoidal de
2500Hz modulada por pulsos rectangulares de
20 ms. Estos presentan un tiempo de ráfaga
(B) de 13ms y un tiempo de interrupción (A)
de 7 ms, con lo cual su ciclo de actividad es
del 65%. La duración de la serie completa es
de 3s y se programa desde la PC.
Inicialmente, la señal comienza con amplitud
nula y luego comienza a incrementarse hasta
llegar al valor máximo. El tiempo empleado
por la señal para pasar de amplitud nula a
amplitud máxima se denomina rampa de
subida. Una vez alcanzada la amplitud
máxima, ésta se mantiene en este valor
(siempre en forma de ráfagas) durante un
cierto tiempo
llamado tiempo de
permanencia. Luego la señal decrece hasta
llegar a cero nuevamente, empleando un
ALEJANDRO PICONE
Para generar las distintas formas de onda
se utilizó un PIC16F628A de Microchip, debido a la
excelente relación precio/prestaciones, entre las
cuales encontramos 2048 Bytes de memoria de
programa, 128B EEPROM y 224B SRAM memoria
de datos, 16 pines E/S, 20MHz velocidad máxima,
oscilador interno de 4MHz, y módulo USART
(Universal
Syncronous-Asyncronous
Receiver
Transmiter).
Es el encargado de comunicarse con el
ordenador que lo comanda a través del puerto serie
(utilizando el módulo USART) y de generar las
diferentes formas de onda.
Requerimientos y especificaciones
Para determinar las especificaciones
se tomó como referencia un equipo analógico
disponible en el mercado, cuyas prestaciones
son las siguientes:
- Generación de corrientes farádicas bifásicas
y ondas rusas de frecuencia y ciclo de trabajo
variables.
- Cuatro canales simultáneos.
- Amplitud de salida sobre carga de 10
Kohms: 250 Volts.
- Ciclo de trabajo de ondas farádicas: 20%.
- Generación de corrientes galvánicas.
- Temporización del tratamiento de hasta 20
minutos.
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Se fijó como objetivo emular y mejorar el
desempeño del equipo analógico manteniendo
un costo reducido.
Generación de la señal
La señal se genera mediante la
interacción entre el microcontrolador y el
ordenador (comunicados a través del puerto
serie) y un circuito analógico, encargado de
acondicionarla.
Luego, esta señal es amplificada por una
etapa de salida en clase AB, que alimenta a
los electrodos de aplicación a través de un
transformador elevador de cuatro devanados
secundarios. Cada uno de estos devanados
conforma un canal, y dispone de un control de
intensidad independiente.
Resultados Obtenidos
El software de control es un programa
realizado en VisualBasic que tiene la función
de comunicarle al microcontrolador cuál es el
tipo de onda que debe generar y durante
cuánto tiempo, lo cual responderá a los
parámetros de tiempo de contracción, tiempo
de relajación y tiempo total de tratamiento que
el usuario haya seleccionado.
Para esto, el microcontrolador está
programado para generar diferentes formas
de onda o respuestas, según sea el mensaje
que haya recibido a través del puerto serie.
Entrega en el puerto de salida los 8 bits
correspondientes a la señal muestreada, cada
cierto período determinado por el tipo de onda
que se está generando.
La onda generada en forma digital
ingresa así a una red de resistencias R-2R
que hace las veces de conversor digitalanalógico (DAC), cuya salida se pre-amplifica
y filtra, acondicionando así la onda obtenida.
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La evaluación en el osciloscopio de
las señales obtenidas sobre una carga de
10KΩ mostró un resultado satisfactorio en
todas las formas de onda generadas.
En el caso particular de las ondas
farádicas, se verificó total estabilidad en
frecuencia y forma de onda, al variar la
cantidad de pulsos por minuto.
También se observó la ausencia de
sobrepicos, lo cual redunda en una sensación
más agradable al momento de la aplicación
sobre el cuerpo, ya que se elimina el efecto
tipo acupuntura o “pinchazo”.
Finalmente se aplicó mediante
electrodos
convencionales
la
electroestimulación sobre el brazo de un voluntario
sano utilizando ondas farádicas y rusas,
observándose la contracción periódica de los
músculos afectados, sin dificultades ni
molestias de ningún tipo.
En el caso de las ondas rusas, se
observó que la onda obtenida cumple con los
requisitos recomendados por la bibliografía.
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Conclusiones
Las
envolventes
de
crecimiento
y
decrecimiento son escalonadas, para permitir
un código de programa de mayor sencillez,
que
pueda
ser
implementado
sin
inconvenientes en este microcontrolador.
Se diseñó y realizó un equipo
electroestimulador controlado digitalmente de
bajo costo y prestaciones mejores o similares
que las de equipos comerciales vigentes.
El uso combinado de PC y
microcontroladores
aporta
una
gran
versatilidad a los diseños de cualquier tipo
permitiendo el agregado de diversas funciones
y posibilidades de expansión. En el caso
actual, la aplicación de tal técnica ha logrado
mejorar las prestaciones de un equipo
comercial muy difundido en nuestro medio,
permitiendo la generación de formas de onda
adicionales sin incrementar los requerimientos
de hardware, y dejando abierta la posibilidad
de ampliar aun más la variedad de las mismas
simplemente
modificando
el
software
disponible.
Bibliografía
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
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

Para el caso de la iontoforesis, debido
al circuito utilizado, la señal obtenida presenta
una forma parecida a una onda diente de
sierra, según se observa en la figura adjunta.
Se recuerda que el efecto galvánico se basa
en el valor medio de la onda aplicada, que
genera la dosis de corriente continua que
asegura el ingreso de iones a través de la piel
del paciente.
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


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ALEJANDRO PICONE
MIX
5,
Manual
de
usuario.
Electromedicina Morales.
Interfer Micra, Manual de usuario.
Meditea Estética.
Multiplex Classic, Manual de
usuario. Meditea Estética.
Ondas rusas, Manual de usuario.
Texel (http://www.texel.com.ar/)
Microcontrolador
PIC16F84Desarrollo de proyectos. Palacios
Municio, Enrique / Remiro Dominguez,
Fernando /
Lopez Perez, Lucas
Jose. Ra-Ma editorial
El Control Communications, apunte
de cátedra “Instrumentación Virtual”,
UNMDP
Aprenda Visual Basic 6.0 como si
estuviera en primero, ESIISS,
Universidad de Navarra
http://www.iontoforesis.com/
Iontoforesis en fisioterapia, José
Maria Rodríguez Martin.
http://www.electroterapia.com/
Electroterapia en fisioterapia, José
Maria Rodríguez Martin.
http://www.drrafaelspagnuolo.com/?page_id=148 –
Electroestimulación/Ondas rusas e
interferenciales,
Dr.
Rafael
Spagnuolo.
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