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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 1 Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Mar del Plata 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. 2 Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Mar del Plata 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. ALEJANDRO PICONE 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. 3 Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Mar del Plata 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 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. 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. 4