“La técnica al servicio de la patria”

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL[pic 1][pic 2]

“La técnica al servicio de la patria”

Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología

Ingeniería Biomédica

Bioinstrumentación III

Profesores:

Ayala Torres Luis Guillermo

Arellano Rochlin Diana Rocio

Grupo: 7MV1

Práctica #1 Estimulador analgésico

Integrantes:

González González Ángel De Jesús

Montoya Pérez Karla Valeria

Pastrana Manzanero Angelo

Fecha de Entrega:

29 de octubre del 2020

Objetivos

General:

Identificar y explicar las características y aplicaciones de los electroestimuladores musculares analgésicos de propósito general y de uso en rehabilitación muscular

Particular:

Diseñar y construir un estimulador analgesico que genere las formas de onda que tenga las siguientes características:

• Frecuencia fija: 2, 20, 40, 80,120 Hz
• Modulación en frecuencia
• Trenes de pulso
• Amplitud positiva de 0 a 100V

Fundamento Teórico

La electroestimulación tiene procedencia desde hace siglos con los Egipcios, los cuales usaban peces que generan descargas eléctricas para tratar diversas patologías.

En el siglo XVIII Luigi Galvany demostró que haciendo pasar una corriente eléctrica por la médula espinal de una rana se podían obtener contracciones musculares, con ese experimento quedaba probado pues que el impulso nervioso tiene un componente eléctrico esencial que el ser vivo genera y le permite controlar sus acciones motoras, y que en un cadáver es posible obtener movimiento por medio de la electricidad, así mismo, se demostró que el tipo de energía que recorría el cuerpo humano era del mismo tipo que aquel que producía los relámpagos o el que se mostraba al frotar una barra de ámbar.

En el cuerpo existen zonas que son específicas para llevar a cabo la electroestimulación, he aquí las definiciones:

• Sobre puntos dolorosos: Se utiliza la técnica monopolar, el electrodo negativo más pequeño, actúa como activo, y se sitúa sobre el punto doloroso. Por otro lado el positivo o electrodo inactivo se coloca a 2 o 3 centímetros del negativo y solo tiene la función de cerrar el circuito. No se invierte la polaridad.
• En tronco nervioso: Son áreas donde los nervios están más superficiales con la piel, o puntos de Valleix. Se usa la técnica monopolar, el electrodo positivo sobre la raíz nerviosa (proximal) y el negativo sobre los puntos donde el nervio es más superficial.
• Aplicación paravertebral: Se usa técnica bipolar que se realiza colocando los electrodos en ambos lados de la columna, abarcando la zona de dolor entre ellos. Se realiza la inversión de polaridad a mitad del tratamiento.
• Aplicación gangliar: Los electrodos se sitúan en ambos lados de los ganglios vegetativos, que son el objetivo de estimulación, se usan electrodos de copa de 3 a 5 centímetros. No invierte la polaridad.
• Aplicación vasotrófica: Se usa para trastornos circulatorios periféricos, varices, etc. Con electrodos grandes tipo placa. Como norma, se hará aplicación de cortos períodos durante 5 minutos, con los electrodos positivos y negativos colocados longitudinalmente a lo largo del vaso afectado. No se realiza inversión de polaridad.
• Aplicación mioenergética: Para la realización de ejercicios musculares, con técnica bipolar, situando los electrodos sobre los extremos del músculo. Se recurre al uso de un ritmo sincopado como corriente más idónea.
• Aplicación transregional o transversal: Se utilizan grandes electrodos de placa para enviar corriente dinámica a través de las articulaciones; los electrodos se colocan de modo que entre ellos quede la articulación. Es decir, que se ubiquen en la cara interna y externa de ella. Se tiene que invertir la polaridad a mitad del tratamiento.

Efectos estimulantes de la corriente eléctrica

En los parámetros de los electroestimuladores encontramos las frecuencias, ateniéndonos a ellas podemos conseguir los diferentes efectos:

• 1 a 3 Hz: Tiene un efecto descontracturante y relajante, es ideal para contracturas musculares.
• 4 a 7 Hz: Aumenta la segregación de endorfinas y encefalinas, logrando una disminución del dolor y la ansiedad. Logra su efecto endorfínico máximo a los 5 Hertz provocando una anestesia local natural, una disminución del dolor y una relajación general. A los 7 Hertz se consigue un aumento del flujo sanguíneo y una hiperoxigenación.
• 8 a 10 Hz: El aumento del flujo sanguíneo es máximo. los electroestimuladores suelen tenerlo con el nombre de capilarización. Crea nuevos capilares, permite una restauración de los tejidos y un verdadero drenaje venoso y parece ser linfático.
• 10 a 33 Hz: Recluta las fibras y aumenta la resistencia de las mismas, se conoce también como resistencia aeróbica.
• 33 a 50 Hz: Logra el mayor aumento de resistencia a la fatiga
• 50 a 75 Hz: Proporciona un aumento de la fuerza y de la resistencia focalizada.
• 75 a 120 Hz e incluso 150 Hz: consigue una supratetanización de las fibras FT.

La estimulación eléctrica con electrodos de superficie a través de la piel mediante equipos portátiles viene aplicándose con éxito en la medicina tradicional desde hace muchos años para el tratamiento del dolor (TENS) y la recuperación muscular (EMS).

Memoria de cálculo

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Figura 1. Pulso cuadrado

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Como se desea que tenga un Duty cycle de 50%,  y  son iguales, por lo que[pic 8][pic 9]

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donde se puede determinar que debe ser casi cero para que se pueda cumplir el 50%, sin embargo, realmente no se puede poner una resistencia en 0 ya que sería como si estuviera en corto el circuito y se quemaría el 555[pic 11]

Se propuso un capacitor de 100nF.

Considerando una  de 1KΩ y una  de 40Ω, se obtuvo lo siguiente[pic 12][pic 13]

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Cálculos del transformador

La ecuación que rige la magnitud en henrios del inductor primario y secundario del transformador con respecto a sus voltajes de entrada es:

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De donde                         [pic 18]

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Para nuestro caso sustituimos los siguientes valores:

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Desarrollo

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Resultados

Parte física:

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Figura 2. Esquema del circuito que se hizo en físico

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Figura 3. Circuito anterior armado

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Figura 4. Verificación de la onda, que fuese 50% de duty cycle

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Figura 5. Monitor serial de Arduino, el cual se usó para ver la frecuencia con la que trabaja, la cual estaba entre 30Hz y 400Hz

Metodología

Etapa de simulación del circuito

Para la etapa de simulación del electro estimulador se recurrió al diseño presente en el manual para el canal 1 y a un diseño sustituyendo la sección de transistores por un Mosfet en el canal 2. Esto se puede apreciar en los recuadros azul y negro de la Figura X.

Ambos presentan su etapa de control con 555 configurados en modo astable que varian su frecuencia si afectar su ciclo de trabajo de 50%. Siendo las resitencias variabales RV1 y RV4, las responsables de dicho cambio (recuadros amarillos).

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Figura 6. Esquemático de simulación con dos canales.

Las señales de control son enviadas por comunicación serial a través de un Arduino (recuadro verde), cuyo código de recepción y transmisión de datos se encuentra en el Anexo 1. Con ayuda de la creación de dos puertos virtuales se configura el COM 1 para el envió de datos y el COM 2 para la recepción en LabVIEW.

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Figura 7. Interfaz gráfica en LabVIEW con diagrama a bloques.

Dicho programa presenta una etapa de adquisición de datos por medio de la librería VISA. Las señales de control son visualizadas de manera gráfica (grafica superior) y se realiza un equivalente de la señal a como se observaría a la salida del transformador (grafica inferior).

Análisis de resultados

Parte física

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Figura 8. Diferencia entre cada una de las ondas obtenidas con el serial plotter de Arduino

Se puede observar que no es el Duty cycle de 50% exacto, esto se debe a que la resistencia  no era completamente 0, por lo que, como se pudo observar en la memoria de cálculos el duty cycle es del 49%. Otro tema que se debe considerar es que en las frecuencias altas, el duty cycle va a ser menor, ya que si se hace el cálculo para un  menor a 100 Ω, sería de la siguiente manera:[pic 34][pic 35]

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