Diseño de un Dispositivo Automático Termo-Electrónico para el Tratamiento y Prevención del Síndrome del Túnel Carpiano

(1)

Nota de aceptación: ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________

Firma del director del trabajo de grado:

___________________________________________

Firma del jurado

___________________________________________

Firma del jurado

___________________________________________

(2)

DISEÑO DE UN DISPOSITIVO AUTOMÁTICO TERMO-ELECTRÓNICO PARA EL TRATAMIENTO Y PREVENCIÓN DEL SÍNDROME DEL TÚNEL CARPIANO

EDGAR ALEJANDRO RODRÍGUEZ HERNÁNDEZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERIA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C.

(3)

DISEÑO DE UN DISPOSITIVO AUTOMÁTICO TERMO-ELECTRÓNICO PARA EL TRATAMIENTO Y PREVENCIÓN DEL SÍNDROME DEL TÚNEL CARPIANO

EDGAR ALEJANDRO RODRÍGUEZ HERNÁNDEZ

Tesis para optar al título de Ingeniero Electrónico Director:

Jaime Angulo Ingeniero Electrónico

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERIA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C.

(4)

” No olvides trabajar

en pro de tus sueños ,

pues así , contigo y con

Dios , todo se realiza

mucho más rápido …”

(5)

E. Alejandro Rodríguez 2

AGRADECIMIENTOS

Ante todo agradezco a Dios pues sin él nada es posible, a mi familia materna y a mi padre por el apoyo incondicional que me han brindado durante cada etapa de la vida, motivándome constantemente para alcanzar las metas que me he propuesto. En especial, a mí madre Lucero Hernández, ya que ella fue y será mi motor constante, te agradezco por cada uno de los consejos, apoyo y dedicación que tuviste conmigo.

No puedo dejar de agradecer a mi Director, Ingeniero Jaime Humberto Angulo Chavarro. MSc, por brindarme su ayuda, guía y colaboración, quién desde su experiencia brindó soluciones prácticas para el desarrollo de este proyecto.

A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y el cuerpo docente, en especial a la Ingeniera Nubia Rincón Mosquera y al Ingeniero Edmundo Vega Osorio, por poner a mi disposición todos los conocimientos necesarios para lograr culminar esta etapa de formación, tanto personal como profesional.

(6)

RESUMEN

(7)

ABSTRACT

In this paper grade is design a device for the treatment and prevention of pathology of carpal tunnel syndrome, which involves two therapies that have proven very effective results, as they are the Electrical therapy electro Neural stimulation Transcutaneous and thermal heat therapy and cold for their therapeutic and analgesic effects, this from an electronic approach, with the advantage of having no side effects and the fact that two non-invasive therapies to reduce to very low levels the risks to the patient helping to strengthen muscles and inducing the body to produce analgesic responses naturally.

The proposed device can provide different therapies ways thanks to its different modes of operation, and fairly easily thanks to the interface created for handling by users and the respective operating instructions which is recorded all indications necessary for the proper operation and safety handling of both device and user security at the time of use.

(8)

CONTENIDO Pág. AGRADECIMIENTOS ... 2

RESUMEN ... 3

ABSTRACT ... 4

INTRODUCCIÓN ... 10

1 JUSTIFICACIÓN ... 12

2 OBJETIVOS ... 14

2.1 OBJETIVO GENERAL ... 14

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 14

3 MARCO REFERENCIAL ... 15

3.1 SÍNDROME DEL TÚNEL CARPIANO ... 15

3.2 ANATOMIA DEL NERVIO MEDIANO ... 16

3.3 ESTUDIOS REALIZADOS A INDIVIDUOS CON ENFERMEDADES RELACIONADAS CON EL NERVIO MEDIO ... 17

3.4 PRINCIPALES METODOS USADOS ACTUALMENTE PARA LA PREVENCION Y TRATAMIENTO DEL SÍNDROME DEL TÚNEL CARPIANO (STC) 18 3.5 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TENS ... 18

3.6 Tipos de corriente eléctrica ... 19

3.7 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA TERAPIA TÉRMICA... 20

3.8 EFECTOS DE LA TERAPIA TÉRMICA ... 20

3.8.1 Efectos de la crioterapia... 20

3.8.2 Efectos de la termoterapia ... 21

3.9 IMPEDANCIA BIOELÉCTRICA ... 21

3.10 MARCO LEGAL ... 24

3.10.1 Artículos relacionados en la reglamentación colombiana. ... 24

4 DISEÑO DEL DISPOSITIVO TERMO-ELECTRÓNICO ... 28

4.1 ETAPAS DEL DISPOSITIVO ... 28

(9)

4.1.2 Unidad de Control Principal ... 29

4.1.3 Unidad de Control Auxiliar ... 29

4.1.4 Circuito Eléctrico ... 29

4.1.5 Circuito Térmico ... 29

4.1.6 Aislamiento y Protección del Usuario ... 29

4.1.7 Transductor Eléctrico ... 29

4.1.8 Transductor Térmico ... 29

4.2 Etapa de alimentación ... 30

4.3 Sistema de Control ... 30

4.3.1 Ingreso de datos ... 31

4.3.2 Visualización ... 32

4.3.3 Generación de pulsos eléctricos de control ... 33

4.3.4 Control y ajuste del voltaje/corriente ... 35

4.3.5 Función de los micro-controladores en el dispositivo ... 36

4.3.6 Sistema de conmutación y aislamiento del usuario ... 43

4.3.7 Módulo de terapia térmica ... 46

5 RESULTADOS ... 51

6 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ... 59

6.1 Conclusiones ... 59

6.2 Trabajos Futuros ... 60

Bibliografía ... 61

Glosario ... 64

(10)

INDICE DE TABLAS Pág. Tabla 1. Resistividad en diferentes elementos de la composición corporal.(18). ... 22

Tabla 2. Impedancia del cuerpo humano para diferentes estados de humedad. (20) ... 23

Tabla 3. Resultados a diferentes frecuencias y valores de impedancia emulados con capacitancia de 22pf. (Fuente: El autor) ... 57

Tabla 4. Estadística de lesiones y enfermedades ocupacionales no fatales que implican días fuera del trabajo en Estados Unidos, (Total private, State, and local government), 2011. (23). ... 66

Tabla 5. Estadística de lesiones y enfermedades ocupacionales no fatales que implican días fuera del trabajo en Estados Unidos, (Privateindustry), 2011. (23). ... 67

Tabla 6. Estadística de lesiones y enfermedades ocupacionales no fatales que implican días fuera del trabajo en Estados Unidos, (Stategovernment), 2011. (23). ... 68

Tabla 7. Características sociodemográficas. (24) ... 69

Tabla 8. Características ocupacionales. (24) ... 69

(11)

INDICE DE FIGURAS Pág. Figura 1. Nervio mediano comprimido. (9) ... 16

Figura 2. Nervio mediano a la altura de las axilas. (10) ... 16

Figura 3. Ramas cutáneas inervadas por el nervio mediano en la palma y en el dorso de la mano. (10) .... 17

Figura 4. Conductividad de los diferentes tejidos humanos en función de la frecuencia. (17) ... 21

Figura 5. Modelo eléctrico equivalente de la impedancia electrodo-electrólito-piel. (Adaptado de Webster, 1995.).(19) ... 23

Figura 6. Diagrama de bloques del sistema implementado. (Fuente: El autor) ... 28

Figura 7. Circuito Regulador de Voltaje. (Fuente: El autor) ... 30

Figura 8. Teclado matricial 4x4 y conexión al micro controlador principal. (Fuente: El autor) ... 31

Figura 9. Pantalla de Cristal Líquido 2x16 y conexión con el micro-controlador principal. (Fuente: El autor) ... 32

Figura 10. Señal de control terapia eléctrica. (Fuente: El autor) ... 33

Figura 11. Señal de control terapia térmica Calor. (Fuente: El autor) ... 34

Figura 12. Señal de control terapia térmica Frio. (Fuente: El autor) ... 34

Figura 13. Arreglo dinámico de resistencias. (Fuente: El autor) ... 35

Figura 14. Secuencia principal. (Fuente: El autor) ... 37

Figura 15. Secuencia en modo electroterapia Analgésico y Prevención. (Fuente: El autor) ... 38

Figura 16. Secuencia en modo terapia térmica. (Fuente: El autor) ... 38

Figura 17. Secuencia en modo terapia preventiva. (Fuente: El autor) ... 39

Figura 18. Secuencia automática. (Fuente: El autor) ... 40

Figura 19. Enrutamiento y ejecución de terapia Eléctrica según selección. (Fuente: El autor) ... 41

Figura 20. Ejecución Terapia térmica Calor. (Fuente: El autor) ... 42

Figura 21. Ejecución Terapia térmica frio. (Fuente: El autor) ... 43

Figura 22. Diagrama circuital del sistema de conmutación y aislamiento. (Fuente: El autor) ... 44

Figura 23. Modelo eléctrico del transformador. (21) ... 46

Figura 24. Diagrama de la estructura interna de una celda de peltier.(22) ... 47

Figura 25. Diagrama del control de temperatura para el módulo de peltier. (Fuente: El autor) ... 48

Figura 26. Esquema eléctrico general del dispositivo. (Fuente: El autor) ... 50

Figura 27. Señal de salida simulando micro-controlador en terapia eléctrica. (Fuente: El autor) ... 51

Figura 28. Señal de salida de la etapa eléctrica. (Fuente: El autor) ... 52

Figura 29. Simulación salidas pwm. (Fuente: El autor) ... 52

Figura 30. Salida del puente H. (Fuente: El autor) ... 53

Figura 31. Señal de 1 Hz. (Fuente: El autor) ... 54

(12)

Figura 40. Resultados obtenidos, Voltajes y corrientes rms respectivamente. (Fuente: El autor) ... 58

(13)

INTRODUCCIÓN

Desde hace aproximadamente cuatro milenios la electro estimulación como método de tratamiento para diversas patologías ha sido utilizada por grandes civilizaciones como la egipcia, romana y griega, donde algunos peces que poseían la propiedad de generar descargas eléctricas eran utilizados para combatir dolencias menores como jaquecas; posteriormente debido a los avances de la tecnología se han desarrollado mejores métodos para la aplicación de descargas controladas como tratamiento, así como para incrementar el rendimiento deportivo1.

Estos avances han permitido la incursión de la electricidad en la medicina como herramienta curativa o paliativa, tal es el caso del TENS (Estimulación Eléctrica Neural Transcutánea) que es usado para el alivio del dolor, recuperación de la fuerza muscular, entre otras aplicaciones. (1).El principio de funcionamiento de un TENS se basa en el hecho que cuando decidimos contraer un músculo, el cerebro envía una orden en forma de un pulso eléctrico que se propaga a gran velocidad por toda la red de fibras nerviosas dispuestas a lo largo del cuerpo llegando al nervio y transmitiéndose a las fibras musculares, desencadenando la contracción muscular.

En electro estimulación, la excitación se produce directamente sobre el nervio motor, a través de impulsos eléctricos donde el músculo no puede diferenciar una contracción voluntaria (provocada por el cerebro) de una contracción electro inducida, activando de esta forma la respuesta natural del organismo, aprovechando la capacidad de aliviar el dolor; obteniendo resultados similares he incluso mejores que los obtenidos mediante el consumo de fármacos y con la ventaja principal de no poseer efectos secundarios para el paciente.

Es por ello que este proyecto pretende mostrar el diseño del prototipo de un sistema automático de estimulación eléctrica-térmica conformada por dos canales en donde, uno de ellos genera pulsos eléctricos y el otro suministra terapia (calor/frio) a través de calor, para efectuar la terapia preventiva y/o analgésica del síndrome del túnel carpiano, adicionalmente se tuvo en cuenta la variable de impedancia corporal con el fin de automatizar el dispositivo y de esta manera facilitar la aplicación de las terapias.

1_{“En el siglo XVIII Luigi Galvany demostró que haciendo pasar una corriente eléctrica por la médula espinal}

(14)

(15)

1 JUSTIFICACIÓN

La razón por la cual es interesante y necesario realizar este dispositivo, está fundamentado en la literatura (1) (2) (7) (13) y en los estudios estadísticos que se han realizado por diferentes entes especializados en la salud que han evidenciado en la población general un incremento en el padecimiento de este síndrome, (3), “Cerca del 5% de la población mayor de 25 años, en el mundo, presenta esta enfermedad”2

, (2), especialmente por causa de sus actividades laborales al no preparar adecuadamente el musculo para movimientos repetitivos en el área del antebrazo y la mano, por lo cual existe una preocupación creciente por parte de las aseguradoras, las empresas, EPS y similares, pues implica reducciones en el rendimiento del personal y costos un poco elevados de tratamientos que en ocasiones no tienen gran eficiencia, los costes ocasionados por esta patología son de diversa naturaleza, desde los derivados de la atención sanitaria, intervención quirúrgica y rehabilitación, (estimados en Estados Unidos en 1 billón de dólares americanos al año3) a los producidos por la pérdida de productividad del trabajador afectado, las compensaciones económicas de las empresas y los días de baja laboral, que se calculan en 30 días por proceso (Ver Tabla 5). (4). Lo cual indica una pérdida considerable de recursos (mano de obra y dinero).

Es importante notar que el Síndrome del Túnel Carpiano (STC) es uno de los principales problemas de salud de los trabajadores que desarrollan tareas relacionadas con esfuerzos manuales intensos y movimientos repetitivos del miembro superior. Su origen radica en la compresión del nervio mediano a nivel de la muñeca en su paso por el túnel del carpo. Se caracteriza por dolor nocturno, parestesias, parálisis y debilidad muscular en el territorio inervado por este nervio; aunque pueden estar implicadas las dos manos, la sintomatología se presenta con mayor frecuencia en el miembro dominante, por lo cual el tratamiento se aplica prioritariamente en estos miembros.

Aunque la enfermedad ha sido ampliamente documentada en artículos médicos y páginas de internet, no han sido desarrollados suficientes elementos que permitan la prevención y el tratamiento del síndrome, ya que la prevención consiste en descansos periódicos y evitar posturas forzadas de flexión y extensión de la muñeca de manera repetitiva. Y el tratamiento se realiza con el uso de férulas

2_{Dato tomado de la revista UNIMEDIOS de la Universidad Nacional De Colombia el 25 de Abril de 2013,}

Ver Referencia (25).

3

(16)

E. Alejandro Rodríguez 13 inmovilizadoras e inyecciones de cortisona o anti inflamatorios, lo cual ataca los síntomas pero no necesariamente la causa.

Las principales causas del Síndrome del Túnel Carpiano (STC) de origen laboral son el uso de herramientas inadecuadas, técnicas de trabajo deficientes y tareas manuales repetitivas con utilización de fuerza. (4). Además que los métodos actuales no son integrales para el tratamiento y prevención de la patología, de esta manera se plantea un dispositivo electrónico acorde con las normas establecidas4, que integre dos de las terapias que han demostrado ser más eficientes en el tratamiento del Síndrome del Túnel Carpiano (STC) las cuales son: la terapia térmica y la terapia eléctrica, que cumpla con características físicas y económicas de tal manera que permitan al dispositivo ser de mediano costo, de fácil manejo y transporte y que la terapia aplicada sea un método no invasivo.

4

(17)

2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar un dispositivo, termo-electrónico para suministrar terapia preventiva y analgésica del Síndrome del Túnel Carpiano de manera automática.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Realizar el estudio previo y recolección de información existente sobre el Síndrome del Túnel Carpiano (STC) y Métodos de tratamiento.

 Diseñar y generar el prototipo que permita realizar la terapia térmica y la terapia eléctrica con el respectivo software de supervisión para su adecuada aplicación.

(18)

3 MARCO REFERENCIAL

La disfunción de un solo grupo de nervios, como el nervio mediano distal, se denomina Mono neuropatía, ésta se presenta cuando el nervio está inflamado, atrapado o lesionado por un traumatismo. La razón más común es el atrapamiento, el cual ejerce presión sobre el nervio donde éste pasa a través de un área estrecha. Las fracturas de muñeca pueden lesionar el nervio mediano directamente o pueden incrementar el riesgo de atrapamiento de un nervio posteriormente.

La inflamación de los tendones (tendinitis) o de las articulaciones (artritis) y las enfermedades que afectan el tejido conectivo o que causan la formación de depósitos en los tejidos pueden bloquear el flujo sanguíneo y llevar a compresión de los nervios.

Un tipo de disfunción del nervio mediano distal de interés particular para el presente documento, es el síndrome del túnel carpiano. (5). Por lo cual es importante profundizar un poco en algunos aspectos de interés para el lector.

3.1 SÍNDROME DEL TÚNEL CARPIANO

(19)

E. Alejandro Rodríguez 16 Figura 1. Nervio mediano comprimido. (9)

3.2 ANATOMIA DEL NERVIO MEDIANO

El nervio mediano es una rama terminal del plexo braquial que nace al nivel de la axila, es la rama media de las ramas anteriores (Ver Figura 2), desciende por el brazo medial junto a la arteria braquial sin inervar ningún músculo. Después sigue hasta la fosa cubital por fuera del tendón del bíceps y pasa al antebrazo entre las dos cabezas del pronador redondo. En el antebrazo cruza la arcada tendinosa y se sitúa por debajo del flexor común superficial de los dedos, unido a la superficie profunda de éste y sobre el flexor profundo de los dedos.

(20)

E. Alejandro Rodríguez 17 En el antebrazo inerva los músculos del grupo anterior: pronador redondo, palmar mayor, palmar menor, pronador cuadrado, el flexor largo del pulgar, flexor común profundo de los dedos y flexor común superficial de los dedos. El tronco principal del mediano llega al ramo cutáneo palmar justo antes de entrar en el túnel del carpo. Una vez cruzada la muñeca por el túnel carpiano inerva en la mano el abductor corto, oponente y flexor corto del pulgar y las ramas cutáneas sensoriales en la palma y en el dorso. (Ver Figura 3). (11)

Figura 3. Ramas cutáneas inervadas por el nervio mediano en la palma y en el dorso de la mano. (10)

3.3 ESTUDIOS REALIZADOS A INDIVIDUOS CON ENFERMEDADES RELACIONADAS CON EL NERVIO MEDIO

El

Síndrome del Túnel Carpiano (STC)

se descubrió desde 1854 gracias a los

estudios realizados por Paget quien discutió la compresión del nervio mediano en la muñeca secundaria a un traumatismo. En 1913, Marie y Foix5, en la autopsia de un paciente con atrofia avanzada de los músculos tenares pero sin antecedentes de lesión, demostró neuromas en los nervios mediano y en el ligamento proximal transverso del carpo. Ellos fueron los primeros en recomendar la descompresión del nervio mediano al seccionar el ligamento transverso del carpo con el fin de evitar la parálisis de los músculos tenares. Moersch, en 1938, también recomendó seccionar el ligamento transverso del carpo en un paciente con neuritis mediana bilateral, pero la operación no se realizó. En 1946, Cannon y Love comunicaron treinta y ocho casos de parálisis del nervio mediano, en nueve de los cuales el paciente fue tratado por sección del ligamento transverso del carpo. Tres de estos nueve pacientes no tenían antecedentes claros de traumatismo previo con lo cual

5_{Es importante notar que los trabajos realizados por Marie y Foix fueron principalmente enfocados hacia}

(21)

E. Alejandro Rodríguez 18 se puede inferir que se comenzaba a percibir una incidencia creciente de traumatismos asociados al túnel carpiano.

Brain, Wright, y Wilkinson, en 1947 centraron primero la atención en la compresión espontánea del nervio mediano en el túnel carpiano por su informe detallado de los seis pacientes tratados con éxito por seccionar el ligamento transverso del carpo.

En noviembre de 1947, se realizó el primer diagnóstico corroborado del síndrome del túnel carpiano por el doctor Phalen y a partir de esa fecha se empezó a documentar la información recopilada acerca de este síndrome (6). De esta manera se evidencian algunos avances en el diagnóstico de una enfermedad de la cual anteriormente no se tenía registro alguno.

3.4 PRINCIPALES METODOS USADOS ACTUALMENTE PARA LA PREVENCION Y TRATAMIENTO DEL SÍNDROME DEL TÚNEL CARPIANO (STC)

La prevención consiste en evitar posturas forzadas de flexión y especialmente de extensión de la muñeca de forma repetitiva, que puede ser el origen de la inflamación tendinosa que origina el problema.

El tratamiento que actualmente existe es inmovilizar la muñeca mediante una férula, aplicar un medicamento anti-inflamatorio o una inyección de cortisona en el interior del túnel.

Adicionalmente pueden utilizarse terapias alternativas como la acupuntura y la quiropráctica sin embargo aún no se a comprobado su eficacia. (12).

Si el caso es muy severo se puede proceder a realizar una cirugía la cual libera la presión del nervio medio causada por el túnel carpiano, aunque es una solución, en muchos casos no es duradera y el paciente termina por reincidir, con la gran desventaja de ser un método invasivo.

Cuando la etapa sintomática ha sido superada es recomendable el tratamiento kinésico local y a distancia para resolver disfunciones ósteo-articulares y musculares que ocasionan la compresión nerviosa sea en el cuello, miembro superior u hombro. Se puede emplear fisioterapia y técnicas articulares, miofasciales y neuromusculares para descomprimir los desfiladeros por donde circula el nervio mediano y técnicas para aumentar la movilidad y disminuir el dolor. (2).

3.5 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TENS

(22)

E. Alejandro Rodríguez 19 Los primeros modelos de respuesta analgésica al estímulo del receptor cutáneo, fueron propuestos por Melzack, Wall y por Castel. (13). Tales modelos presentan esencialmente los siguientes tres mecanismos analgésicos:

•Estímulo desde las fibras A beta aferentes las cuales dan lugar al bloqueo de impulsos (mensajes de dolor) transportados a través de fibras aferentes A delta y C.

•Estímulo a lo largo de vías descendentes en el asta posterior de la médula espinal, que da lugar al bloqueo de los impulsos transportados a través de las fibras aferentes A delta y C.

•Estímulo de las fibras aferentes, que producen la liberación de opiáceos endógenos en el sistema nervioso central y una respuesta analgésica generalizada.

•La teoría del control de la compuerta: estimulando a través de impulsos eléctricos, las fibras nerviosas de la sensibilidad táctil, que se encuentran en la superficie cutánea de la región dolorosa y provocan una interferencia que distorsiona las señales emitidas por los receptores nerviosos.

Todos los fenómenos dolorosos pueden tratarse a través del "TENS" ya que tiene un importante efecto analgésico (disminución del dolor), pero no tiene ningún efecto sobre la causa del dolor. El efecto anti-dolor aparece progresivamente durante su aplicación y llega al máximo después de 20 minutos, manteniéndose una vez finalizado el programa, durante un tiempo más o menos prolongado. Los "TENS" no necesitan utilizar intensidades máximas es suficiente con percibir una clara sensación de cosquilleo u hormigueo en la región estimulada, no es necesario observar una contracción muscular, el nivel de intensidad necesario puede variar mucho de un sujeto a otro.

3.6 Tipos de corriente eléctrica

La clasificación de las corrientes en electroterapia se puede clasificar de varias formas.

Según efectos generados: efectos electroquímicos, efectos sobre nervio y musculo, estimulo sensitivo en fibra nerviosa, Efectos por aporte energético para mejorar metabolismo.

Según las frecuencias: baja frecuencia, de 0 a 1KHz (aproximadamente), media frecuencia, de 1KHz a 10 KHz, alta frecuencia, de 500 KHz hasta el límite de las radiaciones no ionizantes en los ultravioletas tipo UV-A.

(23)

E. Alejandro Rodríguez 20 Corriente Directa: Es una corriente monofásica, ya sea continua o pulsátil.

Corriente Alterna: Es una corriente bifásica pulsátil.

Según metodología, todas las corrientes se aplican en general de acuerdo a cuatro métodos regulables en los equipos: pulsos aislados, ráfagas o trenes, frecuencia fija, modulaciones o cambios constantes y repetitivos. 8

En el desarrollo del presente prototipo las corrientes utilizadas pertenecen a esta última clasificación (corrientes de frecuencia fija y ráfagas o trenes de pulsos), éstas a su vez se pueden clasificar como corrientes de baja frecuencia.

3.7 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA TERAPIA TÉRMICA

La terapia térmica aplicada para el tratamiento del Síndrome del Túnel Carpiano (STC) consta de dos etapas, una etapa inicial donde se aplica al miembro afectado una temperatura alta (Calor),Dependiendo de la técnica que se utilice, será necesario aplicar directamente sobre la piel (aire caliente, lámpara de infrarrojos, microondas…) o será necesario emplear un paño o servilleta, por ejemplo en el caso de que sea un sólido o semilíquido, para reducir el riesgo de quemaduras. (14). Posteriormente se aplica la etapa de crioterapia en donde se aplica una temperatura baja (Frio), Como norma general, entre 10 y 30 minutos de aplicación en una zona localizada. Menos tiempo provocará poco (o ningún) efecto. Mayor tiempo de aplicación aumenta la probabilidad de que se produzca un “efecto rebote”, y el organismo nutra de sangre y caliente una zona del cuerpo que se ha enfriado demasiado. (15).

3.8 EFECTOS DE LA TERAPIA TÉRMICA

La terapia térmica es utilizada por sus efectos de sedación, anti-inflamatorios y por generar mejoras en el sistema circulatorio.

3.8.1 Efectos de la crioterapia

 Disminución del dolor: El frío tiene efecto analgésico. Produce sedación local, disminuyendo la sensibilidad y la percepción del dolor músculo-esquelético.

 Vasoconstricción: El frío reduce el aporte sanguíneo a la zona. Esto es útil para tratar con inflamaciones provocadas por traumatismos.

(24)

E. Alejandro Rodríguez 21 3.8.2 Efectos de la termoterapia

 Vasodilatación. Aumento del flujo de sangre a la zona (hiperemia). La hiperemia tiene efecto analgésico (reduce el dolor), favorece la nutrición de los tejidos y la eliminación de productos de desecho.

 Disminución de la presión arterial. El calor afecta al corazón y reduce la presión sanguínea. Si baja en exceso, pueden producirse mareos, por lo que es necesario supervisar para evitarlo.

 Efecto sedante. El estímulo de calor de larga duración tiene efecto sedante, ya que favorece la relajación muscular, evita el espasmo muscular, alivia la fatiga y ralentiza la conducción nerviosa de estímulos dolorosos.

3.9 IMPEDANCIA BIOELÉCTRICA

Es una técnica utilizada para medir la composición corporal, fundamentada en la capacidad que posee el organismo de conducir una corriente eléctrica, compuesta por dos parámetros físicos (resistencia y reactancia) que dependen del contenido de agua y de la conducción iónica del organismo.

Por tal razón la conductividad eléctrica es mayor en el tejido magro, respecto al tejido adiposo, puesto que el primero contiene la mayor cantidad de líquido y electrolitos; adicionalmente la conductividad de componentes como la sangre o la orina es alta, la de los músculos es intermedia y la de los huesos y grasa es baja tal como se muestra en la Figura 4 y la Tabla 1 en términos de resistividad.

Dependiendo del área transversal del lugar donde se mida la resistencia puede variar siendo menor en regiones con una gran área transversal, como el tronco, y mayor en zonas con menor área transversal, como los brazos. (16).

(25)

E. Alejandro Rodríguez 22 Tabla 1. Resistividad en diferentes elementos de la composición corporal.

(18).

TIPO DE TEJIDO RESISTIVIDAD ρ (Ω*m) SANGRE 1.46–1.76 FIBRA MUSCULAR

ESTRIADA

Longitudinal. 1.24–3.45 Transversal. 6.75–18.0

PULMÓN

Inhalación. 17.0 Exhalación. 8.0

TEJIDO NEURONAL

GRIS 2.8 BLANCO 6.8 GRASA 20 HUESO > 40

(26)

E. Alejandro Rodríguez 23 Figura 5. Modelo eléctrico equivalente de la impedancia

electrodo-electrólito-piel. (Adaptado de Webster, 1995.). (19)

La resistencia puede oscilar en el ser humano entre los valores comprendidos desde los 500 Ohmios hasta incluso 100.000 Ohmios, considerando como cantidades normales los comprendidos entre 1.000 y 2.000 Ohmios. Estas diferencias están en función de las características fisiológicas del cuerpo humano, variando de unas personas a otras, y no se pueden establecer valores idénticos para todos los casos. (20)

Tabla 2. Impedancia del cuerpo humano para diferentes estados de humedad. (20)

Tcontacto (V)

Resistencia del cuerpo humano (Ω) para diferentes estados de la piel

SECA HÚMEDA MOJADA INMERSA

25 5000 2500 1000 500

50 4000 2000 875 440

(27)

E. Alejandro Rodríguez 24 3.10 MARCO LEGAL

En Colombia la reglamentación existente al diseño de equipos médicos se relacionan en el Decreto 1290 de 1994 "Por el cual se precisan las funciones del Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos – INVIMA- y se establece su organización básica".

El artículo 245 de la Ley 100 de 1993, trata de las obligaciones del INVIMA para “Ejecutar las políticas formuladas por el Ministerio de Salud en materia de vigilancia sanitaria y de control de calidad de los productos que señala dicho ente, los cuales, según el mismo decreto, involucran: “medicamentos, productos biológicos, alimentos, bebidas, cosméticos, dispositivos y elementos quirúrgicos, odontológicos, productos naturales, homeopáticos y los generados por biotecnología, reactivo de diagnóstico, productos de aseo, higiene y limpieza, los plaguicidas de uso doméstico.”6

Es importante mencionar el Decreto 4725 de 2005 en el cual se reglamenta específicamente el concepto “Por el cual se reglamenta el régimen de registros sanitarios, permiso de comercialización y vigilancia sanitaria de los dispositivos médicos para uso humano.”

También se menciona el decreto 4562 de 2006, en donde se reglamenta que “para los dispositivos médicos tales como: Catéteres, electrodos Sondas, Suturas y materiales de curación en general Cementos para uso odontológico, compuestos de modelar, mercaptanos, siliconas, alginatos, hidrocoloides reversibles e irreversibles, materiales para restauración temporal y definitiva y materiales para obturación de conductos radiculares, se encuentren amparados y no con registro, para su comercialización deberán obtener registro sanitario, en las condiciones establecidas en el presente decreto”.7

3.10.1 Artículos relacionados en la reglamentación colombiana.

El Artículo 2° Para efectos de aplicación del presente decreto, se adoptan las siguientes definiciones: Dispositivo Médico Activo, cualquier dispositivo médico cuyo funcionamiento dependa de una fuente de energía eléctrica o de cualquier fuente de energía distinta de la generada directamente por el cuerpo humano o

6

Colombia. Ministerio de Gobierno. Articulo245 de la ley 100 de 1995, Junio 22, por el cual se precisan las funciones del Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos -INVIMA- y se establece su organización básica. Bogotá: El Ministerio; 1995.p.1

7

(28)

E. Alejandro Rodríguez 25 por la gravedad, y que actúa mediante la conversión de dicha energía. No se considerarán dispositivos médicos activos, los productos sanitarios destinados a transmitir, sin ninguna modificación significativa, energía, sustancias u otros elementos de un dispositivo médico activo al paciente.8.

Artículo 4° Los dispositivos médicos deberán cumplir con los requisitos de seguridad y funcionamiento establecidos por el fabricante que les sean aplicables de acuerdo a la finalidad prevista. Al seleccionar las soluciones más adecuadas a los riesgos derivados de la utilización de los dispositivos médicos, el fabricante aplicará los siguientes requisitos, en el orden que se indica a continuación:

a) Eliminar o reducir los riesgos en la medida de lo posible (seguridad inherente al diseño y a la fabricación).

b) Adoptar las oportunas medidas de protección, incluso alarmas, en caso de que fuesen necesarias, frente a los riesgos que no puedan eliminarse.

c) Informar a los usuarios de los riesgos residuales debidos a la incompleta eficacia de las medidas de protección adoptadas.

PARÁGRAFO PRIMERO: Los dispositivos médicos contemplados en el presente decreto deberán comercializarse, diseñarse, fabricarse y almacenarse de forma tal que su utilización no comprometa el estado clínico, la salud ni la seguridad de los pacientes o de quienes estén en contacto con los mismos, cuando se empleen en las condiciones y con las finalidades previstas.

Los dispositivos médicos deberán ofrecer las indicaciones que les haya atribuido el fabricante, es decir, estar diseñados y fabricados de manera que puedan desempeñar sus funciones tal y como el fabricante las haya especificado.

PARÁGRAFO SEGUNDO: Mientras dure el período de validez previsto por el fabricante, los principios de seguridad y funcionamiento de los dispositivos médicos no deberán alterarse en un grado tal que se vean comprometidos el estado clínico, la salud y la seguridad de los pacientes y, en su caso, de terceros, cuando el producto se vea sometido a las situaciones que puedan derivarse de las condiciones normales de utilización. 6

ARTÍCULO 36° se relaciona con el dispositivo médico y equipo biomédico de tecnología controlada prototipo nacional o importado, sólo podrá ser autorizado para fines de investigación y experimentación y, en ningún caso, podrán ser empleados en la atención de salud.

8

(29)

E. Alejandro Rodríguez 26 Para la importación de prototipos de dispositivos médicos y equipos biomédico de tecnología controlada, se requerirá de concepto técnico otorgado por el Instituto Nacional de Vigilancia de Medicamentos y Alimentos - INVIMA -, de acuerdo con lo contemplado en las disposiciones vigentes sobre investigación en salud. 6

También se reconoce que los dispositivos médicos para uso humano o cualquier instrumento, aparato, máquina, software, equipo biomédico u otro artículo similar o relacionado, utilizado sólo o en combinación, incluyendo sus componentes, partes, accesorios y programas informáticos que intervengan en su correcta aplicación, propuesta por el fabricante para su uso en el diagnóstico, prevención, supervisión, tratamiento o alivio de una enfermedad; (…)9

“Dispositivos con superficie de contacto. Son aquellos que incluyen contacto con piel, membrana mucosa y superficies abiertas o comprometidas. Las Precauciones. Medidas de seguridad que se deben cumplir al usar todo dispositivo médico. Seguridad. Es la característica de un dispositivo médico, que permite su uso sin mayores posibilidades de causar efectos adversos”.

“El Artículo 5° relaciona la clasificación de los dispositivos médicos realizada por el fabricante, se fundamenta en los riesgos potenciales relacionados con el uso y el posible fracaso de los dispositivos con base en la combinación de varios criterios tales como, duración del contacto con el cuerpo, grado de invasión y efecto local contra efecto sistémico.”10

Se deberá establecer la clasificación de los dispositivos médicos siguiendo las reglas establecidas en el artículo 7°, dentro de las siguientes clases: Clase I. Son aquellos dispositivos médicos de bajo riesgo, sujetos a controles generales, no destinados para proteger o mantener la vida o para un uso de importancia especial en la prevención del deterioro de la salud humana y que no representan un riesgo potencial no razonable de enfermedad o lesión. Clase IIa. Son los dispositivos médicos de riesgo moderado, sujetos a controles especiales en la fase de fabricación para demostrar su seguridad y efectividad. Clase Ilb. Son los dispositivos médicos de riesgo alto, sujetos a controles especiales en el diseño y fabricación para demostrar su seguridad y efectividad. Clase III. Son los dispositivos médicos de muy alto riesgo sujetos a controles especiales, destinados a proteger o mantener la vida o para un uso de importancia sustancial en la prevención del deterioro de la salud humana, o si su uso presenta un riesgo potencial de enfermedad o lesión.

“El Artículo 7° Define las reglas de clasificación para un dispositivo médico, tales como: Regla 1. Todos los dispositivos médicos no invasivos se incluirán en la

9

Ibíd., p.3.

10

(30)

E. Alejandro Rodríguez 27 clase I, salvo que les sean aplicables algunas de las reglas siguientes11.Regla 9. Todos los dispositivos médicos terapéuticos activos destinados a administrar o intercambiar energía se incluirán en la clase IIa, salvo si sus características son tales que puedan administrar energía al cuerpo humano o intercambiarla con el mismo, de forma potencialmente peligrosa, teniendo en cuenta la naturaleza, la densidad y el punto de aplicación de la energía, en cuyo caso, se incluirán en la clase IIb.”

11

(31)

4 DISEÑO DEL DISPOSITIVO TERMO-ELECTRÓNICO

Los parámetros de diseño considerados para el dispositivo termo-electrónico se basan en variables de impedancia que controlan el funcionamiento del dispositivo.

4.1 ETAPAS DEL DISPOSITIVO

De acuerdo a la información recopilada y las consultas realizadas se propone el siguiente diagrama (Ver Figura 6) en el cual se generan 8 bloques, cada uno con una función específica dentro del desarrollo del sistema.

Dispositivo a Realizar

Modulo Central Interfaz de usuario

Visualizador LCD

Teclado

Unidad de procesamiento

y control

Circuito Electrico Circuito Termico

Aislamiento y Protección del Paciente

Aislamiento del paciente

Ajuste de intensidad

Ferula

Transductor Electrico

Transductor Termico Paciente

Control Principal

Control Auxiliar

Figura 6. Diagrama de bloques del sistema implementado. (Fuente: El autor)

4.1.1 Interfaz de Usuario

(32)

E. Alejandro Rodríguez 29 4.1.2 Unidad de Control Principal

Su objetivo principal es ser el cerebro central del dispositivo encargado de coordinar las operaciones necesarias para la aplicación de las terapias; En conjunto con la unidad de control auxiliar, conforman la unidad de procesamiento y control del dispositivo.

4.1.3 Unidad de Control Auxiliar

Se encarga de colaborar con la unidad de control principal para el manejo de labores auxiliares como la coordinación de la terapia térmica y la gestión del tipo de terapia aplicada así como asignar los tiempos de ejecución de cada terapia. 4.1.4 Circuito Eléctrico

Es el circuito encargado de generar las señales eléctricas necesarias para la aplicación de la terapia eléctrica de acuerdo con las órdenes generadas por la unidad de control principal.

4.1.5 Circuito Térmico

Es el circuito encargado de generar las señales térmicas necesarias para la aplicación de la terapia térmica de acuerdo con las órdenes generadas por la unidad de control auxiliar.

4.1.6 Aislamiento y Protección del Usuario

Es el sistema con el cual se asegura la integridad de los pacientes y la correcta aplicación de las terapias, está conformado por un bloque de aislamiento para proteger ante descargas y un ajuste de intensidad para proteger de posibles lesiones causadas por el flujo eléctrico.

4.1.7 Transductor Eléctrico

Electrodos de cloruro de plata fijados a la piel del brazo en el área cubito radial, que permiten la obtención del parámetro relacionado con la impedancia necesario para ajustar las características de la terapia aplicada12 y la posterior aplicación de los estímulos eléctricos.

4.1.8 Transductor Térmico

Modulo encargado de suministrar la temperatura adecuada según las condiciones de la terapia.

12_{La señal es adquirida con previo consentimiento informado del paciente según La norma que regula la}

(33)

E. Alejandro Rodríguez 30 4.2 Etapa de alimentación

La fuente de Alimentación seleccionada para el dispositivo es una batería de 12 V con apoyo de una fuente conmutada del mismo voltaje y con una corriente de 3 A debido a la fiabilidad que proporciona, facilidad de adquisición en el comercio y por las características de los componentes utilizados en el diseño del dispositivo, se utilizan reguladores de voltaje adicionales para acondicionar los niveles de tensión a los diferentes niveles requeridos para el correcto funcionamiento de los distintos elementos (Ver Figura 7).

Figura 7. Circuito Regulador de Voltaje. (Fuente: El autor)

En esta etapa se utilizan dos reguladores de voltaje a los cuales está conectado en serie un fusible de 2A para protección de los elementos en caso de alguna posible descarga estando conectado a la red eléctrica, posee un interruptor de encendido/ apagado.

Se utiliza un regulador de 5 V (LM7805) para suministrar la tensión requerida por el sistema de baja potencia y un regulador de 12 V (LM7812) para suministrar la tensión requerida en la etapa de potencia del dispositivo.

4.3 Sistema de Control

Para el desarrollo del sistema de control del dispositivo se utilizaron dos micro controladores de la empresa freescale de la familia hc08 de la subclase ap16, algunas de las características principales de este tipo de micro controladores que los hacen atractivos para esta aplicación es que poseen dentro de sus componentes un conversor analógico-digital de 8 canales (ADC), dos canales de temporización (TIM1,TIM2), un sistema de modulación por ancho de pulso (PWM),

VI

1 _VO 3

G N D 2 U2 7805 C1 1nF C2 1nF C3 1nF C4 1nF 12V +88.8 Volts +88.8 Volts FUCE PLUG DEL ADAPTADOR

VI

1 _VO 3

(34)

E. Alejandro Rodríguez 31 treinta líneas programables una a una (entrada/salida) con capacidad optimizada para trabajar con lenguajes de alto nivel, memoria de datos de 1 Kb y flash de 16 Kb, además de su bajo costo y versatilidad.

El lenguaje de programación utilizado fue Assembler por el control que permite de los diferentes recursos disponibles.

4.3.1 Ingreso de datos

El dispositivo cuenta con un teclado matricial que permite al usuario seleccionar entre las diferentes opciones que el dispositivo pone a su alcance, de esta manera el usuario puede controlar la aplicación de las diferentes terapias provistas (Ver Figura 8).

Figura 8. Teclado matricial 4x4 y conexión al micro controlador principal. (Fuente: El autor)

(35)

E. Alejandro Rodríguez 32 Los ocho pines del teclado matricial 4x4 están conectados al módulo KBI que hace parte del puerto D del micro controlador principal, su principio de funcionamiento se basa en monitorear los bits de mayor peso (b7-b4) que se encuentran configurados como entradas en busca de una señal de bajo nivel, los bits de menor peso (b3-b0) se encuentran configurados como salidas de nivel bajo (0 V), de esta manera cuando una tecla es oprimida la señal proveniente de la salida se transmite a un pin de entrada de la parte alta en donde se verifica la dupla de pines que se encontraban activos en ese momento y de esa manera se determina a que tecla corresponde el pulso y se realiza la labor relacionada con dicha tecla. Para suspender el tratamiento en cualquier momento se cuenta con un pulsador que sin importar en que momento de la rutina se encuentre inhabilita los micro-controladores haciendo que se suspenda por completo la terapia en curso.

4.3.2 Visualización

La visualización está a cargo de una pantalla de cristal líquido (LCD) de 2 líneas y 16 caracteres (2x16) como se muestra en la Figura 9, la cual complementa al teclado para componer la interfaz con el usuario, en ella, el usuario puede visualizar diferentes mensajes informativos que le permiten orientarse durante la aplicación y ajuste de la terapia.

Figura 9. Pantalla de Cristal Líquido 2x16 y conexión con el micro-controlador principal. (Fuente: El autor)

(36)

E. Alejandro Rodríguez 33 Se seleccionó una pantalla LCD por ser un elemento flexible, de bajo consumo y económico que permite crear un entorno gráfico más amigable para el usuario en comparación con los display’s 7 segmentos y que satisface los requerimientos del dispositivo.

4.3.3 Generación de pulsos eléctricos de control

El dispositivo desarrollado se basa principalmente en la generación de pulsos eléctricos para la aplicación y control de las terapias, operando la terapia eléctrica con un pulso de onda cuadrada de frecuencia fija y las terapias térmicas (Calor/Frio) con la señal producida por el módulo de PWM, estas señales son producidas desde el micro controlador auxiliar bajo la orden del micro controlador principal.

A continuación se detallan los modos de aplicación de las diferentes terapias implementadas.

4.3.3.1 Pulsos de control Terapia eléctrica

En esta terapia el micro-controlador auxiliar genera una señal de onda cuadrada con amplitud de 5 V de ciclo útil del 50% a una frecuencia que varía desde 1 Hz hasta los 160 Hz en pasos de 20 Hz dependiendo de la sensibilidad del paciente en modo manual o de la apreciación de impedancia en modo automático en el mismo rango de frecuencias.

La función del pulso es servir de interruptor para controlar la operación de la etapa de conmutación y desacople del usuario.

(37)

4.3.3.2 Pulsos control terapia térmica calor

Este modo de operación se aplica después de finalizar la terapia eléctrica en secuencia automática, el controlador principal envía una orden al micro-controlador auxiliar, el cual, a su vez comienza a generar una señal cuadrada de ciclo útil del 80% por el canal 0 del PWM con una frecuencia de 20 KHz y una amplitud de 5 V.

Esta señal es la que va a servir de control para el driver de la celda de peltier en modo calor.

Figura 11. Señal de control terapia térmica Calor. (Fuente: El autor)

4.3.3.3 Pulsos control terapia térmica frio

Este modo de operación se aplica después de finalizar la terapia térmica calor en secuencia automática, de manera similar al control de la terapia térmica calor, el micro-controlador principal envía una orden al micro-controlador auxiliar, el cual, a su vez comienza a generar una señal cuadrada esta vez con ciclo útil del 20% por el canal 1 del PWM con una frecuencia de 20 KHz y amplitud de 5 V.

Esta señal es la que va a servir de control para el driver de la celda de peltier en modo frio.

(38)

E. Alejandro Rodríguez 35 4.3.4 Control y ajuste del voltaje/corriente

Con el objetivo de reducir los riesgos de reacciones molestas en el usuario se plantea un circuito limitante tanto de corriente como de voltaje que permite ajustar por medio de una perilla la intensidad del pulso sin recurrir a modificar otros parámetros más que la impedancia de salida del dispositivo.

Figura 13. Arreglo dinámico de resistencias. (Fuente: El autor)

4.3.4.1 Control de voltaje

Por medio de un arreglo dinámico de resistencias en serie a los electrodos se logra que el voltaje cuando la perilla de ajuste de intensidad se encuentre en su valor mínimo se distribuya mayormente en el arreglo de resistencias con el fin de mantener un valor de voltaje aplicado al usuario cercano a los 5 Vrms, con lo cual se garantiza no producir sensación de quemazón en la superficie de contacto de los electrodos. Estas resistencias se activan para frecuencias superiores e iguales a los 20Hz.

TR1

TRAN-2P2S ETAPA DE AMPLIFICACION DE POTENCIA

PRIMARIO SECUNDARIO R1 220 R2 4.7k R3 5.1k R4 4k SW1 SW-SPST SW2 SW-SPST SW3 SW-SPST SW4 SW-SPST CIRCUITO CONTROL DE CORRIENTE

PERILLA DE AJUSTE EXTERNO DE INTENSIDAD

(39)

4.3.4.2 Control de corriente

De la misma manera, para mantener un control sobre la corriente se instaló un arreglo dinámico de resistencias en el primario del transformador en serie con la perilla de ajuste de intensidad y en paralelo con las salidas de los electrodos, que se activan de acuerdo a la frecuencia seleccionada para la terapia eléctrica.

Para no estropear el aislamiento generado por el transformador, los arreglos de resistencias están conectados al micro-controlador auxiliar por intermedio de opto acopladores 4N25.

4.3.5 Función de los micro-controladores en el dispositivo

Los micro-controladores freescale MC68HC908AP16 son el cerebro central del dispositivo, los cuales se encargan de regular, controlar y suministrar las señales necesarias para el correcto funcionamiento del mismo.

(40)

4.3.5.1 Diagramas de flujo de las secuencias del micro-controlador principal

Encendido del Dispositivo

Inicializar periféricos,

variables, entradas/salidas

Enviar Mensaje de bienvenida

Enviar mensaje de Selección de

función

Escaneo puerto D para detectar que tecla se oprimio

Selecciono Electroterapia

Selecciono Termoterapia No

No

Si

Si Selecciono

automático

Si

No

Rutina Automática

Rutina Electroterapia A

Rutina Termoterapia Selecciono

Prevención

No

Rutina Prevención Si

(41)

Rutina Electroterapia A

Enviar Dato de inicio electroterapia A

Envia mensaje de selección de

frecuencia

Escaneo puerto D para determinar que frecuencia se

selecciono

Envio de dato de control según

frecuencia seleccionada

Rutina Electroterapia P

Enviar Dato de inicio electroterapia P

Envia mensaje de selección de

frecuencia

Escaneo puerto D para determinar que frecuencia se

selecciono

Figura 15. Secuencia en modo electroterapia Analgésico y Prevención. (Fuente: El autor)

Rutina Termoterapia

Enviar Dato de inicio termoterapia

Selecciono Frio Envia mensaje de

selección de temperatura

Enviar Dato de control rutina de

frio

Selecciono Calor

Enviar dato de control rutina de

calor No

No

Si

(42)

Rutina Prevención

Selecciono Electroterapia

Selecciono Termoterapia

No

Si

Rutina Electroterapia P

Rutina Termoterapia Enviar mensaje de

Selección de función

(43)

Rutina Automática

Enviar mensaje de Selección de

función

Selecciono Prevención

No Si

Enviar dato de censar variable corporal

Seleccionar frecuencia A según variable

corporal

Seleccionar frecuencia P según variable

corporal

Fin deTerapia Enviar Dato de inicio termoterapia

Enviar Dato de control rutina de

calor

Enviar dato de control rutina de

frio

(44)

4.3.5.2 Diagramas de flujo de las secuencias del micro-controlador auxiliar

Encendido de dispositivo

Escaneo puerto C para determinar

que dato de control se recibe

Escanear Puerto A para determinar

que dato de frecuencia recibio Se recibio dato de

Electroterapia

Se recibio dato de Termoterapia

Enviar al puerto B la señal electrica con la frecuencia

seleccionada

Se recibio dato de rutina de calor Escanear parte alta del puerto B

para determinar que dato de control se recibe

Se recibio dato de rutina de frio

Generar rutina de Calor

Generar rutina de frio No

No

Si Si Si

Si No

No

(45)

Generar rutina de calor

Inicializar pwm

Enviar dato de control por el

puerto B

Escanear sensor de temperatura

Temperatura> deseada Desactivar Polarización

Temperatura =< deseada Activar Polarización Si

No

Si No

(46)

E. Alejandro Rodríguez 43 Figura 21. Ejecución Terapia térmica frio. (Fuente: El autor)

4.3.6 Sistema de conmutación y aislamiento del usuario

(47)

E. Alejandro Rodríguez 44 Figura 22. Diagrama circuital del sistema de conmutación y aislamiento.

(Fuente: El autor)

A continuación se presentan los cálculos de diseño efectuados para la construcción de la etapa de conmutación:

A

K

V

Rc

Vcc

I

_Csat

800 

15

12 _





A

I

dc Csat B





48

16 .

7

800

max





Se tiene que cumplir que:

dc Csat B

I





(48)

A

R

V

Vi

I

B

20 .

2 

7 .

0 _









K

R

_B

560

Y se cumple que IB = 20.2uA IB máx. =16.7uA

mA

I

_c



_B

*





1

El transformador utilizado es el J4 el cual tiene como características ser un transformador seguidor, con una corriente máxima de 600 mA. El voltaje entre sus terminales es directamente proporcional a la relación del número de vueltas del primario y del secundario, este comportamiento del transformador lo describe la siguiente ecuación:

Vs

Vp

Ns

Np

_

Dónde:

Np es el número de espiras del primario. Ns es el número de espiras del secundario Vp es el Voltaje del primario

(49)

E. Alejandro Rodríguez 46 Figura 23. Modelo eléctrico del transformador. (21)

La red de conmutación de voltaje proporciona al secundario del transformador un voltaje que oscila de 0 – 10V.

1

12

1

2

1

2 





V

N

V

2

1

2 V

V

a

V

_

_

_

Lo cual corresponde al voltaje sin carga obtenido en las dos terminales del primario del transformador.

4.3.7 Módulo de terapia térmica

(50)

4.3.7.1 Módulo de peltier

El módulo de peltier es una celda compuesta por dos materiales semiconductores, uno tipo P y otro tipo N, los cuales al polarizarse con una tensión produce el efecto termoeléctrico de peltier en sus dos superficies. (22) produciendo que una de las caras de la celda se caliente mientras que la otra cara se enfríe, con la particularidad de que al invertirse la polaridad de la tensión aplicada también se invierte la temperatura, es decir, la cara que estaba caliente empieza a enfriarse y viceversa.

Figura 24. Diagrama de la estructura interna de una celda de peltier. (22) Internamente la celda de peltier tiene dispuestos sus componentes semiconductores eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo, donde cada elemento semiconductor posee una diferencia de potencial igual a la fuente de polarización lo que genera una migración de cargas gracias al flujo eléctrico, produciendo en la terminal negativa una ausencia de cargas provocando un descenso en la temperatura; de igual manera un exceso de portadores en la terminal positiva provoca un ascenso en la temperatura, razón por la cual al invertir la polarización el efecto en las caras de la celda también se invierte.

(51)

4.3.7.2 Control de temperatura módulo de peltier

El control de temperatura asociado con el módulo de peltier se encuentra a cargo del micro-controlador auxiliar, por medio del canal de modulación por ancho de pulso (PWM) para encargarse de la polarización del módulo por medio de un pulso eléctrico de forma cuadrada con una frecuencia fija y ciclo útil asimétrico.

Figura 25. Diagrama del control de temperatura para el módulo de peltier. (Fuente: El autor)

El micro-controlador genera dos señales de control dependiendo del tipo de terapia, una salida se encarga de controlar la temperatura en modo calor y otra salida se encarga de regular la temperatura en modo frio, dichas señales ingresan a las entradas de los opto-acopladores para aislar eléctricamente el circuito de control de la etapa de potencia.

La salida de los opto-acopladores posee la misma forma de la señal de control, la cual ingresa a las entradas de un puente h con el cual se facilita la operación de inversión de polaridad para la celda de peltier, de manera que sea posible aprovechar las características del módulo para aplicar ambos tipos de terapia sin necesidad de invertir mecánicamente la conexión del módulo.

4.3.7.3 Sensor de temperatura del módulo de peltier

Adicionalmente y como complemento al control térmico se le adiciono al micro-controlador un sensor de temperatura LM35 a una de las entradas del conversor análogo a digital (ADC) cuya función consiste en activar o desactivar la polarización del módulo dependiendo el nivel de temperatura muestreado presentando una tolerancia de ± 1ºC , con la siguiente lógica:

En el modo calor

Si la temperatura medida por el sensor supera el valor establecido, el micro-controlador auxiliar suspende la polarización del módulo de peltier permitiendo que la temperatura disminuya.

Por otra parte si la temperatura medida es igual o inferior al valor establecido, el micro-controlador reactiva la polarización del módulo de peltier con el fin de que continúe calentando.

Sistema de

Control Driver

Módulo de Peltier +/-

PWM

(52)

E. Alejandro Rodríguez 49 En el modo frio

Si la temperatura medida por el sensor supera el valor establecido, el micro-controlador auxiliar activa la polarización de la celda de peltier con el fin de propiciar una disminución en la temperatura.

Por el contrario si la temperatura medida es inferior al valor establecido, el micro-controlador auxiliar desactiva la polarización de la celda y de esta manera a causa del fenómeno de equilibrio térmico entre las dos caras, la celda de peltier incrementará su temperatura.

De esta manera si llega a generarse algún error o se llega a ver comprometido el ciclo útil de la señal de control, el sensor entraría a controlar la temperatura para que no supere los niveles establecidos para cada terapia y se asegure su correcta aplicación.

(53)

E. Alejandro Rodríguez 50 Figura 26. Esquema eléctrico general del dispositivo. (Fuente: El autor) El esquema de la Figura 26 muestra el diagrama general del circuito implementado donde se aprecian las diferentes etapas ya mencionadas en el presente documento. Q5 TIP31 R12 10M R11 10M R13 220 R15 4k R14 4.7k R16 5.1k R17 3.3k R18 5.1k R19 5.1k 50% 1 2 3 RV2 10k C13 22pF 1 2 6 4 MOC1 MOC3021 1 2 6 4 MOC2 MOC3021 1 2 6 4 MOC3 MOC3021 1 2 6 4 MOC4 MOC3021 1 2 6 4 MOC5 MOC3021 1 2 6 4 MOC6 MOC3021 1 2 6 4 MOC7 MOC3021 VI 1 VO3 GN D 2 REG5 7805 C9 1nF C10 1nF C11 1nF C12 1nF FUSE VI 1 VO3 GN D 2 REG12 7812 25.0 3 1 VOUT 2 SENSOR LM35 PTA0 PELTIER 12V D1 1N4004 D2 1N4004 D3 1N4004 D4 1N4004 C14 100nF R20 1k R22 1k VREG 7 PTB5/T1CH1 8 VDD 9 OSC1 10 OSC2 11 VSS 12 PTB4/T1CH0 13 IRQ1 14 PTD2/KBI2 1 PTD1/KBI1 2 PTD0/KBI0 3 PTB7/T2CH1 4 CGMXFC 5 PTB6/T2CH0 6 PTC6/SCTxD 21 VDDA42 VSSA41 PTD3/KBI340 PTD4/KBI439 PTD5/KBI538 PTD6/KBI637 PTD7/KBI736 VREFH35 VREFL34 PTA0/ADC033 PTA1/ADC132 PTA2/ADC231 PTA3/ADC330 PTA4/ADC429 PTA5/ADC528 PTB3/RxD 15 RST 16 PTB2/TxD 17 PTB1/SCL 18 PTB0/SDA 19 PTC7/SCRxD 20 PTA6/ADC627 PTA7/ADC726 PTC2/MISO25 PTC3/MOSI24 PTC4/SS23 PTC5/SPSCK22 MICRO1 MC68HC908AP16 SRCFILE=..\Documentos\Digitales 3\digi3-2010-3\Proyectos\EjemploLCD\EjemploLCD.mcp X1 CRYSTAL C1 22pF C2 22pF C4 0.1uF C3 0.1uF JP1 JUMPER V D DL 15 D 7 14 D 6 13 D 5 12 D 4 11 D 3 10 D 2 9 D 1 8 E 1 6 R W 5 R S 4 V S S 1 V D D 2 V E E 3 D 0 7 V S SL 16 DISPLAY LCD 16X2 100% 1 2 3 RV1 10k R1 10M R2 220 R3 220 R4 220

(54)

5 RESULTADOS

Luego de tener el diseño de cada una de las etapas, se realizó la simulación de los circuitos para verificar su funcionamiento, y de esta manera posteriormente realizar el montaje en la tarjeta de pruebas, inicialmente se simuló la etapa de terapia eléctrica, sin embargo debido a que el software de simulación (Proteus 8.0 sp0 Labcenter Electronics) no posee dentro de sus librerías el micro-controlador utilizado (MC68HC908AP16) se procedió a crear el dispositivo utilizando las herramientas que el software utilizado ofrece para la creación de elementos, sin embargo no fue posible crearlo de manera simulable (solo se creó para fines de realización del pcb y del diagrama circuital) por lo cual la señal de control utilizada fue provista por un generador de onda cuadrada, en la Figura 27 se observan las señales obtenidas por simulación de la etapa eléctrica, la señal obtenida se ajustaba adecuadamente a la señal esperada por lo cual se procedió a implementar la etapa en la tarjeta de pruebas (véase Figura 28), posteriormente se realizó el mismo procedimiento con la etapa de aislamiento galvánico utilizando un transformador seguidor, la salida del transformador ingresa a la etapa de ajuste de sensibilidad para posteriormente llegar a los electrodos.

Figura 27. Señal de salida simulando micro-controlador en terapia eléctrica. (Fuente: El autor)

(55)

E. Alejandro Rodríguez 52 Figura 28. Señal de salida de la etapa eléctrica. (Fuente: El autor)

Una vez comprobado el funcionamiento del lcd y del teclado se procedió a simular la etapa térmica de igual manera utilizando un generador de señales que suministra la señal del pwm (véase Figura 29) en este caso el módulo de peltier dado su comportamiento eléctrico que presenta un pico de corriente al polarizarse se simulo como un motor dc.

Figura 29. Simulación salidas pwm. (Fuente: El autor)

(56)

E. Alejandro Rodríguez 53 integrado, se procedió a implementar el circuito de pruebas y no funciono como se esperaba, esta vez a causa del desacople óptico que se estaba realizando con opto-acopladores de referencia MOC3021 ya que la señal de control no genera cruces por cero por lo cual este dispositivo no era el adecuado, por lo cual se procedió a reemplazarlo por un opto tiristor de referencia 4n25 con su debida resistencia de pull-up el circuito funciono de la manera adecuada, las señales de control a la entrada del puente h y a la salida del mismo se pueden observar en la Figura 30.

Figura 30. Salida del puente H. (Fuente: El autor)

Una vez teniendo las diferentes etapas se procedió a general el código de control para ingresarlo en el micro-controlador.