Diseño de un electroestimulador de corrientes interferenciales para el tratamiento de patologías de origen muscular y circulatorio. PDF

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Diseño de un dispositivo

generador de corrientes

interferenciales para el

tratamiento de patologías

de origen muscular y

circulatorio

Instituto Tecnológico de Mérida

Presentado por:

Álvaro Cortes Mánica

Tesis de Fin de Carrera

Ingeniería Electrónica.

Mérida, Yucatán , México 2008 Mérida, Yucatán , México 2008

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Contenido

Capítulo 1.- Introducción ... 1

1.1 1.1 Antecedentes

Antecedentes ...

...

... 1

1

1.2 1.2 Planteamiento

Planteamiento del proble

del problema

ma ...

...

... 1

1 1.3. Objetivos ... 2

1.3. Objetivos ... 2

1.3.1 Objetivo general ... 2

1.3.2. Objetivos específicos ... 2

1.4. Justificación ... 3

1.5. Delimitación ... 4

1.5.1. Alcances y Limitaciones ... 4

1.6 Caracterización del área en que se participó ...

1.6 Caracterización del área en que se participó ... ...

...

... 4

4 Capítulo 2. Fundamento Teórico ... 6

Capítulo 2. Fundamento Teórico ... 6

2.1 2.1 Concepto, hi

Concepto, historia y

storia y generalidades

generalidades...

...

.... 6

6

2.2 2.2 Aspectos fisioló

Aspectos fisiológicos de la ele

gicos de la electro estimulación.

ctro estimulación. ...

...

. 8

8 2.2.1. Fenómenos no nocivos causados por la electricidad en el ser

2.2.1. Fenómenos no nocivos causados por la electricidad en el ser humano

humano

...

.. 9

9 2.3 Clasificación de las corrientes

2.3 Clasificación de las corrientes ...

...

... 11

11 2.4 Origen de las

2.4 Origen de las corrientes interferenciales

corrientes interferenciales ...

...

. 13

13 2.5 Características de las corrientes interferencia

2.5 Características de las corrientes interferenciales. ...

les. ...

...

... 15

15 2.6 Ventajas de

2.6 Ventajas de las corrientes interferenciales

las corrientes interferenciales ...

...

... 17

17 2.7 Cualidades

2.7 Cualidades terapéuticas de

terapéuticas de las corrientes

las corrientes interferenciales

interferenciales ...

...

... 18

18 2.8 Efectos

2.8 Efectos fisiológic

fisiológicos

os de las

de las corrientes interferenciales

corrientes interferenciales ...

...

... 19

19 2.9 Tipos de

2.9 Tipos de estimuladores musculares

estimuladores musculares ...

...

... 20

20 2.10 Características de un electro estimulador ...

2.10 Características de un electro estimulador ...

...

... 22

22 2.11 Principios de operación ... 24

2.11 Principios de operación ... 24

2.12 Criterios de selección del método ... 28

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2.13 Electrodos ... 29

2.14 2.14 Normas

Normas de

de seguridad

seguridad ...

...

... 29

29

2.15 2.15 Protecciones

Protecciones para

para el

el paciente...

paciente...

...

. 32

32 Capítulo 3.

Capítulo 3. Procedimiento y desc

Procedimiento y descripción de las actividades

ripción de las actividades realizadas

realizadas ...

... 35

35 3.1 Descripción de actividades ... 35

3.1 Descripción de actividades ... 35

3.2 3.2 Desarrollo

Desarrollo ...

...

... 39

39 3.2.1 Funcionamiento del dispositivo

3.2.1 Funcionamiento del dispositivo ...

...

... 39

39 3.3 Arquitectura de hardware ... 40

3.3 Arquitectura de hardware ... 40

3.3.1 Fuente de alimentación. ... 41

3.3.2 Oscilador sinusoidal fijo y variable... 44

3.3.3 Control digital ... 48

3.3.4 Etapa de Amplificación ... 58

3.3.5 3.3.5 Etapa

Etapa de

de salida

salida ...

...

... 62

62 3.4 Arquitectura de Software ... 64

3.4 Arquitectura de Software ... 64

3.4.1 Programa visual ... 64

3.4.2 Portal Web ... 66

Capítulo 4. Conclusiones y Recomendaciones

Capítulo 4. Conclusiones y Recomendaciones ...

...

... 68

68 Referencias

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Capítulo 1.- Introducción

1.1 Antecedentes

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 y la recuperación muscular.

No obstante, ha sido recientemente que gracias a su sencillez de manejo y al

abaratamiento de los equipos, su utilización ha saltado del ámbito profesional al

privado.

1.2 1.2 Planteamiento

Planteamiento del

del problema

problema

Son muchas las personas que sufren dolores en las cervicales, en el ciático,

o que padecen reumatismos, jaquecas y otras muchas molestias pero

son pocas

las personas que saben que, gracias al avance tecnológico de la electrónica, se

pueden eliminar todo tipo de patologías de origen muscular y circulatorio, sin

provocar otros

daños en el

organismo. La

pregunta que nos

hacemos es:

¿Por

que no tener dispositivo electrónico de bajo costo de elaboración, capaz de

eliminar dichos padecimientos omitiendo el uso de píldoras o comprimidos, es

decir,

sin necesidad de hacer usos de fármacos,

sin necesidad de hacer usos de fármacos, que tienen gran numero de

que tienen gran numero de

efectos secundarios?.

Este proyecto se enfoca en diseñar un dispositivo capaz de generar

corrientes interferenciales variando la frecuencia digitalmente con una interfaz de

fácil manejo, y

que sea capaz de almacenar

los datos

de la terapia para

después

ser procesados mediante

un software v

isual por medio

del puerto serial

para su

posterior interpretación.

Por tal motivo en el presente reporte se exponen los trabajos realizados en

el proyecto

““

Diseño de un dispositivo generador de corrientes interferenciales

para el tratamiento de patologías de origen muscular y c

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En este documento se presentan los diseños de las diferentes partes en

que

que se conforman

se conforman el proyecto,

el proyecto, se analiza

se analiza a fondo

a fondo el orig

el origen de

en de la electro-

la

electro-estimulación, el efecto fisiológico que ocurre al ser aplicado al cuerpo y otras

estimulación, el efecto fisiológico que ocurre al ser aplicado al cuerpo y otras

características imp

características importantes.

ortantes. Se menciona

Se menciona las

las actividades realizadas

actividades realizadas durante el

durante el

periodo de desarrollo del proyecto.

Podemos

Podemos insistir

insistir en

en que

que este

este proyecto

proyecto se

se enfoca

enfoca al

al desarrollo

desarrollo de

de un

un

dispositivo electrónico para uso exclusivo en el campo de la rehabilitación,

tomando en cuenta las consideraciones mas importantes que existen en el

mercado , de igual manera a las normas dictadas por los organismos de carácter

nacional e internacional especialmente dedicados a la verificación y regularización

de dichos dispositivos; tales como La Secretaría de Salud de México, International

Electrotechnical Commision, American International Standards Insitute por

mencionar algunos.

Esta investigación se orientó hacia el desarrollo de un dispositivo que fuese

la primera aproxi

la primera aproximación a un

mación a un equipo médico real

equipo médico real , con un

, con un costo

costo relativamente

relativamente

bajo en

bajo en comparación con

comparación con los que

los que existen en

existen en el mercado, si

el mercado, siendo atractivo

endo atractivo aa

hospitales que tienen un presupuesto limitado.

1.3. Objetivos

1.3.1 Objetivo general

El objetivo de este proyecto es de crear un electro-estimulador de corrientes

interferenciales para el tratamiento de diversos padecimientos del cuerpo humano

con una interfaz sencilla y de bajo costo.

1.3.2. Objetivos específicos



Desarrollar un software visual que puede ser usado como interfaz de

usuario y descargar las terapias al dispositivo



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costo.



La

La creación de una i

creación de una interfaz sencilla que

nterfaz sencilla que permita una i

permita una interacción adecuada

nteracción adecuada

entre el usuario-equipo,

entre el usuario-equipo, y que sea

y que sea de gran alto

de gran alto grado de confiabilidad.

grado de confiabilidad.

●

Cumplir con las características eléctricas establecidas para poder competir

con equipos del mercado.

●

Seguir las regulaciones y normas sobre equipos electrónicos de Electro-

Seguir las regulaciones y normas sobre equipos electrónicos de

Electro-terapia

terapia por La Secretaría

por La Secretaría de Salud de M

de Salud de México, International

éxico, International Electrotechnical

Electrotechnical

Comission.



Aplicación del proyecto al campo de la fisioterapia por medio de la creación

de terapias que puedan combatir problemas musculares y circulatorios.

1.4. Justificación

Este dispositivo

Este dispositivo sería de importante

sería de importante relevancia dado que l

relevancia dado que los equipos

os equipos

dedicados a la electroterapia son diseñados en el extranjero y tienen un alto costo

excluyendo el de importación.

excluyendo el de importación. Es por este motivo que

Es por este motivo que muchos hospitales

muchos hospitales tienen

tienen

un presupuesto limitado que los hace prescindir de estos dispositivos.

No es del todo satisfactorio tener un conocimiento teórico, si no, que debe

ser la base que

ser la base que sustente un trabajo

sustente un trabajo científico para lograr un

científico para lograr un beneficio que se

beneficio que se de

de

impacto social y económico.

La aplicación del conocimiento que se adquiere en el aula, tiene que ser

puesto a prueba. Por ello, se ha decidido llevar a cabo la implementación de un

proyecto final de la materia y en este caso particular es de un electro-estimulador

muscular, en

muscular, en el cual,

el cual, se apliquen t

se apliquen todos estos conocimient

odos estos conocimientos aprendidos

os aprendidos que se

que se

nos han enseñado en nuestra formación, como ingenieros, así como en nuestra

propia persona.

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1.5. Delimitación

1.5.1. Alcances y Limitaciones

Debido a su sencilla interfaz cualquier tipo de terapia puede ser fácilmente

programable por el usuario.

Si l

Si los hospitales

os hospitales adquirieran este

adquirieran este dispositivo

dispositivo podrán dar

podrán dar terapias menos

terapias menos

costosas y

costosas y más accesibles

más accesibles a la

a la población entera debido

población entera debido al

al bajo costo

bajo costo de

de

producción.

Las características actuales de los materiales actuales de fabricación y a las

técnicas usadas, no

técnicas usadas, no permiten que el

permiten que el prototipo sea portátil,

prototipo sea portátil, además de que

además de que sea

sea

únicamente de un solo canal.

1.6 Caracterización del área en que se participó

Este proyecto se realizó con la colaboración del Instituto Tecnológico de

Morelia y

Morelia y el Instituto Tecnológico de

el Instituto Tecnológico de Mérida .Las actividades fueron

Mérida .Las actividades fueron realizadas en

realizadas en

el departamento de Ingeniería Electrónica del Instituto Tecnológico de Morelia, en

la figura 1 podemos observar el organigrama de dicha institución.

El instituto Tecnológico de Morelia es una institución pública de educación

superior y de

superior y de postgrado

postgrado responsable de la

responsable de la formación integral de

formación integral de profesionales en

profesionales en

las áreas de ingeniería y administración.

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Figura 1. Organigrama del Instituto Tecnológico de Morelia Figura 1. Organigrama del Instituto Tecnológico de Morelia

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Capítulo 2. Fundamento Teórico

2.1 2.1 Concepto,

Concepto, historia

historia y

y generalidades

generalidades

La electroterapia es la disciplina médica que se ocupa del tratamiento de

ciertas patologías humanas aprovechando diversos fenómenos eléctricos

artificiales. Podemos definir a la electroterapia

artificiales. Podemos definir a la electroterapia como el estudio de las aplicaciones

como el estudio de las aplicaciones

terapéuticas de

terapéuticas de la electricidad;

la electricidad; o bien

o bien como el

como el tratamiento

tratamiento de determinadas

de determinadas

enfermedades mediante la electricidad.

Proviene del griego electro (electricidad) y terapia (cura); y es la rama de la

medicina que utiliza el paso de la corriente eléctrica a través del organismo con

fines curativos.

La electricidad es una forma de energía, su denominación proviene del

griego electrón=ámbar y nace cuando Thales de Mileto (600 a.c.) descubre que al

frotar un trozo de ámbar, éste adquiere la propiedad de atraer pequeños objetos;

durante siglos se pensó que la electricidad era un fluido.

Si se coloca un cuerpo cargado positivamente en un lado y al otro un

cuerpo cargado negativamente y entre ambos se coloca un conductor (material

que permite el paso de los electrones) tendremos que entre uno y otro cuerpo

existe una diferencia de potencial. Los electrones sobrantes en el lado cargado

positivamente irán pasando, a través del conductor, al de carga negativa, hasta

que se equilibren las dos cargas y, por tanto, deje de existir esa diferencia de

potencial, con lo cual cesa la corriente

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La historia de la electroterapia

La historia de la electroterapia se remonta a los tiempos de los romanos, en

se remonta a los tiempos de los romanos, en

los cuales utilizaban la anguila eléctrica aplicada en la zona afectada, a veces era

decapitada para que la descarga fuera más intensa. En cuanto a investigadores de

la electricidad con fines curativos destacamos:

••

Luigi Galvani: En 1876 realiza una serie de investigaciones sobre los efectos de

la corriente continua sobre el organismo humano y sobre el miembro en particular.

La corriente continua se denomina galvánica en su honor.

• Volta:

Contemporáneo de Galvani, creó la pila eléctrica productora de la corriente

continua utilizada por Galvani para sus experimentos.

• D´Arsonval

: Realizó estudios sobre la excitabilidad y, lo más importante, las

interrupciones de la corriente continua en un segundo, creando el sentido de los

Hertzios.

• Claude Bernard

: Descubridor de las corrientes que llevan su nombre, también

denominadas diadinámicas.

• Rupert Traebert

: Asimismo descubridor de unas corrientes de claro efecto

analgésico.

La corriente eléctrica es el conjunto de fenómenos que ocurren en un

conductor (cuerpo que permite el paso de los electrones) cuando entre sus

extremos se establece una diferencia de potencial.

Aunque

Aunque la

la velocidad

velocidad del d

del desplazamiento de

esplazamiento de los e

los electrones p

lectrones por e

or el conduc

l conductor

tor

es de 0.5 mm/seg, el impulso y onda de choque, es decir, la corriente eléctrica, se

transmite a la velocidad de la luz, es decir 300,000 km/seg.

Los cuerpos cuyos electrones periféricos están rígidamente sujetos no

permiten el paso de la corriente eléctrica y se conocen con el nombre de

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••

Aislantes: aceite, porcelana, goma, cristal y ebonita.

2.2 2.2 Aspectos

Aspectos fisiológicos de

fisiológicos de la electro

la electro estimulación.

estimulación.

Cuando hacemos una contracción de forma voluntaria, el cerebro emite un

orden, que se llama potencia de acción. Éste se propaga a gran velocidad a lo

largo del nervio motor, invirtiendo la polaridad de las células que atraviesa. Al final

del recorrido, gracias al neurotransmisor (la acetilcolina), la información se

encamina al interior de la célula muscular y desencadena el acortamiento

muscular, la electro estimulación (EEM) consiste en estimular el músculo, a través

del nervio motor.

Primero, porque la estimulación eléctrica de una moto neurona necesita mucha

menos corriente que la estimulación eléctrica de la fibra muscular y segundo,

porque la distribución del nervio a todas las fibras musculares, permite, con su

excitación en la superficie transmitir el influjo hasta la profundidad.

La provocación artificial de contracciones musculares mediante una

corriente interrumpida o una corriente alterna, puede perseguir diferentes

objetivos; si estamos hablando de denervaciones completas o parciales de fibras

musculares, el

interés se centrará en “normalizar” ese músculo; por el contrariointerés se centrará en “normalizar” ese músculo; por el contrario

querremos

querremos hipertrofiarlo en el

hipertrofiarlo en el caso de que

caso de que la inervación del

la inervación del músculo sea normal.

músculo sea normal.

En cualquier caso los objetivos más importantes que buscamos son: tonificación

de la musculatura, mejora del riego sanguíneo, recuperación de la sensibilidad

muscular, obtención de información de la excitabilidad eléctrica de fibras nerviosas

y tejido muscular, retardo o impedimento de la atrofia muscular, prevención de la

fibrosis muscular, estiramiento muscular e incluso la relajación del músculo.

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

Aumentado la amplitud



Variando la frecuencia



Ajustando una modulación baja

2.2.1. Fenómenos no nocivos causados por la electricidad en el ser humano



Sensación eléctrica



Límite de tolerancia (implica sensaciones intensas incluyendo el dolor)



Dolor



Estimulación neuromuscular



Impotencia muscular

Umbral de Sensación Eléctrica

Valor mínimo de la corriente que causa alguna sensación en la persona por

la que fluye .El posicionamiento y tamaño de los electrodos, así como la

frecuencia utilizada en la estimulación son factores fundamentales.

100 100 300 300

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Límite de Tolerancia

Depende de la densidad de la piel así como del tamaño de los electrodos.

El limite de tolerancia varia de igual modo dependiendo del estado de salud o la

condición patológica de la persona (ver figura 4).

Umbral de Dolor

La sensación de dolor puro no puede experimentarse en ningún punto de la

piel. El dolor como tal es difícil de lograr ya que para ello se necesita que existan

Figura 4. Gráfica en donde se representan los diferentes Figura 4. Gráfica en donde se representan los diferentes umbrales de dolor

umbrales de dolor

Fuente: Electroterapia de frecuencia media y baja, R.V. Den Fuente: Electroterapia de frecuencia media y baja, R.V. Den AdelAdel

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2.3 Clasificación de las corrientes

En la actualidad existen diferentes tipos de corrientes que son usadas en el

campo de la electroterapia para curar diversas patologías ya sea de origen

muscular o circulatorio, es necesario saber el tipo de padecimiento para poder

hacer una buena elección sobre el tipo de corriente que se va a emplear.

La división que nos vamos a encontrar en la clasificación de las corrientes

es la que sigue (puede variar según autores):



 Según la PolaridadSegún la Polaridad



 Según la FrecuenciaSegún la Frecuencia

Tabla 1. Clasificación de corrientes por polaridad Tabla 1. Clasificación de corrientes por polaridad Fuente:

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

 Según la FormaSegún la Forma

Para el desarrollo de este proyecto nos enfocaremos en la corrientes

interferenciales por tal motivo es necesario tener un amplio conocimiento sobre

este tipo de corrientes.

T

Tabla 3. Clasificación de corrientes por su formaabla 3. Clasificación de corrientes por su forma Fuente:

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Corrientes combinadas/interferenciales

Son la mezcla de dos tipos de corrientes:

Tabla 4. Clasificación de las corrientes variables. Tabla 4. Clasificación de las corrientes variables. Fuente:

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aceptación en países como Francia y Alemania, pero fue en la década de los años

60’s y 70’s

donde esta modalidad de electroterapia alcanzó un nivel de mucha

importancia, haciéndose conocer en casi todo el mundo. La experiencia del Dr.

Nemec sobrevino por necesidad de conseguir un tipo de onda eléctrica que

consiguiera acceder a profundidades mayores que con otros tipos de corrientes

estimulantes, así como permitir la aplicación de intensidades altas sin ocasionar

molestias excesivas.

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Figura 7. Representación de la generación de ondas Figura 7. Representación de la generación de ondas interferenciales en el tejido humano

interferenciales en el tejido humano

Fuente: “Recent Advances in

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

Piel



Fibra muscular estriada



Vasos sanguíneos y linfáticos



Intestinos



Otros conducto y esfínteres con capacidad contráctil



Tejido Conjuntivo



Articulaciones

