UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
ELECTROESTIMULADOR PARA TERAPIAS DE
REHABILITACIÓN DE DOLOR OSTEOARTICULAR
UTILIZANDO CORRIENTES INTERFERENCIALES”
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
LUIS ALFREDO CABRERA ROBLES
DIRECTOR: DANIEL MIDEROS, PhD.
© Universidad Tecnológica Equinoccial 2018.
DEDICATORIA
“Este trabajo realizado con mucho esfuerzo, está dedicado a mi Madre Amadita, por su
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por protegerme durante todo este camino y darme las
fuerzas necesarias para vencer los distintos obstáculos presentes en la
vida.
A mi Padre Luis Cabrera Sanmartín, por su sacrificio y ejemplo me ha enseñado a no rendirme ante cualquier dificultad.
A mis hermanos Edgar y Carlos, por la confianza y apoyo, formando parte de este logro cumplido.
I
ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN...1
ABSTRACT... 2
1. INTRODUCCIÓN... 3
2. METODOLOGÍA Y DISEÑO... 9
2.1. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Y REQUERIMIENTOS: ... 10
2.2. RESTRICCIONES ... 10
2.2.1. PARÁMETROS DE BORDE ... 11
2.3. DISEÑO ELECTRÓNICO ... 14
2.3.1. FUENTE DE ALIMENTACIÓN ... 14
2.3.2. GENERADOR DE ONDAS ... 16
2.3.3. SUPERPOSICIÓN DE SEÑALES ... 34
2.3.4. AMPLIFICACIÓN DE SEÑAL... 41
2.4. CONTROL DIGITAL... 44
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN... 52
3.1. PRUEBA DE INTERFAZ: ... 50
3.3. MODULACIÓN DE FRECUENCIA MEDIA... 51
3.4. SUPERPOSICIÓN DE FRECUENCIAS:... 52
3.5. PRUEBA CON BANCO DE RESISTENCIAS ... 53
3.7. ANÁLISIS... 59
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES... 61
BIBLIOGRAFÍA... 63
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1.Conexión de electrodos utilizando el método tetrapolar... 5
Figura 2.Superposición de onda de baja y media frecuencia... 6
Figura 3.Interferencia constructiva. ... 6
Figura 4.Interferencia destructiva... 7
Figura 5.Superposición a diferente frecuencia. ... 7
Figura 6.Método bipolar ... 8
Figura 7.Modelo en V... 9
Figura 8.Equivalencia de las impedancias del cuerpo ... 12
Figura 9.Proceso del diseño electrónico ... 14
Figura 10.Diseño de la fuente de alimentación simétrica ±12V... 14
Figura 11.Simulación – circuito fuente de alimentación simétrica ... 15
Figura 13.Diseño de la PCB en ARES (Proteus) ... 15
Figura 12.Vista 3D de la fuente de alimentación simétrica ±12V ... 15
Figura 14.Esquema de realimentación de un oscilador senoidal ... 16
Figura 15.Análisis de Ganancia del amplificador ... 16
Figura 16.Análisis de Ganancia del Amplificador ... 17
Figura 17.Atenuación de AxB en el tiempo ... 17
Figura 18.Incremento de AxB en el tiempo ... 18
Figura 19.Oscilación estabilizada en el tiempo ... 18
Figura 20.Configuración del oscilador Puente de Wienn ... 18
Figura 21.Análisis del oscilador puente de Wienn... 19
Figura 22.Análisis de la red de realimentación β ... 19
Figura 23.Diagrama de Bode del oscilador puente de Wienn ... 21
Figura 24.Oscilador puente de Wienn con potenciómetro doble... 22
Figura 25.Limitador de amplitud con diodos ... 24
Figura 26.Funcionamiento, diodos en el limitador de amplitud ... 24
Figura 27.Gráfica de la resistencia de un diodo 1N4148 ... 25
Figura 28.Resistencia equivalente entre RDY R2... 25
Figura 29.Estabilización de Voen 1,5 Vpico... 26
Figura 30.Oscilador para frecuencias bajas ... 27
Figura 31.Análisis del amplificador para encontrar Vo ... 27
Figura 32.Análisis del amplificador para aplicar LCK ... 28
Figura 33.Voltaje de salida para frecuencias bajas... 29
Figura 34.Voltaje a la salida del oscilador para frecuencias bajas ... 30
Figura 35.Cálculo del período T gráficamente ... 30
Figura 36.Simulación del oscilador para frecuencias medias ... 31
II
Figura 39.Cálculo del período T gráficamente ... 34
Figura 40.Circuito de modulación y esquemático del MC1496 ... 35
Figura 41.Conexión del MC1496 para la superposición de ondas ... 37
Figura 42.Ondas de baja y media frecuencia... 39
Figura 43.Simulación del circuito esquemático del MC1496 ... 40
Figura 44.Onda resultante de la superposición... 40
Figura 45.Diseño de la PCB del mezclador de ondas... 40
Figura 46.Vista 3D del mezclador de ondas ... 41
Figura 47.Circuito del amplificador de señal - salida del MC1496... 41
Figura 48.Análisis del amplificador operacional no inversor ... 41
Figura 49.Esquema y zonas de operación del transistor BJT NPN... 42
Figura 50.Análisis del transistor BJT NPN ... 42
Figura 51.Simulación del transistor BJT NPN ... 43
Figura 52.Diagrama de flujo para el tiempo de la sesión ... 44
Figura 53.Diagrama de flujo para la pantalla GLCD... 45
Figura 54.Conexión del PIC 16F877A... 46
Figura 55.Conexión de la pantalla GLCD al PIC 16F877A ... 47
Figura 56.Accionamiento manual para el electroestimulador... 47
Figura 57.Vista PCB del PIC 16F877A y la pantalla GLCD ... 47
Figura 58.Circuito esuqmático del electroestimulador... 48
Figura 59.Método bipolar para electroterapia ... 49
Figura 60.Interfaz gráfica del electroestimulador ... 50
Figura 61.Gráfica de modulación de frecuencia baja ... 51
Figura 62.Gráfica de modulación de frecuencia media ... 51
Figura 63.Gráfica de superposición de las ondas ... 52
Figura 64.Superposición de ondas de baja y media frecuencia ... 52
Figura 65.Prueba con corriente interferencial <10Hz ... 53
Figura 66.Prueba con corriente interferencial > 1KHz... 55
Figura 67.Prueba con corriente interferencial > 5KHz... 56
Figura 68.Prueba con corriente interferencial de 10KHz... 57
Figura 69.Corrientes interferenciales <10Hz... 58
Figura 71. Corrientes interferenciales entre 10KHz ... 58
Figura 70. Corrientes interferenciales entre 5KHz ... 58
Figura 72.Corrientes interferenciales entre 1KHz ... 58
Figura 73.Gráfica del umbral de sensación eléctrica ... 59
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA Tabla 1.Efectos de la corriente eléctrica en el cuerpo humano ... 4
Tabla 2.Especificaciones técnicas para el electroestimulador
de corrientes interferenciales ... 10
Tabla 3.Impedancia del cuerpo al paso de corriente ... 12
Tabla 4.Características eléctricas del M1496 ... 37
Tabla 5.Valores de Corriente y Voltaje con una Resistencia de
15 Ohmios... 53
Tabla 6.Valores de Corriente y Voltaje con una Resistencia de
80 Ohmios... 53
Tabla 7.Valores de Corriente y Voltaje con una Resistencia de
125 Ohmios... 54
Tabla 8.Valores de Corriente y Voltaje con una Resistencia de
460 Ohmios... 54
Tabla 9.Valores de Corriente y Voltaje con una Resistencia de
840 Ohmios... 54
Tabla 10.Valores de Corriente y Voltaje con una frecuencia
>1KHz ... 55
Tabla 11.Valores de Corriente y Voltaje con una frecuencia
>5KHz ... 56
Tabla 12.Valores de Corriente y Voltaje con una frecuencia
de 10KHz ... 57
Tabla 13.Valores de corriente promedio a determinada
V
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA Anexo 1.Certificación de la validación del electroestimulador... 65
RESUMEN
El presente proyecto, es elaborado con el objetivo de diseñar y construir un prototipo para electroterapias que permita mitigar el dolor osteoarticular, contando con el manejo de corrientes interferenciales comprendidas en un rango de frecuencias entre 1KHz y 10KHz también denominadas frecuencias medias, cuya principal ventaja es que al incrementar su valor, los tejidos disminuyen su impedancia, es decir; disminuye el paso de la corriente a través de la zona a realizar la electroterapia. El efecto de la electroterapia con corrientes interferenciales sobre las articulaciones, menciona que los líquidos contenidos dentro de la articulación se verán sometidos a una movilización repetitiva, los cartílagos a presiones alternativas, las cápsulas a pequeñas deformaciones y la articulación a desplazamientos íntimos de mayor o menor amplitud según el tamaño de la articulación. Esto tendrá consecuencias para evitar: adherencias y sedimentación de la fibrina en el líquido sinovial; mejora nutricional del cartílago; licuación del derrame y su más fácil reabsorción; liberación de edemas capsulares; estimulación propioceptiva y la denominada analgesia. El prototipo es capaz de variar el valor de la frecuencia mediante una interfaz, y a través de electrodos permite dar pulsos eléctricos que ofrecen realizar la rehabilitación. A continuación se presenta el diseño, desarrollo e implementación del prototipo, la descripción de cada uno de los componentes electrónicos, elementos que han sido seleccionados de manera que ayuden a solventar las necesidades, de la misma manera al finalizar el proyecto se presenta la tabulación de resultados, quienes luego de una serie de pruebas, califican al prototipo como idóneo para realizar la electroterapia cumpliendo con los requerimientos mínimos necesarios según la norma IEC 60601-1.
Palabras clave: electroestimulador, dolor osteoarticular, corrientes
2
ABSTRACT
This project is designed to design and build a prototype for electrotherapies to mitigate osteoarticular pain, with the management of interferential currents in a range of frequencies between 1KHz and 10KHz also called medium frequencies, whose main advantage is that when increasing its value, the tissues diminish their impedance, that is to say; decreases the passage of current through the area to perform electrotherapy. The effect of electrotherapy with interferential currents on the joints, mentions that the liquids contained within the joint will be subjected to a repetitive mobilization, the cartilages to alternative pressures, the capsules to small deformations and the articulation to intimate displacements of greater or lesser amplitude according to the size of the joint. This will have consequences to avoid: adhesions and sedimentation of fibrin in synovial fluid; nutritional improvement of cartilage; liquefaction of the effusion and its easiest reabsorption; release of capsular edema; proprioceptive stimulation and the so-called analgesia. The prototype is able to vary the value of the frequency through an interface, and through electrodes it allows to give electrical pulses that offer to perform the rehabilitation. The following is the design, development and implementation of the prototype, the description of each of the electronic components, elements that have been selected in order to help meet the needs, in the same way at the end of the project the tabulation of results, who after a series of tests, qualify the prototype as suitable to perform electrotherapy complying with the minimum requirements necessary according to IEC 60601-1.
3
La electroestimulación o electroterapia es la técnica utilizada como
tratamiento para el alivio del dolor, fuerza, resistencia, fortalecimiento y firmeza muscular, por lo que es conveniente el uso de un dispositivo
denominado electroestimulador. Dependiendo del tipo de dolor que el
paciente presente, este; puede ser causado por una serie de
enfermedades, una lesión o por desgaste, cuyo problema puede ser lento, progresivo y hasta puede llegar a ser un limitante para la articulación afectada. ( Juárez Juàrez & Olivia Montes, 2012)
El dolor es un mecanismo por medio del cual el individuo reconoce un daño en su cuerpo. Según la Asociación Internacional para el Estudio del Dolor (IASP) lo define como “una sensación física y emocional desagradable asociada a una lesión de tejidos potencial o real y que incluye una serie de conductas relacionadas con él, visibles o audibles que pueden ser modificadas por el aprendizaje” (León - Olea, 2012)
El dolor osteoarticular es el síntoma más frecuente entre las enfermedades reumáticas, siendo el motivo fundamental para que los pacientes acudan a revisiones médicas, además suele acompañarse de otros síntomas tales como rigidez e inflamación. Los dolores osteoarticulares más comunes son los siguientes: dolor de hombro, rodillas, cadera, espolón calcáneo y fascitis
plantar. El tratamiento de este tipo de dolor se acompañará siempre de
medidas terapéuticas que incluyan rehabilitación, educación del paciente, así
como de ayuda psicológica. Dicho tratamiento se basa en el empleo de
analgésicos, utilización de determinados bloqueos nerviosos y técnicas de
estimulación nerviosa comúnmente denominada electroterapia.
(GRUNENTHAL, 2003)
La electroterapia perteneciente a la fisioterapia permite que a través de estímulos físicos originados por una corriente eléctrica, lograr un efecto beneficioso en la zona afectada del paciente. (Rivera, 2011)
Para ayudar a verificar el funcionamiento y la seguridad de los dispositivos médicos existen normas generales para la seguridad eléctrica de los equipos médicos, siendo la principal norma para este tipo de equipos la IEC 60601 así como la ISO 13485, dónde se indica los requerimientos generales para la protección contra peligros de electrocución. En los incisos de la norma IEC 60601-1, sección 3, hace referencia y se detalla de mejor manera la clase, el tipo y el segmento o elemento terminal del equipo que se aplica al paciente.
Los límites permitidos de corriente eléctrica están establecidos en la experiencia de valores admitidos por el cuerpo humano y de los resultados
corrientes necesarias para causar la fibrilación ventricular. (Llamosa R, Miza Contreras, & Parra Lara , 2006)
La intensidad o amplitud de la corriente utilizada para la electroterapia es un valor que puede regularse de acuerdo a la norma establecida. Dicha intensidad se debe ajustar de acuerdo a la terapia que requiere cada paciente y de los objetivos perseguidos, debe mantenerse por debajo del límite del dolor del paciente, es decir; experimentar una sensación indolora o molestia agradable. (Albornoz Cabello & Maya Martín, 2010)
A continuación se presentan los rangos de corriente permitidos y los efectos fisiológicos que tiene al hacer contacto con el cuerpo humano:
Tabla 1.Efectos de la corriente eléctrica en el cuerpo humano.
INTENSIDAD EFECTOS FISIOLÓGICOS
>1 mA Normalmente es utilizada para electroterapia
1mA Cosquilleo leve
5mA
Se siente una leve descarga, indolora pero molesta. Las
personas comúnmente se pueden soltar. Reacciones
involuntarias fuertes pueden causar otras lesiones.
6-25 mA
Descarga dolorosa, pérdida del control muscular. Corriente que congela, es decir “incapacidad de soltar”. La persona no puede soltar el objeto, pero puede ser arrojada del circuito si se estimulan los músculos extensores.
50-150 mA Dolor intenso, paro respiratorio (se detiene la respiración),
fuertes contracciones musculares. La muerte es posible.
1000 – 4300 mA
Se interrumpe el bombeo rítmico del corazón. Ocurre
contracción muscular y daños nerviosos, muerte
probablemente.
10000 mA Ocasiona paro cardiaco y quemaduras graves. Muerte
altamente probable.
15000 mA Sobrecorriente mínima debido a la cual un fusible o disyuntor
típico abre un circuito.
( W. Fowler , D, & Miles, 2012)
Existen equipos médicos para realizar electroterapia, uno de ellos es
denominado estimulador neuromuscular, equipo que utiliza ondas
sinusoidales portadoras de media frecuencia (1KHz Y 10KHz) con envolventes de baja frecuencia (1Hz – 150Hz), esta técnica de corrientes se designa como tratamiento con corrientes interferenciales y se utiliza primordialmente para:
5
• Bombeo circulatorio
• Analgesia en dolores de origen químico
• Analgesia en dolores de origen mecánico
• Analgesia en dolores de origen neurálgico
• Eliminación de derrames articulares
Para utilizar el tratamiento con corrientes interferenciales, el paciente debe estar relacionado al equipo por medio de electrodos, para ello existen dos tipos de relación o métodos para realizar la electroterapia: el primero denominado método bipolar o premodulado y el segundo llamado método cuadripolar o tetrapolar.
Método tetrapolar:
Este método utiliza cuatro electrodos y se instalan en la zona afectada del cuerpo formando un cuadrado. La base funcional de este método radica en que dos electrodos (rojos) transmiten una onda senoidal a determinada
frecuencia (F1) y los otros dos electrodos (azules) formen otra onda senoidal
con una frecuencia cercana (F2= F1± 250Hz), como se muestra en la Figura 1.
Las corrientes interferenciales se originan por la propiedad de superposición entre corrientes alternas, propiedad presente en todos los fenómenos ondulatorios. (GMDN, 2012)
La superposición se describe cuando dos ondas con la misma frecuencia o
aproximadamente iguales (F1 y F2), viajan por la misma línea (L1), pero en
sentidos contrario, formando ondas estacionarias cuyo resultado es una
onda envolvente(FR)que varía en el tiempo como se muestra en la Figura 2.
Zona de interferencia
ElectrodosI ElectrodosII
I
II
F1=4000Hz
F2=4000Hz ± 250Hz
Figura 1.Conexión de electrodos utilizando el método tetrapolar.
La intención de colocar los electrodos como se indica en la Figura 1 del inciso anterior, formando un cuadrado, es lograr que en el tejido del paciente
se genere la onda (FR), propia de una onda interferencial, que se ilustra en la
Figura 2. Existen tres tipos de interferencia que ocurren al momento de conectar los electrodos de distinta manera:
Interferencia constructiva: Si las dos ondas (F1 y F2) tienen la misma frecuencia y fase en todas partes o aproximadamente iguales a través del tiempo, es decir los valores pico de una corresponde a los de la otra, de tal forma que al superponerlas resulta una onda de
mayor amplitud (FR) como se muestra en la Figura 3.
L1
F1 F2 FR
Figura 3.Interferencia constructiva.
(GMDN, 2012)
L1
L1
F1 F2 FR
Figura 2.Superposición de onda de baja y media frecuencia.
7
Interferencia destructiva: Si las dos ondas tienen la misma
frecuencia, pero existe un desfase de 180° entre (F1) y (F2), el
resultado de la superposición es una onda de menor amplitud de manera que si las señales tienen la misma amplitud, la onda
resultante (FR) se anularía. (Figura 4)
Superposición de ondas a diferente frecuencia: Si una onda de
baja frecuencia (F2) interfiere con otra onda de alta frecuencia (F1), el
resultado (FR) sería que la onda de frecuencia alta se superpone
sobre la onda de frecuencia baja tal como se muestra en la Figura 5.
Con lo anteriormente expuesto se concluye que para tener éxito en la terapia con el método tetrapolar depende totalmente de la posición en que se encuentren los electrodos.
L1
F1 F2 FR
Figura 4.Interferencia destructiva.
(GMDN, 2012)
F1 F2 FR
L1
Figura 5.Superposición a diferente frecuencia.
Método Bipolar:
Este método solo utiliza dos electrodos, también es conocido como
premodulado debido a que la forma de onda resultante (FR), se procesa
desde el equipo y no en el tejido del paciente como se hace el método tetrapolar. Para generar este tipo de onda se utiliza un multiplicador de
señales que multiplica dos señales sinusoidales, una de frecuencia baja (F2)
entre 1 y 150 Hz y la otra de frecuencia media (F1) que puede ser de 1KHz a
10KHz resultando una modulación en amplitud (FR), Figura 6.
Para finalizar, los equipos de electroestimulación se clasifican en analógicos y digitales. Terapéuticamente no existe diferencia entre ellos. La mayoría de equipos que existe en el mercado son digitales porque dicha tecnología conviene por el ahorro de espacio, son livianos y compactos, cuyo diseño electrónico es más sencillo.
Para la aplicación de electroterapia con el principio de corrientes
interferenciales existen varios equipos por ejemplo equipos que incluyen: estimulación nerviosa transcutánea conocida como TENS, los cuales trabajan con electrodos para hacer contacto con la piel, equipos que presentan varias ventajas ya que se utilizan para ofrecer masajes por la buena conducción a través del tejido. ( Cortes Mánica , 2008)
Por otra parte existen equipos combinados, que son equipos con características similares a las anteriormente mencionadas pero además cuentan con ultrasonido terapéutico, permitiendo dar una terapia combinada o independiente de ultrasonido. (GMDN, 2012)
F1 F2 FR
L1
Figura 6.Método bipolar.
La metodología presente en este proyecto se denomina “Modelo en V”, utilizada para representar de manera ordenada y secuencial las etapas de conceptualización de un producto, es decir representa en forma de V, las relaciones temporales entre las distintas fases del ciclo de desarrollo del proyecto. (Sell & Tamre, 2005)
En la Figura 7, se detalla el proceso de construcción del electroestimulador
de corrientes interferenciales. Como punto de partida se precisa las
características y especificaciones técnicas, base fundamental para el
desarrollo del prototipo, para ello debe cumplir requerimientos basados en normas, una de ellas, la norma IEC 60601-1 referente a la seguridad con equipos médicos; seguido del diseño específico del prototipo en donde se realiza una definición más detallada, en este parámetro se realizan los cálculos necesarios para asegurar el desempeño de cada susbsistema ya sea eléctrico, electrónico o de control. En la parte de implementación del sistema se une los resultados obtenidos de las pruebas realizadas al equipo para estudiar su interacción con el usuario y garantizar el cumplimiento de la función principal. El soporte de las propiedades se lleva a cabo a lo largo del proceso de manera que se verifique el cumplimiento de los requerimientos.
Verificación y validación del
sistema Especificaciones
Técnicas
Análisis de pruebas Requerimientos
Implementación de las distintas
partes Restricciones
Diseño del prototipo: Generador de ondas Amplificador de señal
Rectificador de señal
INICIO FIN
Figura 7.Modelo en V.
10
2.1. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Y REQUERIMIENTOS:
A continuación se presenta las especificaciones técnicas y requerimientos del electroestimulador:
Tabla 2.Especificaciones técnicas para el electroestimulador de corrientes interferenciales.
NOMBRE DEL DISPOSITIVO:
ELECTROESTIMULADOR PARA TERAPIAS DE REHABILITACIÓN DE DOLOR OSTEOARTICULAR
UTILIZANDO CORRIENTES INTERFERENCIALES
DEFINICIÓN:
Equipo para tratamiento de pacientes que sufren de dolor
osteoarticular (articulaciones), utilizando corrientes de
frecuencia media (corrientes interferenciales) a través de dos electrodos (método bipolar) dispuestos en la piel del paciente, con el fin de aliviar el dolor y de la misma manera producir un masaje terapéutico.
DESCRIPCIÓN:
1. Electroestimulador para terapias con sistema de
corrientes interferenciales.
2. Equipo controlado por microcontrolador PIC 16F877A.
3. Con pantalla GLCD
4. De dos canales (electrodos)
5. Interfaz amigable e intuitiva
6. Controles de:
6.1. Tiempo de tratamiento (1 – 30 min)
6.2. Intensidad de corriente (mA)
6.3. Encendido/Apagado
6.4. Seguridad para paciente y
máquina.
ACCESORIOS: Electrodos tipo comercial especializados para la práctica de
terapias analgésicas
ALIMENTACIÓN: 120V/60Hz
OPERACIÓN: Personal calificado y de acuerdo al manual de usuario
NORMAS /
CERTIFICADOS: IEC 60601-1, ISO 13485
2.2. RESTRICCIONES
La valoración que debe realizar el fisioterapeuta debe ser la correcta para la aplicación de la técnica, así como la seguridad de que no existe una contraindicación para la electroterapia.
Zonas próximas a los nervios que tienen una relación directa sobre
funciones orgánicas, como el control voluntario e involuntario de la respiración o los del control de esfínteres.
Pacientes con hipertensión o hipotensión arterial deben ser muy
controlados, por la posibilidad que tiene una corriente eléctrica de influir sobre la tensión vascular.
Zonas con neoplasias (cánceres, tumores, bultos), metástasis
(reproducción de células cancerígenas) o infecciones, por posibles declinaciones del proceso.
El equipo debe siempre estar bajo prescripción médica y supervisión
constante al paciente. (Rodríguez Martín, 2013)
2.2.1. PARÁMETROS DE BORDE
EQUIPO
De acuerdo con la norma IEC 60601-1, los elementos mínimos que debe presentar un dispositivo de electroestimulación son los siguientes:
Cumplir con las normas de seguridad establecidas.
Carcasa que permita proteger al circuito así como al paciente
Interruptor de encendido y apagado
Indicador de encendido y apagado
Bornes de salida al paciente (electrodos)
Regulador de intensidad (Rodríguez Martín, 2013)
PACIENTE
La aplicación de corrientes interferenciales se realiza de forma transcutánea, ubicando los electrodos sobre la piel; por lo que es necesario conocer el estado del paciente tanto cualidades y condiciones propias ante el uso de este tipo de corrientes, tomando en cuenta factores como:
Psicológicos: presencia o ausencia de miedo o fobia a la electricidad.
Morfológicos: zonas necesarias de la piel adecuadas para la aplicación de la electroterapia.
Historial del paciente: número de sesiones que el paciente ha recibido.
12
Estado de la piel: Rugosa, degenerada, herida, pérdida de sensibilidad provocada por innervación nerviosa.
Zonas de aplicación: Excesiva acumulación de grasa, tuberosidades óseas. (Rodríguez Martín, 2013)
El uso del equipo está dirigido para zonas articulares, el alivio del
dolor de hombro, rodillas, cadera, espolón calcáneo y fascitis plantar, pero se puede extender a otros beneficios que se detallan más adelante. (Rodríguez Martín, 2013)
IMPEDANCIA DE LA PIEL
La piel es el órgano más extenso del cuerpo humano y por lo tanto ofrece una resistencia al paso de la corriente eléctrica, la cual disminuye conforme aumente la frecuencia de la corriente eléctrica. Esta resistencia que presenta el cuerpo se la denomina impedancia y tiene un equivalente a la resistencia óhmica.
Tabla 3.Impedancia del cuerpo al paso de corriente.
TIPO DE CORRIENTE IMPEDANCIA / cm2de piel
Galvánica Alrededor de 2000 KΩ/cm2
Alterna 1000 Hz alrededor de 2000Ω/ cm2
Alterna 1050 Hz alrededor de 1130 KΩ/ cm2
Alterna 1100 Hz alrededor de 1100 KΩ/ cm2
Alterna 5000 Hz alrededor de 1010 Ω/ cm2
(José María Rodriguez Martín, 2013)
Los valores mostrados en la Tabla 2, no son valores fijos, éstos varían dependiendo de cada persona pero si podría ser un aproximado al valor promedio. Cabe recalcar que los valores de impedancia para distintos tejidos del organismo son distintos (Figura 8) y cuyo valor tiende a disminuir en el transcurso de cada sesión.
Figura 8.Equivalencia de las impedancias del cuerpo.
De considerar muy importante el valor de la impedancia en un determinado tejido para la aplicación de la electroterapia, basta con conocer el valor del voltaje y la corriente a suministrar para aplicar la conocida ecuación de la ley de Ohm que indica:
R=V
I; Resistencia=
Voltaje
Intensidad [1]
DOSIS Y BENEFICIOS
Según la experticia de los fisioterapistas la frecuencia de las sesiones suele ser interdiaria (tres veces a la semana). El tiempo de cada sesión mediante el empleo de corriente interferencial oscila entre 1-10 minutos, dependiendo del estado del paciente. Así, en las sesiones iniciales de un paciente sedentario el tiempo no supera los 10 minutos, siendo este valor notablemente mayor en pacientes adaptados a la acción de esta corriente, o bien en aquellas personas que presentan un buen tono muscular de base.
14
2.3. DISEÑO ELECTRÓNICO
Figura 9.Proceso del diseño electrónico.
2.3.1. FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Es un dispositivo diseñado para convertir la corriente alterna de la red de distribución eléctrica a un tipo de corriente de menor intensidad permitiendo de esta forma alimentar a circuitos de menor intensidad de corriente. A este tipo de dispositivos se los conoce como fuentes lineales, se representa como se muestra en la Figura 10 y consta de los siguientes elementos:
- Transformador
- Rectificador
- Filtro
- Regulación
- Salida
FUNCIONAMIENTO: El transformador (1) es el elemento que adecua los niveles de tensión como de corriente proveniente de la red eléctrica para ser utilizados en circuitos cuya corriente y tensión son de menor magnitud. Seguido del circuito que convierte la corriente alterna en continua
denominado rectificador (2) y se realiza a través de un puente de diodos, a
continuación un circuito que se encarga de disminuir el rizado con un filtro
capacitivo (4) y finalmente la salida (5) en dónde se encuentran los valores
de tensión necesarios para los fines que fue diseñada la fuente.
GENERADOR DE ONDAS
AMPLIFICADOR DE SEÑAL
REGULADOR
ELECTRODOS
Cabe destacar que en el esquema también están presentes dos reguladores de tensión (LM7815 y LM7915), cuyo objetivo es proporcionar una tensión constante a su salida (+12V y -12V) respectivamente, permitiendo de esta manera el flujo de voltaje sin alteraciones como se muestra en la Figura 11.
Figura11.Simulación de la fuente de alimentación simétrica.
Figura 12.Diseño de la PCB en ARES (Proteus).
16
2.3.2. GENERADOR DE ONDAS
Para lograr diseñar un oscilador, es necesario crear y mantener una oscilación senoidal a una frecuencia determinada. La idea es que la señal de realimentación será la entrada del amplificador. Si la señal de realimentación así como la fase son las adecuadas, habrá una oscilación de salida.
A continuación se presenta el esquema general de realimentación de un oscilador sinusoidal.
En dónde:
Vi Señal de entrada
Vo Señal de salida que está siendo muestreada y escalada a través del
bloque de realimentación produciendo la señal de realimentación Vr
Vr Señal de realimentación
A Ganancia del Amplificador
Β Coeficiente de realimentación
Ve Señal de error
∑ Malla sumadora
Para entender el término de “Ganancia” (A) es necesario hacer el siguiente análisis: ( Eberlein & Vázquez, 2017):
Abrir la entrada del amplificador y aplicar allí un generador de señal como
se muestra en la Figura 15:
Analizando el diagrama se obtiene las siguientes ecuaciones:
Figura 14.Esquema de realimentación de un oscilador senoidal.
Vo=A×Vi [2]
Vr=β×Vo [3]
Vr=A×β×Vi [4]
Al término A x β se lo denomina como ganancia de lazo (T).
Ahora, si se desconecta el generador de señal, la entrada del
amplificador es la señal de realimentación tal como se muestra en la Figura 16:
Con el análisis realizado, existen varios comportamientos según sea el valor
de la ganancia de lazo A x β. A continuación se presentan los casos
posibles para los distintos valores de ganancia de lazo:
A x β < 1: Vo se atenuará en el tiempo, logrando estabilizar al
amplificador, es decir; que cualquier oscilación que surja se atenúe.
A x β > 1: Vo se incrementará en el tiempo, llevando al amplificador a
zonas de saturación y en consecuencia a la deformación de la onda.
Figura16. Análisis de Ganancia del Amplificador.
18
A x β = 1: VOserá una señal senoidal estable en el tiempo.
Para el desarrollo de este proyecto, en el diseño del oscilador sinusoidal, se utiliza la configuración de un oscilador tipo “Puente de Wienn” ( Eberlein & Vázquez, 2017), el cual utiliza un circuito resonante en la red con realimentación β, el esquema es el siguiente:
Figura18.Incremento de AxB en el tiempo.
Figura19.Oscilación estabilizada en el tiempo.
Para identificar el amplificador A y la red de realimentación β, es necesario dividir al circuito en dos partes como se muestra a continuación en la Figura 21.
Dónde:
A es un amplificador no inversor, cuya “Ganancia” se calcula con la
fórmula:
A=1+R2
R1 [5]
βestá compuesto por el siguiente circuito RC:
Figura 21.Análisis del oscilador puente de Wienn.
20 Dónde:
Vr=Vo× R|| -jXc
R-jXc + R|| -jXc
[6]
XC= 1
wC [7]
Cuya función de transferencia sería:
β(jw)=Vr
Vo=
R|| -jXc
R-jXc + R|| -jXc [8]
Al simplificar la ecuación se obtiene el módulo como el ángulo de fase:
|β(jw)|= 1
9+ Xc
R -R Xc
[9]
Φ=arct tan
Xc R
-R Xc
3 [10]
El módulo tiene un máximo y la fase se hace cero (Φ =0), cuando:
Xc
R -R
Xc =0 [11]
Es decir:
R=Xc= 1
wC= 1
2πfC [12]
Por lo tanto la frecuencia de resonancia del circuito (f) viene dada por la
expresión:
f= 1
2πRC [13]
Finalizando se obtiene:
|β(jw)|=1
3 Y Φ=0
Graficando el módulo y la fase de β en un diagrama de Bode los gráficos
El análisis del Diagrama de Bode conlleva a las siguientes afirmaciones:
La fase del circuito varía de +90° a -90°, por lo que este circuito es
conocido como un circuito de retardo adelanto.
A bajas frecuencias el capacitor en serie se comporta como un
circuito abierto por lo tanto la salida Vr tenderá hacia el valor de
cero.
A altas frecuencias el capacitor en paralelo se comporta como un
cortocircuito, por lo tanto, la salida Vrtambién será cero.
ANÁLISIS DE FUNCIONAMIENTO:
Por lo hasta ahora expuesto se llega a la conclusión que el circuito oscilador debe diseñarse para que la ganancia de lazo sea mayor que uno (T = A x β
> 1), para la frecuencia de oscilación (fo) del circuito en donde su
realimentación tiene un valor máximo:
T(fo)=A×β(fo)=A×1
3>1 [14]
A>3 [15]
Con una oscilación creciente de frecuencia (fo), lo siguiente que se debe
realizar es estabilizar la amplitud para no producir recortes por la saturación en el amplificador operacional.
22 estabilizando la amplitud de las oscilaciones antes que amplificador operacional entre en zona de saturación.
A=1+R2
R1
R1≫R2
A≈1
Adicionalmente a este tipo de osciladores se les incorpora un potenciómetro doble cuyo valor varía de manera simultánea en el circuito en serie con el capacitor así como el circuito conectado en paralelo, permitiendo de esta manera variar la frecuencia de oscilación del circuito (fo) ( Eberlein & Vázquez, 2017)
2.3.2.1. FRECUENCIA BAJA (fo<1KHz)
C = 100nF
Rfija= Rmín= R=4,7 KΩ
Rvariable= Rv=20KΩ
Rmáx=Rfija+Rvariable=24,7KΩ
Al reemplazar en la fórmula [13] de frecuencia:
fmín=
1
2πRmáxC
C
R2 R
C R
Potenciómetro doble
fmín= 1
2π×24,7KΩ×100nF=64,44Hz
fmáx=2πR1
mínC
fmáx=2π×4,7KΩ×100nF =1 338,63 Hz
El valor A del amplificador no inversor de ganancia se calcula mediante la ecuaciòn [5]:
A=1+R2
R1
A=1+50KΩ
10KΩ
A=6
A>3
Reemplazando en la fórmula de ganancia de lazo:
T=A×β ≈1
T=6×1
3=2
La amplitud de oscilación tiende a incrementarse en el tiempo.
Tanto la frecuencia mínima como la máxima son de 64,44Hz y 338,63 Hz respectivamente, cumpliéndose el primer rango de frecuencias bajas para el proyecto. Pero existe un problema con la estabilización de la frecuencia de
oscilación ya que siendo mayor a uno, haciendo que el voltaje de salida (Vo)
se incrementará en el tiempo, llevando al amplificador a zonas de saturación y en consecuencia a la deformación de la onda tal como se muestra en la Figura 18.
24
Figura 25.Limitador de amplitud con diodos.
Al encender el circuito e iniciarse, las oscilaciones son bajas en amplitud, y los diodos no están directamente polarizados lo suficiente como para
conducir. Los diodos actúan como circuitos abiertos, y el valor efectivo de R2
es 50 KΩ.Esto suministra una ganancia de 6, y la oscilación crece en amplitud. Por otro lado, las oscilaciones de gran amplitud activan los diodos, de modo que actúan aproximadamente como cortocircuitos.
Esto implica que son los diodos los que saturan cuando empiezan a conducir
desde el voltaje umbral (Vᵞ), además es importante mencionar que la
resistencia del diodo no es lineal si no logarítmica (Figura 27) y que está en
función de su tensión; en donde la resistencia del diodo RD se encuentra en
paralelo con R2(Figura 28)
RD= f(VD) [16]
Figura 26.Funcionamiento de los diodos en el limitador de amplitud.
Por ejemplo cuando VO= 0,45 V; la resistencia del diodo RD= 500Ω, de esta
manera la RDy R2 forman una resistencia equivalente como se muestra en
la Figura 28 en paralelo cuyo resultado es:
1
R =
1
R +
1 R
Figura 27.Gráfica de la resistencia de un diodo 1N4148.
(Juan García, 2012)
RESISTENCIA EN OHMIOS (Ω) DE UN DIODO 1N4148
TENSIÓN DIRECTA EN VOLTIOS (V)
500
Req
26 1
Req
= 1
500Ω+
1 50KΩ
Req=495,05 Ω
Entonces:
A=1+Req
R1
A=1+495,05 Ω
10KΩ
A=1,05
A<3
Reemplazando:
T=A×β ≈1
T=1,05×1
3=0,35
La amplitud de oscilación decae en el tiempo, permitiendo alcanzar una amplitud de equilibrio. Como los diodos conducen parte del ciclo, las oscilaciones se estabilizarán en algún punto intermedio en el que en promedio:
A=1+R2
R1=3 y T=A×β=1
Entonces prácticamente se verifica que la salida VO se estabilizará para
una amplitud de aproximadamente 1,5 Vpico, tal como se muestra en la
Figura 29 ( Hambley, 2000):
+ 1 2 -1 2 3 2 1 4 1 1 U1:A LM324 4 1 % RV1 20k 1 9 % RV3 20k 4 9 % RV4 50k C3 100nF C4 100nF R15 10k D2 1N4001 D3 1N4001 R16 4k7 R17 4k7
Figura 30.Simulación del oscilador para frecuencias bajas en el diseño del prototipo.
VOLTAJE DE SALIDA (FRECUENCIAS BAJAS):
Para encontrar el voltaje de salida es necesario analizar el amplificador operacional:
Vr
i1
28
DATOS: R1=10KΩ
R2=50KΩ
VD= 0,6 V (Asumiendo que los diodos actúan como interruptores y se cierran
cuando el voltaje a través de ellos supera 0.6 V, Figura 32)
Para calcular el voltaje de salida (Vo), se aplica LCK en el nodo de color rojo
i1+i3=i2
i2=0
Vr-0
R1
+Vr-VO-VD
R2
=0
El objetivo es llegar que VO sea una señal senoidal estable en el tiempo,
entonces mediante la ecuación (2):
Vr=β×Vo ; β=1
3
Vr=
Vo
3
Vr
+ VD
--i1
i2 i3 io
Reemplazar Vry los valores de R1y R2; Vo 3 R1 + Vo
3 -VO-VD
R2 =0 Vo 3 10KΩ+ Vo
3 -VO-VD
50KΩ =0
Despejar Vo:
Vo
3 +
Vo
3 -VO-VD
5 =0 Vo 3 + Vo 15 -Vo 5 = VD 5
Vo=VD=0,6V
Reemplazar el Valor de Vopara obtener i1, i2 e i3:
i1=
Vr-0
R1 = Vo 3 R1 = 0,6V 3
10KΩ=20µA ; i2=0
i3=
Vr-VO-VD
R2
= 0,6V
3 -0,6V-0,6V
50KΩ =-20µA
Al comprobar en la simulación de ISIS (Proteus):
30 Voltaje mostrado por el voltímetro:
Vef=Vp
√2=
600mV
√2 ≈0,42V
Para calcular la frecuencia de manera gráfica:
Se mide el período (T), denominado como el tiempo en que la onda recorre un ciclo
Mediante el gráfico:
Figura 35.Cálculo del período T gráficamente.
T=tf-ti=14ms-7ms=7ms
fbaja=1
T=
1
7ms=142,85 Hz
Se encuentra dentro del rango de frecuencias bajas anteriormente calculadas:
64,44Hz≤fbaja≤338,63 Hz
Este mismo procedimiento se realiza `para el rango de medias frecuencias comprendidas entre 1KHz y 10KHz:
2.3.2.2. FRECUENCIAS MEDIAS (1KHz≤f0≤10KHz)
C = 10nF
Rfija= Rmín= R=4,7 KΩ
Rvariable= Rv=20KΩ
Rmáx=Rfija+Rvariable=24,7KΩ
Reemplazar en la fórmula [13] de frecuencia:
+ 1 2 -1 2 5 6 7 4 1 1 U1:B LM324 7 6 % RV5 20k 7 8 % RV6 20k 5 7 % RV7 50k C5 10nF C6 10nF R18 10k D4 1N4001 D5 1N4001 R19 4k7 R20 4k7
32
fmín= 1
2π×24,7KΩ×10nF=644,4Hz
fmáx= 1
2πRmínC
fmáx= 1
2π×4,7KΩ×10nF=3386,3 Hz
Al observar los resultados, se pensaría que no se cumple con el rango establecido de frecuencias medias, ya que el valor de frecuencia mínima está por debajo de lo señalado. Pero cabe recordar que uno y solo un valor constante de frecuencia media se necesita para la construcción de este proyecto que permita construir la forma de onda de las corrientes interferenciales y cuyo valor puede ser tomado el valor máximo de frecuencia media.
fmáx=3386,3 Hz=3,386 KHz
El valor A del amplificador no inversor de ganancia:
A=1+R2
R1
A=1+50KΩ
10KΩ
A=6
A>3
Reemplazar en la fórmula de ganancia de lazo (T):
T=A×β ≈1
T=6×1
3=2
Cómo los valores de R1, R2, el potenciómetro doble y limitador de amplitud con diodos son los mismos que se utiliza para frecuencias bajas, los resultados no difieren de los anteriores obtenidos. Lo mismo ocurre con el voltaje de salida Vo, cuyo valor de 0,6 V se mantiene:
Voltaje mostrado por el voltímetro:
Vef=
Vp
√2=
609mV
√2 ≈0,43V
El mismo procedimiento para la frecuencia alta:
Figura 37.Simulación del voltaje de salida Vo del amplificador para frecuencias medias.
34 Mediante el gráfico:
T=tf-ti=1,94ms-1,09ms=0,85ms
fmedia=1
T=
1
0,85ms=1176,47 Hz
Se encuentra dentro del rango de frecuencias medias anteriormente calculadas:
644,4Hz≤fmedia≤3386,3 Hz
2.3.3. SUPERPOSICIÓN DE SEÑALES
Al obtener las dos formas de onda de media y baja frecuencia en los pines 7 y 1 respectivamente del amplificador operacional LM324, es conveniente determinar la manera de superponer dos señales sinusoidales.
Para lograr este objetivo existen distintas maneras de hacerlo, una de ellas es a través del MC1496, dispositivo que permite obtener a su salida el producto de dos señales y, por tanto, puede utilizarse como modulador AM y FM, mezclador, doblador de frecuencia, y cualquier aplicación que haga uso de dicha operación (Onsemi, MC1496, MC1496B, 2006).
El esquema de la Figura 40a que se presenta a continuación es el circuito típico modulador cuya conexión y forma de onda (Figura 40b y Figura 40c) se encuentran en la hoja técnica del MC1496 (Onsemi, MC1496, MC1496B, 2006).
(a)
(b)
(c)
36
El MC1496, es un circuito modulador que consiste en un amplificador
diferencial impulsado por un amplificador diferencial con dos fuentes de voltaje.
Los colectores que se encuentran a la salida están acoplados de forma cruzada para que se produzca la multiplicación de onda completa de los dos voltajes de entrada. Es decir, la señal de salida es una constante en el tiempo, resultado del producto de las dos señales de entrada.
El análisis matemático de la multiplicación de señales indica que el espectro de salida consistirá únicamente en la suma y la diferencia de las dos frecuencias de entrada. (Onsemi, MC1496, MC1496B, 2006)
La frecuencia de la nueva corriente modulada obtenida tras la interferencia de los dos circuitos, frecuencia de interferencia, puede calcularse mediante la fórmula (Santa Cruz, 2010):
f=fb+fm
2 [16]
Siendo;
f = frecuenia resultante
fb = frecuencia baja (1Hz – 150Hz)
fm = frecuencia media (1KHz – 10KHz)
La frecuencia con que varía la amplitud se designa como frecuencia de modulación de la amplitud (AMF) de estímulo y equivale a la frecuencia de tratamiento. La AMF tiene un valor que se calcula de la siguiente manera:
AMF = fm– fb [17]
Las corrientes alternas de frecuencia media tienen la capacidad de acoplarse ante la resistencia de la piel, lo que permite la utilización de intensidades más elevadas que las empleadas con las corrientes continuas a impulsos y con las corrientes galvánicas de baja frecuencia, sin que se produzca sensación dolorosa en el paciente ( Cortes Mánica , 2008).
FRECUENCIA RESULTANTE:
fb= 142,85 Hz
fm= 1176,47 Hz
f=142,85 Hz+1176,47 Hz
FRECUENCIA DE MODULACIÓN DE LA AMPLITUD:
AMF=fm-fb=1176,47 Hz- 142,85 Hz=1033,62 Hz
CARCTERÍSTICAS DEL MC1496
Tabla 4.Características eléctricas del M1496.
CARÁCTERISTICAS ELÉCTRICAS DEL MC1496
VCC 12 Vdc
VEE -12Vdc
I5 1.0 mA
RL 3,9 KΩ
RE 1,0 KΩ
(Onsemi, MC1496, MC1496B, 2006)
GANANCIA DE SEÑAL (AVS) Y MÁXIMO NIVEL DE ENTRADA (VS)
Según las características técnicas del MC1496 la ganancia de señal a bajas frecuencias se define como la ganancia de voltaje:
AVS=
Vo
Vs
= RL
RE+2re
r =26mV: I =1,0 mA
38
re= 26mV
1,0 mA=26Ω
AVS=Vo
Vs=
RL
RE+2re=
3,9 KΩ
1,0 KΩ+2(26Ω)=3,70
La operación lineal requiere que la entrada de señal esté por debajo de un
valor crítico determinado por REy la corriente de polarización I5.
VS≤ I5* RE (Vp) ; VS=600mV
VS≤ 1,0 mA* 1,0 KΩ (Vp)
VS≤ 1V
600mV≤ 1V
Las siguientes ecuaciones de diseño son necesarias para operar el circuito
de multiplicación de señales con suministro de voltajes y condiciones de
entrada:
CORRIENTE DE FUNCIONAMIENTO
Las corrientes de polarización internas se establecen por las condiciones en el Pin 5, asumir:
I5=I6=I12=1mA
IB≪Ic ;para todos los transistores
Luego:
R5=
V-(-ϕ)
I5
-500Ω
R5= Resistencia entre el Pin 5 y Tierra = 6,8KΩ
Φ = 0.75 a TA= +25°C
Al despejar el valor deV:
I5*(R5+500Ω)=V+ϕ
V=I5*(R5+500Ω)-ϕ
V=1mA*(6,8KΩ+500Ω)-0,75=6,55V
VOLTAJE DE SALIDA:
V6=6,55V+1mA*3,9 KΩ=10,45V
V12=V-I5*RL
V12=6,55V-1mA*3,9 KΩ=2.65V
DISIPACIÓN DE POTENCIA (PD)
La disipación de potencia PD, dentro del circuito integrado se debe calcular
como la suma de los productos de corriente de tensión en cada puerto:
PD=2*I5(V6-V14)+I5(V5-V14)
I5=1 mA
V5=I5*6,8KΩ=6,8V
V6=10,45 V
V14=VEE=-12 V
PD=2*1mA(10,45V+12V)+1mA(6,8V+12V)
PD=68,7mWatts
SIMULACIÓN DE LA SUPERPOSICIÓN DE ONDAS
40 Q1 2N3904 Q2 2N3904 Q3 2N3904 Q4 2N3904 Q5 2N3904 Q6 2N3904 Q7 2N3904 Q8 2N3904 R1 1k R2 3.9k R3 3.9k A B C D C1 1nF R1(1) R4 51 R5 500 R6 500 R7 500 D1 1N4001 R8 6.8k R7(2) R9 1k R10 10k R11 10k R12 51 R13 51 57% RV2 50k R14 1k C2 1nF C2(2) R10(1)
Figura 43.Simulación del circuito esquemático del MC1496.
Figura 44.Onda resultante de la superposición.
2.3.4. AMPLIFICACIÓN DE SEÑAL
ANÁLISIS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL NO INVERSOR
Vin=10,45V
+12 A B C D R9 1k 10 9 8 4 1 1 U1:C LM324 R21 10K R22 10K R23 4k7 Q9 TIP122 R24 1K D6 LED-RED R25 1M C1 10U 1 2 3 POT250K TBLOCK-M3 1 2 TRSEC TBLOCK-M2 1 2 TRPRIM TBLOCK-M2 R28 1K
Figura 47.Circuito esquemático del amplificador de señal a la salida del MC1496.
Figura 46.Vista 3D del mezclador de ondas.
42
Vo=Vin* 1+ Rv
R22
Vo=10,45V* 1+10KΩ
10KΩ =20,9V
2.3.2. CORRIENTE DE SALIDA - TRANSITOR BJT
Se necesita alimentar una carga que no supere 1,0 mA, con una tensión de
12VDC, con un determinado transistor de cuyo data sheet (Onsemi, 2N3903,
2N3904, 2000), se obtienen los siguientes datos:
hFe(min) = β =100
Vce(sat) = 0.2 V
Vbe =0.7 V
Ic máx =1 mA
Vin =20,9V
Icmáx≤1,0 mA
Vin
Figura 50.Análisis del transistor BJT NPN.
IB=Icmáx
β =
1,0mA
100 =10µA
IE≤0
Rb=
Vin-VE
IB
=20,9V-0,7V
10µA ≈2,02 MΩ
Rb=2,2 MΩ ;Resistecia normalizada
VERIFICACIÓN DE LA IC:
IB=
20,9V-0,7V
2,2 MΩ =9,18 µA
Icmáx=β*IB=
1,0mA
100 =0,91 mA
Icmáx≤1mA
De acuerdo al resultado se observa que la corriente máxima a la salida del transistor es menor a 1,0 mA corriente necesaria para evitar daños en el paciente. C 0 1 2 1 2 IN TBLOCK-M2 1 2 OUT TBLOCK-M2 Q1 2N3904 R2 2,2M R3 220R D1 LED-BLUE RL1 NTE-R46-12V D2 1N4007
44
2.4. CONTROL DIGITAL
Para realizar el control y adquisición de datos se utiliza el micro controlador PIC 16F877A, siendo una unidad central de procesamiento, utiliza 35 instrucciones simples de operación y puede ser programado en lenguaje ensamblador, C, C++ y en lenguajes de alto nivel de abstracción. Contiene una memoria EEPROM de 256 bytes, así como cuatro puertos de 8 bits de entrada y salida de datos.
El lenguaje de programación utilizado en la elaboración del proyecto es C++ y a continuación se muestra el diagrama de flujo del programa compilado en el PIC 16F877A
En la Figura 52 se muestra el diagrama de flujo para realizar el control de tiempo de la sesión de electroterapia, cuyo inicio es desde la declaración de variables y puertos del PIC16F877A hasta la señal de salida que se utiliza para activar y desactivar el relé que permite el paso de corriente a través de los electrodos.
Del mismo modo en la Figura 53, se observa el diagrama de flujo generado y utilizado en el PIC 16F877A para realizar el funcionamiento del electro estimulador, por medio de una interfaz manual (pulsadores) y de manera gráfica mediante una pantalla GLCD poder apreciar todas las variables como: el tiempo de sesión, voltaje máximo y la forma de onda de la corriente interferencial propia de la superposición de ondas entre una de baja y otra de media frecuencia.
46
CONEXIÓN DEL MICROCONTROLADOR PIC 16F877A EN EL SIMULADOR DE ISIS (PROTEUS):
En la Figura 54 se muestra la conexión entre la salida del amplificador de
señal analógica de la corriente interferencial con la entrada del
microcontrolador PIC 16F877A (A0), para de esta manera ser mostrada en la pantalla GLCD (Figura 55). De la misma manera los puertos de salida del microcontrolador (D0-D7) con cada una de las instrucciones enviadas desde el código de programación. Finalmente el prototipo cuenta con tres controles (pulsadores – C1; C3) que permite al usuario interactuar con el dispositivo, cuyas opciones se indican en la Figura 56 de ENCENDIDO/APAGADO, INCREMENTAR TIEMPO (min), DECREMENTAR TIEMPO (min).
12 CS1 CS2 RS RW E RST D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 C0 C1 C2 C3 1 2 J1 TBLOCK-M2 VI
1 VO 3
G N D 2 U1 7805 RA0/AN0 2 RA1/AN1 3 RA2/AN2/VREF-/CVREF 4 RA4/T0CKI/C1OUT 6 RA5/AN4/SS/C2OUT 7 RE0/AN5/RD 8 RE1/AN6/WR 9 RE2/AN7/CS 10 OSC1/CLKIN 13 OSC2/CLKOUT 14 RC1/T1OSI/CCP2 16 RC2/CCP1 17 RC3/SCK/SCL 18 RD0/PSP0 19 RD1/PSP1 20 RB7/PGD 40 RB6/PGC 39 RB5 38 RB4 37 RB3/PGM 36 RB2 35 RB1 34 RB0/INT 33 RD7/PSP7 30 RD6/PSP6 29 RD5/PSP5 28 RD4/PSP4 27 RD3/PSP3 22 RD2/PSP2 21 RC7/RX/DT 26 RC6/TX/CK 25 RC5/SDO 24 RC4/SDI/SDA 23 RA3/AN3/VREF+ 5 RC0/T1OSO/T1CKI 15 MCLR/Vpp/THV 1 U2 PIC16F877A 1 2 X1 20MHZ C1 22p C2 22p C3 10U C4 10U R1 2K2 1 2 SENAL TBLOCK-M2 R4 10k 3 2 1 8 4 U3:A LM358 R5 10k R6 10k R7 10k 5 0 % RV2 1k 5 0 % RV3 1k 4 5 % RV4 1k RV3(2)
R S R W E D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 C S 1 C S 2 R S T C S 1 C S 2 D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D
0 E RW RS
R S T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 J2 CONN-SIL10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 J3 CONN-SIL10 1 2 3 1K 2K C S 1 1 C S 2 2 G N D 3 V C C 4 V 0 5 R S 6 R /W 7 E 8 D B 0 9 D B 1 1 0 D B 2 1 1 D B 3 1 2 D B 4 1 3 D B 5 1 4 D B 6 1 5 D B 7 1 6 R S T 1 7 -V o u t 1 8 LCD1 AMPIRE128X64 8 6 % RV1 1k
Figura 55.Conexión de la pantalla GLCD al PIC 16F877A.
Figura 57.
C1 C2 C3
R8 2K2 1 2 J4 PULS R9 2K2 1 2 PULS PULS R10 2K2 1 2 J6 PULS
A B C
Figura 56.Pulsadores de accionamiento para el electroestimulador
(A)Encendido / apagado del equipo, (B)Incremento de tiempo en
48 12 RS R W E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CS 1 CS 2 RS T CS 1 CS 2 R S
RWERS
T
C0
D0D1D2D3D4D5D6D7
12
C0C1C2C3
C1 C2 C3 CS 1CS 2 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 E R W RS RS T +12 -12 +1
2 2-1
+1
2 2-1
-12 +12 + 12 1 2 J1 TB LOCK -M 2 VI 1 VO 3 GN D 2 U 17805 RA 0/A N0 2 RA 1/A N1 3 RA 2/A N2 /V RE F -/CV R EF 4 RA 4/T 0CK I/C1 O UT 6 RA 5/A N4 /S S/C2 O UT 7 RE 0/A N5 /RD 8 RE 1/A N6/ W R 9 RE 2/A N7 /CS 10 O SC1 /CL KIN 13 O SC2 /CL KO UT 14 RC1 /T1O SI/CCP 2 16 RC2 /CCP 1 17 RC3 /S CK /S C L 18 RD0 /P SP 0 19 RD1 /P SP 1 20 RB 7/P GD 40 RB 6/P GC 39 RB 5 38 RB 4 37 RB 3/P GM 36 RB 2 35 RB 1 34 RB 0/INT 33 RD7 /P SP 7 30 RD6 /P SP 6 29 RD5 /P SP 5 28 RD4 /P SP 4 27 RD3 /P SP 3 22 RD2 /P SP 2 21 RC7 /RX /DT 26 RC6 /T X/CK 25 RC5 /S DO 24 RC4 /S DI /S DA 23 RA 3/A N3 /V REF+ 5 RC0 /T 1O SO/T 1CK I 15 M CL R/ Vpp/T HV 1 U 2 PIC1 6F 877A 1 2 X 120M HZ C 1 22p C 2 22p C
310U
C
410U R12K2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 J2CO NN-SIL 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 J3CO NN-SIL1 0
123
1K 2K 12
IN TBLOCK
-M
2
12
O
U
T TBLOCK
-M 2 Q 12N3 904 R
22K2
R
3220R
D
1 LE
D-BLU E R L1 NT E-R4 6-1 2V D 21N4 007 1 2 S E N A L TBLO CK -M 2 R 410k 32 1 8 4 U 3 :A LM 358 R 510k R 610k R 710k R
82K2 12
J4 PUL
S
R
92K2 12
P U LS P UL S R
102K2 12
J6 PUL
S
CS 1CS 1 2 2 GN DCVCV0 345
RS 6 R/W 7 E
8
DB 0DB 9 1 10 DB 2DB 11 3DB 12 4 13 DB 5DB 14 6DB 15
7
16
RS Tou-V 17 t 18 L C D 1 A MP IRE 128X 64 86% R V 1 1k 50 % R V 2 1k 50 % R V 3 1k 45 % R V 4 1k ? Q 22N3 904 Q 32N3 904 Q
42N3904
Q 5 2N3 904 Q 62N3 904 Q 7 2 N3 904 Q
8 2N3904
Q 92N3 904 R 11 1k R 123.9k R
133.9k A BC D
+12 R 14 51 R 15500 R 16500 R 17500 D
31N4001
R
18 6.8k -12
R 191k R 2010k R 2110k R 2251 R 2351 R 24 1k 32 1 4 11 U 4 :A LM 324 C 5 1 000nF C 6 1000nF R 2510k D 4 1N4 001 D 5 1N4 001 R 264k7 R 274k7 5 6 7 4 11 U 4 :B LM 324 C 7 10nF C
8 10nF
R 28 10k D 6 1 N4 001 D 7 1 N4 001 R 294k7 R 30 4 k7 10 9 8 4 11 U 4 :C L M324 R 3110K R 3210K R 334k7 Q 10TIP 122 R 34 1K D
8LED-RE
D R 35 1M 1 2 3 F T E TB LOCK -M 3 R 36 1K D
9LED-RE
D 1 2 3 5 0K 1 50K 1 2 3 5 0K 2 50K 1 2 3
J5 TBLOCK
-M 3 1 2 3 J7 TB LOCK -M 3 1 2 3 J8 TBL OCK -M 3 1 2 3 J9 TB LOCK -M 3 1 2 3 5 0 K 3 5 0K C 10 100U C
11 100nF
C
121nF
C
13 10U
123
P O T 2 50K TBL OCK -M 3 12 T R S E C TBLO CK -M 2 12 T R P R IM TBLO CK -M 2 R 37 1K
Figura 58.Circuito esquemático del electroestimulador de corrientes interferenciales.
2.5. SISTEMA DE APLICACIÓN (ELECTRODOS)
La conexión entre el electroestimulador de corrientes interferenciales y el paciente se realiza por medio de cables que se insertan en los conectores de salida del aparato por un extremo, mientras que por el otro suelen estar destinado a un terminal solidario con la parte más conductora del electrodo tal como se muestra en la Figura 59.
Los cables de aplicación según la norma IEC 60601 deben ser uno rojo (+) y el otro negro (-), aunque esto no es necesario en el desarrollo de este prototipo, ya que la corriente que atraviesa los terminales es corriente alterna y por lo tanto no existe polaridad.
La aplicación de electrodos utilizada en el desarrollo del proyecto es denominada aplicación de electrodos fijos, permaneciendo adheridos en la sesión de electroterapia al paciente por medio de un adhesivo el área de contacto con la piel.
Figura 59.Método bipolar para electroterapia con electrodos AXELGAARD 895220.
Electrodo adhesivo
Cable negro (-)
Al finalizar la etapa de diseño y acoplamiento electrónico, continúa el periodo de realizar pruebas con dicho prototipo. Al tratarse de un dispositivo médico se debe realizar pruebas de funcionamiento con respecto a la fluidez de la interfaz, modulación de frecuencia baja y media, superposición de frecuencias, estandarización con normas (IEC 60601), voltaje y corriente de salida.
3.1. PRUEBA DE INTERFAZ:
Esta prueba pretende en dar a conocer las funciones del programa donde los pulsadores y pantalla GLCD no deben presentar ningún tipo de error, el accionar de las principales funciones de un dispositivo médico: ENCENDIDO, APAGADO, INICIO DE SESIÓN, así como el muestreo de las diferentes variables medidas en el proceso de la terapia: TIEMPO, VOLTAJE MÁXIMO, ONDA DE CORRIENTE INTERFERENCIAL.
3.2. MODULACIÓN DE FRECUENCIA BAJA:
Para verificar la frecuencia baja, la medición se la realiza en el pin 1 del amplificador operacional LM324:
Figura 60.Interfaz gráfica del electroestimulador de corrientes interferenciales
(1)Tiempo de la sesión de la electroterapia,(2)Indicador de encendido,(3)Voltaje
máximo a la salida,(4)Onda de corriente interferencial.
1
2
3
51
fo= 185.72Hz
3.3. MODULACIÓN DE FRECUENCIA MEDIA
De la misma manera, para verificar la frecuencia media, la medición se la realiza en el pin 7 del amplificador operacional LM324:
fo= 3,9550272KHz
Figura 61.Gráfica de modulación de frecuencia baja.
3.4. SUPERPOSICIÓN DE FRECUENCIAS:
Al realizar la superposición de las dos frecuencias, en la pantalla de osciloscopio se puede mostrar la forma de onda de una corriente interferencial:
53
3.5. PRUEBA CON BANCO DE RESISTENCIAS
fo:<10Hz
De acuerdo a la Figura 8 referente a las resistencias equivalentes del cuerpo humano, se procede a escoger resistencias eléctricas similares a las presentadas en el gráfico:
Tabla 5.Valores de Corriente y Voltaje con una Resistencia de 15 Ohmios.
Resistencia (Ω) 15 Ω
Frecuencia (Hz) <10 Hz
Corriente (mA) 0,91mA
Voltaje (V) 13,65 mV
Tabla 6.Valores de Corriente y Voltaje con una Resistencia de 80 Ohmios.
Resistencia (Ω) 80 Ω
Frecuencia (Hz) <10 Hz
Corriente (mA) 0,89mA
Voltaje (V) 71,2 mV
Tabla 7.Valores de Corriente y Voltaje con una Resistencia de 125 Ohmios.
Resistencia (Ω) 125 Ω
Frecuencia (Hz) <10 Hz
Corriente (mA) 0.84mA
Voltaje (V) 105 mV
Tabla 8.Valores de Corriente y Voltaje con una Resistencia de 460 Ohmios.
Resistencia (Ω) 460 Ω
Frecuencia (Hz) <10 Hz
Corriente (mA) 0,832mA
Voltaje (V) 382,72 mV
Tabla 9.Valores de Corriente y Voltaje con una Resistencia de 840 Ohmios.
Resistencia (Ω) 840 Ω
Frecuencia (Hz) <10 Hz
Corriente (mA) 0,814mA
55
PRUEBA CON BANCO DE RESISTENCIAS
fo:1,7830KHz
Tabla 10.Valores de Corriente y Voltaje con una frecuencia >1KHz.
Resistencia (Ω) 15 Ω Resistencia (Ω) 80 Ω
Frecuencia (Hz) 1 KHz Frecuencia (Hz) 1 KHz
Corriente (mA) 0,95mA Corriente (mA) 0,91mA
Voltaje (V) 14,25 mV Voltaje (V) 72,8 mV
Resistencia (Ω) 125 Ω Resistencia (Ω) 460 Ω
Frecuencia (Hz) 1 KHz Frecuencia (Hz) 1 KHz
Corriente (mA) 0.89mA Corriente (mA) 0,85mA
Voltaje (V) 111,25 mV Voltaje (V) 391 mV
Resistencia (Ω) 840 Ω
Frecuencia (Hz) 1 KHz
Corriente (mA) 0,80mA
Voltaje (V) 672 mV
PRUEBA CON BANCO DE RESISTENCIAS
fo:5.5483 KHz
Tabla 11.Valores de Corriente y Voltaje con una frecuencia >5KHz
Resistencia (Ω) 15 Ω Resistencia (Ω) 80 Ω
Frecuencia (Hz) 5 KHz Frecuencia (Hz) 5 KHz
Corriente (mA) 0,97mA Corriente (mA) 0,94mA
Voltaje (V) 14,55 mV Voltaje (V) 75,2 mV
Resistencia (Ω) 125 Ω Resistencia (Ω) 460 Ω
Frecuencia (Hz) 5 KHz Frecuencia (Hz) 5 KHz
Corriente (mA) 0.90mA Corriente (mA) 0,85mA
Voltaje (V) 112,5 mV Voltaje (V) 391 mV
Resistencia (Ω) 840 Ω
Frecuencia (Hz) 5 KHz
Corriente (mA) 0,81mA
Voltaje (V) 680,4 mV
57
PRUEBA CON BANCO DE RESISTENCIAS
fo:10.368KHz
Tabla 12.Valores de Corriente y Voltaje con una frecuencia de 10KHz.
Resistencia (Ω) 15 Ω Resistencia (Ω) 80 Ω
Frecuencia (Hz) 10 KHz Frecuencia (Hz) 10 KHz
Corriente (mA) 0,99mA Corriente (mA) 0,95mA
Voltaje (V) 14,85 mV Voltaje (V) 76 mV
Resistencia (Ω) 125 Ω Resistencia (Ω) 460 Ω
Frecuencia (Hz) 10 KHz Frecuencia (Hz) 10 KHz
Corriente (mA) 0.90mA Corriente (mA) 0,88mA
Voltaje (V) 112,5 mV Voltaje (V) 404,88 mV
Resistencia (Ω) 840 Ω
Frecuencia (Hz) 10 KHz
Corriente (mA) 0,87mA
Voltaje (V) 730,8 mV
3.6. RESULTADOS
Figura 70.Corrientes interferenciales entre 1KHz.
Figura 71. Corrientes interferenciales entre 5KHz.
59
3.7. ANÁLISIS
Tabla 13.Valores de corriente promedio en determinada frecuencia
FRECUENCIA (Hz) Corriente promedio (mA)
10 0,857
1000 0,880
5000 0,894
10000 0,918
Al observar las gráficas desde la Figura 69 hasta la Figura 72, se aprecia
que conforme los valores de resistencia eléctrica aumentan, el valor de la corriente que atraviesa por ella disminuye, haciendo que las gráficas muestren una tendencia de decremento en cada uno de los casos sin importar el valor de la frecuencia.
Figura 73.Representación gráfica del umbral de sensación eléctrica en diferentes partes del cuerpo.
(Chavez Herrera, 2008)