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Prototipo de electroestimulador para acupuntura

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Academic year: 2020

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Centro de Estudios de Electrónica y Tecnologías de la Información. TRABAJO DE DIPLOMA Prototipo de electroestimulador para acupuntura Autor: Fredy Cedeño del Sol. Tutor: Dr. C. Sergio de Jesús Rodríguez Arias. Santa Clara 2012 "Año 54 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Centro de Estudios de Electrónica y Tecnologías de la Información. TRABAJO DE DIPLOMA Prototipo de electroestimulador para acupuntura. Autor: Fredy Cedeño del Sol fcedeno@uclv.edu.cu. Tutor: Dr. C. Sergio de Jesús Rodríguez Arias Profesor Titular, CEETI, FIE, sergior@uclv.edu.cu. Santa Clara 2012 "Año 54 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Biomédica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. El genio se hace con un 1% de talento, y un 99% de trabajo. Albert Einstein.

(5) ii. DEDICATORIA. En la vida nos trazamos metas que requieren de esfuerzo y sacrificio en varios años de estudio; con este trabajo he logrado llegar a la meta de una gran carrera que quiero especialmente dedicar: A mis padres: por apoyarme con cada paso que doy y darme los consejos apropiados, ellos son los pilares de mi vida. A mi novia: por estar conmigo cuando más la necesite y por su comprensión.

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Ser agradecido es una de las mayores virtudes que se le ha dado al hombre, pues en todas las circunstancias de la vida necesitamos de esa mano amiga que nos apoye y ayude. Agradecer a: Martica: por sus revisiones magistrales e incondicionales. A mi tutor Dr.C. Sergio de Jesús Rodríguez Arias, porque me ha servido de guía y ejemplo como profesional. A mis compañeros de estudios que han compartido conmigo a lo largo de 5 años en las buenas y malas por comprenderme y brindarme su ayuda. A todos los profesores y trabajadores de la UCLV en especial a los del CEETI por su profesionalidad, respeto y sabiduría, por haberme atendido cuando lo necesité y por haber contribuido a que hoy sea una mejor persona. A todas las personas que han dedicado parte de su tiempo para ofrecer oportunas sugerencias y brindarme su apoyo en la realización de este trabajo. … a todos, muchas gracias..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. 1. Recopilación bibliográfica sobre equipos y sistemas de electroestimulación para acupuntura. 2. Revisión de distintos diseños para analizar su estructura (diagramas en bloques, tipos de electrodos, tipos de ondas para la acupuntura) que permita establecer las invariantes. 3. Análisis de los aspectos a tener en cuenta relacionados con la seguridad del paciente. 4. Diseño de los bloques que conforman el equipo de electroestimulación. 5. Programación del sistema microprocesador PIC ó PSoC. 6. Pruebas mediante herramientas de simulación como Multisim 10.1, Proteus 7.6 y/o mediciones reales. 7. Escritura del informe técnico.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. La acupuntura y electroacupuntura como terapia tienen un marcado auge en nuestro país, cada policlínico o área de salud presta servicios en estas modalidades de terapias. Esto muestra la necesidad del diseño y construcción de electroestimuladores al nivel de los comercializados en el mundo, para nuestro sistema de salud. En este trabajo se realiza un prototipo de electroestimulador, para ello se revisa la bibliografía existente al respecto y en especial la que brinda información sobre electroestimuladores para acupuntura. Las características fundamentales se toman como punto de partida para realizar un prototipo de estimulador capaz de realizar la terapia. En el proyecto se logra la generación de los tres tipos de ondas fundamentales en la electroacupuntura. Además una etapa de potencia con niveles de intensidad requeridos y aislamiento galvánico para la protección eléctrica en el equipo..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO................................................................................................................. i DEDICATORIA ................................................................................................................ ii AGRADECIMIENTOS .....................................................................................................iii TAREA TÉCNICA ........................................................................................................... iv RESUMEN ........................................................................................................................ v INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN. Y LA ACUPUNTURA....................................................................................................... 5 1.1. Introducción ......................................................................................................... 5. 1.2. Estructura anátomo-fisiológica del estimulo ......................................................... 6. 1.2.1. Teorias occidentales del mecanismo de electroetimulacion ............................ 7. 1.3 Electroterapia............................................................................................................ 8 1.3.1 Tipos de electroestimulación .............................................................................. 9 1.3.2 Electrodos ........................................................................................................ 11 1.4 Electroestimuladores............................................................................................... 13 1.4.1 Diagrama de bloques general ........................................................................... 15 1.4.2 Analisis de sistemas embebidos........................................................................ 16 1.5. Aspectos significativos de la electroestimulacion y la acupuntura ....................... 21.

(10) vii CAPÍTULO 2: DISEÑO DE ELECTROESTIMULADOR ............................................... 22 2.1 Selección de los tipos de ondas a emplear en el electroestimulador ......................... 22 2.2. Diseño del electroestimulador ............................................................................ 24. 2.2.1. Diseño de la etapa de control ....................................................................... 25. 2.2.2 Diseño del circuito de salida............................................................................. 26 2.2.3 2.3. Sistema generador de señales ...................................................................... 28. Programación del sistema microcontrolador ....................................................... 30. 2.3.1. PSoC Designer ............................................................................................ 30. 2.3.2. PSoC Programmer ....................................................................................... 33. 2.3.3 Configuracion del generador de señal con sistema PSoC .................................. 34 CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y EVALUACIÓN DEL ELECTROESTIMULADOR PARA ACUPUNTURA ................................................................................................... 36 3.1 Introducción ........................................................................................................... 36 3.2 Formas de ondas adquiridas por el bloque generador con sistema PSoC .................. 36 3.3 Resultados y evaluación de la etapa de potencia ...................................................... 39 3.3.1 Prueba de intensidad con variación de carga ..................................................... 40 3.3.2 Análisis de Monte Carlos ................................................................................. 42 3.3.3 Etapa de potencia ante señal ............................................................................. 43 3.4 Análisis y evaluación del impreso simulado ............................................................ 44 3.5 Análisis de costo del hardware del electroestimulador ............................................. 46 3.6 Conclusiones parciales sobre los resultados ............................................................ 47 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 48 Conclusiones ................................................................................................................ 48 Recomendaciones ......................................................................................................... 49 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 50.

(11) viii ANEXOS ......................................................................................................................... 53 Anexo I Anexo II. Componentes en la etapa de potencia .......................................................... 53 Aislamiento galvánico ............................................................................. 56. Anexo III Programa del sistema microcontrolador PSoC .............................................. 56 Anexo IV Listado de costo de los componentes ............................................................ 63.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. La acupuntura es una técnica milenaria de origen chino. En un principio fue practicada por personal no médico. Actualmente esta terapia y otras afines son realizadas por personal de salud[1]. La acupuntura ha tenido gran relevancia e importancia a pesar de los mitos, convertida hoy en una de las ciencias más antiguas del mundo. Son múltiples los procesos patológicos que son tratados con esta técnica así como numerosos los usos que tiene en la práctica médica diaria[1-2]. Tiene como característica más sobresaliente el potente efecto analgésico que produce, el cual constituye la base de la analgesia quirúrgica acupuntural. Con ella se obtienen buenos resultados en muchas enfermedades, lo que motivó a fines de 1979 que la Organización Mundial de la Salud (OMS), reconociera la técnica acupuntural en el tratamiento de un total de 43 afecciones[3]. La técnica de acupuntura tiene su base en el estímulo de puntos específicos localizados en el cuerpo humano, aunque también se ha probado en animales. Estos puntos al ser estimulados aparecen determinados efectos en el organismo, como los de sedación y analgésico,. psicológico,. homeostático,. inmunodefensivo,. antiinflamatorio. y. de. recuperación motora. Los puntos acupunturales son regiones diferentes al resto, por estar entre el tejido conectivo subcutáneo y el muscular donde están localizadas gran cantidad de fibras nerviosas y esto asegura la conexión con el sistema neuromuscular[3]. Existen diferentes formas de estimulación de los puntos de acupuntura entre estas esta la estimulación eléctrica conocida como electroacupuntura, surgida en la segunda mitad del pasado siglo en China, hoy ampliamente difundida en el mundo[1, 4-5]..

(13) INTRODUCCIÓN. 2. La electroacupuntura aprovecha el fenómeno de la existencia de una menor resistencia eléctrica en la piel debajo de los puntos de acupuntura por lo que conducen mayor electricidad que la piel que los circundan. Además de la conexión con el sistema neuromuscular[6]. La estimulación eléctrica de los puntos de acupuntura tiene algunas ventajas sobre otras formas de estimulación. Posee un instrumental sencillo y fácil de transportar, segura, económica, de fácil aprendizaje y manejado por manos hábiles no ofrece complicaciones. La electroacupuntura presenta ventajas sobre estimulación eléctrica tales como: . Menor traumatismo de los tejidos circundantes en el sitio de inserción de la aguja.. . La estimulación no es dolorosa.. . Es mejor tolerada por los niños.. Significa un ahorro de tiempo pues la estimulación es producida por el equipo y no requiere de la manipulación constante por el médico, tiempo que puede ser empleado en otras labores, en algunos equipo al terminar el tiempo de sesión programado se produce parada automática del mismo[7-8]. Esta forma de estimulación se encuentra contraindicada en: . La epilepsia y otros estados convulsivos, pues la frecuencia del estímulo puede entrar en resonancia con la del foco epiléptico y desencadenar una crisis convulsiva.. . En los trastornos de la conducción eléctrica cardíaca y pacientes con marcapasos. En ambos casos el paciente puede sufrir graves consecuencias si la frecuencia del estímulo entra en resonancia con la del trastorno.. . En niños o pacientes con trastornos mentales, que no cooperen o muy ansiosos.. . En mujeres embarazadas puede producirse aborto, sobre todo si se utiliza sobre el abdomen o en puntos distales de los miembros inferiores.. . En pacientes con prótesis metálicas internas y obturaciones dentales con metales buenos conductores de la electricidad como el oro, porque se produce calentamiento o electrólisis de las mismas..

(14) INTRODUCCIÓN. . 3. Algunos puntos de acupuntura por la proximidad de estructuras vitales[9].. En el centro de asistencia médica Hospital Militar de Santa Clara existe un área de fisioterapia que brinda entre otros servicios el de electroacupuntura. El mismo contaba con un electroestimulador de origen ruso pero luego de 30 años de explotación y la no entrada de piezas de repuesto, terminó su vida útil. Lo anterior provoca que surgiera la necesidad de diseñar un equipo que permita estimular los puntos acupunturales por medio de un flujo de corriente eléctrica o voltaje a diferentes frecuencias durante un tiempo determinado, para el tratamiento de varias enfermedades. Por lo anterior, puede plantearse que la situación problémica es la necesidad de contar en el Hospital Militar de Santa Clara, con un equipo que permita la estimulación de puntos de acupuntura, mediante una corriente eléctrica con formas de onda, amplitudes y frecuencias variables. En correspondencia con la situación problémica el objetivo general es diseñar un prototipo de electroestimulador para acupuntura que permita dar electroterapia que brinde diferentes formas de onda y facilidades de ajuste de la amplitud y frecuencia. Del objetivo general se desprenden los objetivos específicos que son: 1. Analizar críticamente la bibliografía sobre la acupuntura, sus funciones, importancia e influencia anatómica-fisiológica. 2. Analizar de manera crítica los diferentes equipos de electroestimulación; sus funciones, tipos de onda y electrodo así como las estructuras básicas de los electroestimuladores. 3. Diseñar los bloques que forman parte del electroestimulador, empleando sistemas empotrados. 4. Realizar pruebas de validación empleando herramientas de ayuda al diseño como Multisim 10.1, Proteus 7.6 y/o mediciones reales Para cumplir con los objetivos se plantean las siguientes tareas a desarrollar: 1. Recopilación bibliográfica sobre equipos y sistemas de electroestimulación para acupuntura..

(15) INTRODUCCIÓN. 4. 2. Revisión de distintos diseños para analizar su estructura (diagramas en bloques, tipos de electrodos, tipos de ondas para la acupuntura) que permita establecer las invariantes. 3. Análisis de los aspectos a tener en cuenta relacionados con la seguridad del paciente. 4. Diseño de los bloques que conforman el equipo de electroestimulación. 5. Programación del microprocesador PIC ó PSoC. 6. Pruebas mediante herramientas de simulación como Multisim 10.1, Proteus 7.6. y/o mediciones reales.. 7. Escritura del informe técnico. Con este proyecto se pretende contribuir al desarrollo de un electroestimulador para acupuntura que ofrezca una respuesta a la constante demanda de los pacientes en el hospital militar de Santa Clara. El diseño debe estar en función de la disponibilidad de los recursos para lograr la viabilidad que un futuro permita a la industria biomédica nacional la construcción de equipos de electroestimulación para acupuntura. El trabajo está formado por Introducción, tres capítulos, conclusiones y recomendaciones además de bibliografía correspondiente. En el capítulo 1, se trata la importancia de la acupuntura y dentro de esta la modalidad de electroestimulación, se plantean los efectos que logra la corriente con sus distintas formas de ondas. También se muestra un diagrama de bloques que da una idea anticipada de un electroestimulador para acupuntura. En el capítulo 2 se realiza el diseño del prototipo de electroestimularor para acupuntura empleando herramientas para el diseño como Multisim y Proteus. Por último en el capítulo 3 se exponen y discuten los resultados del diseño realizado en los capítulos anteriores..

(16) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 5. ACUPUNTURA. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA ACUPUNTURA. 1.1. Introducción. La acupuntura consiste en insertar agujas en determinadas zonas de la piel las cuales son estimuladas de diversas maneras, con producción de dolor, entumecimiento, distensión, pesadez con el fin de curar enfermedades por lo que las sensaciones se hacen menos importantes[1-2, 9]. El punto acupuntural, tiene características físicas y morfológicas. Considerados puntos de alta conductividad eléctrica, donde se describen de manera constante formaciones anatómicas como un tronco nervioso, un plexo nervioso o un plexo nervioso perivenoso o periterial[10]. El punto mencionado con anterioridad en otras palabras está formado por terminaciones nerviosas libres que serpentean la dermis con proximidad a la epidermis y el origen del reflejo desencadenante puede depender del sistema cerebroespinal y el sistema nervioso autónomo, conducido desde la periferia. Su activación ocurre por diferentes estímulos como: la inserción de la aguja, presión, laser, ultrasonido, químicos, las variaciones de temperatura y electroestimulación, esta última estimulación se lleva a cabo con corriente[10-11]. El uso indiscriminado de medicamentos, con grandes efectos tóxicos, y de otras técnicas más incisivas como bloqueos, infiltraciones y cirugías, que no siempre solucionan el problema y pueden dejar secuelas empeorando el cuadro, ha motivado la apertura de occidente a las terapias orientales, haciendo necesario el estudio de las mismas para su correcta aplicación. Como las teorías filosóficas chinas no son bien comprendidas por.

(17) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 6. ACUPUNTURA. occidente y científicamente no están fundamentadas se han invocado diversas teorías en relación con el Sistema Nervioso Central (SNC); que explican los efectos de la acupuntura sobre el organismo[1, 10, 12]. 1.2. Estructura anátomo-fisiológica del estímulo. En la estructura anátomo-fisiológica del estímulo es importante mencionar la neurona (unidad funcional del SNC). Ella a través de la sinapsis, es la encargada de transmitir el mensaje y lo hace a través de sustancias proteicas llamadas neurotransmisoras y neuropéptidos. Cada neurona transmite 2 tipos de mensajes: eléctrico y químico. El eléctrico viaja por la cubierta mielínica externa y el químico por el interior del axón[12]. Los neurotransmisores constituyen el primer mensajero, en la transmisión, ellos forman una masa crítica suficiente para que el mensaje continúe viajando. Pero si la neurona ha segregado un neuropéptido entonces la transmisión es más lenta, necesitando un mediador llamado segundo mensajero, encargado de multiplicar la cantidad de neuropéptidos hasta formar la masa crítica capaz de continuar la transmisión. El neurotransmisor es una sustancia proteica macromolecular, de pocos aminoácidos[12]. La fibra nerviosa es la encargada de transmitir el mensaje. Existen 3 tipos de fibra que entran en el asta posterior de la médula estas son: . Fibra A. . Fibra A. . Fibra C. Las características esenciales de las fibras A son: gruesas, altamente mielinizadas, rápida velocidad de conducción, transmiten tacto y temperatura. Estimula las fibras de los núcleos de Gold y Burdash. Asciende al bulbo y de ahí al hipotálamo sistema propioceptivo que nos pone en contacto con el exterior. Las fibras A son parcialmente mielinizadas, más finas, con velocidad de conducción media. Transmite la sensación de músculos, vísceras y piel se manifiesta con dolor agudo, preciso y localizado. Sus fibras cruzan delante del epéndimo hacia el cuerno anterior opuesto, ascienden al tálamo, este fascículo se llama neoespinotalámico..

(18) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 7. ACUPUNTURA. Las características de las fibras C son: mielínicas, muy finas, poca velocidad de conducción. Al llegar al asta posterior no tiene receptividad, ni poder de adaptación como las anteriores,. requieren estímulo receptivo. Transmiten dolor crónico, difuso, sordo,. mantenido, profundo, no preciso, estas fibras al llegar al núcleo de Rhesus establecen conexión con el lado opuesto al núcleo lateral y de ahí hacia arriba al tálamo. Este fascículo se denomina paleoespinotalámico[8, 10, 12]. 1.2.1 Teorias occidentales del mecanismo de electroetimulacion Con el transcurrir de los años se ha estudiado por el mundo occidental todo lo referente a la acupuntura y se han elaborado teorías que desde el punto de vista neurofisiológico nos explican los efectos de la acupuntura, fundamentando conjuntamente con las teorías tradicionales, todo lo referente a esta técnica y otras afines. Las teorías son mencionadas a continuación: . Teoría Wall-Melzakc. . Teoría Neuroendocrina. . Teoría Iónica. . Teoría Inmunológica. La Teoría Wall-Melzakc es llamada también: teoría de las puertas de entrada. Plantea que a nivel del SNC existen una o varias puertas de entrada compuestas por diferentes fibras que permanecen abiertas al paso del dolor, que viaja por fibras afines, poco mielinizadas o amielinizadas y velocidad de conducción baja. El estimulo acupuntural viaja por fibras A gruesas, mielinizadas, con alta velocidad de conducción, por lo que el estímulo llega primero al tálamo y cierra la compuerta al paso del dolor logrando la analgesia[13]. Por su parte la teoría neuroendocrina plantea que la mayoría de los puntos de acupuntura, están situados en meridianos cuyos trayectos son cercanos a ramas nerviosas importantes de carácter neurovegetativo, igualmente coinciden con plexos neurovasculares (somáticos y viscerales). Relacionados con ganglios y estructuras cerebrales superiores[10, 14]. El organismo produce morfinomiméticos (encefalinas, endorfinas) capaces de aliviar el dolor. La acupuntura provoca una estimulación y facilita la acción de ambas, la que es reforzada por serotonina y acetilcolina[10, 14-15]..

(19) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 8. ACUPUNTURA. También la Teoría Iónica plantea, que en el tejido dañado hay bloqueo de la membrana celular impidiendo la circulación iónica de Na, K, Ca, Mg. La acupuntura produce neuromodulación, facilitando la circulación iónica. Activa la bomba de sodio - potasio, con cambios en el potencial de membrana facilitando la conducción nerviosa. Por último la Teoría Inmunológica afirma que el estímulo acupuntural actúa sobre el sistema reticuloendotelial provocando: reacción antígeno – anticuerpo, incremento de leucocitos, incremento de gammaglobulinas y otras sustancias que aumentan la resistencia inmune del organismo. Las teorías de la acupuntura enunciadas aquí son las más conocidas. Cada una de ellas por separado no explica todos los efectos sobre el organismo, de conjunto si lo hacen e incluso pueden explicar por si solas algunos de ellos[10, 16]. 1.3 Electroterapia Los tejidos vivos poseen la capacidad de reaccionar frente a cambios en su medio interno o frente a variaciones energéticas del medio externo a causa de un estímulo. Existen diferentes tipos de estímulos: mecánicos, químicos, eléctricos y luminosos. Los estímulos más empleados en experimentación son los eléctricos, pero también son los más adecuados por la naturaleza misma de la excitación, ya que son fáciles de medir, no provocan alteraciones duraderas en las estructuras que atraviesan y requieren poca energía[10, 17]. Los tejidos nervioso y muscular son los aptos para recibir estímulos y reaccionar frente a ellos, por lo que se les califica como excitables o dotados de excitabilidad. A los efectos prácticos la corriente eléctrica se verifica a lo largo de los nervios en sus diferentes tipos (sensibles, motores y vegetativos)[18-19]. La acción de la corriente sobre el organismo puede desencadenar efectos diversos, los que pueden ser peligrosos cuando la corriente sobrepasa los 15 mA. A partir de este valor de corriente los músculos próximos a los puntos de entrada y salida se enervan, por lo que el individuo pierde la posibilidad de contracción voluntaria, imposibilitando al sujeto actuar con el sentido de librarse de su efecto. La electricidad sobre el cuerpo humano depende de la Ley de Ohm representada en la ecuación 1.1..

(20) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 9. ACUPUNTURA 𝑉. 𝐼=𝑅. (1.1). La principal barrera ante el paso de la corriente eléctrica es la piel. La mayor impedancia es a menudo la resistencia de la piel en las superficies de contacto. En la tabla 1.2 se muestran los diferentes valores de impedancia según el estado de la piel[2, 6, 20]. Tabla 1.2: Resistencia de la piel según su estado Estado de la piel. Resistencia de la piel por cm2 de electrodo. Piel seca. 93 k Ω. Gel en la piel. 10.8 k Ω. Piel penetrada. 200 Ω. Se distinguen diferentes modalidades de electroterapia que como su nombre lo indica son terapias con corrientes eléctricas, según el modo de incidir dicha corriente sobre los tejidos pueden ser: . Corrientes unidireccionales.. . Corrientes bidireccionales (alternas, farádicas, neofarádicas).. . Corrientes contínuas.. . Corrientes interrumpidas.. . Frecuencias de impulsos: bajas, medias o altas. Las corrientes eléctricas, inducidas, de alta frecuencia se incluyen y estudian dentro del aparato de la diatermia.. La electroterapia tiene actualmente dos grandes bloques de aplicaciones terapéuticas: la electroterapia analgésica y la electroterapia excitomotora[10, 21-22]. 1.3.1 Tipos de electroestimulación De los tipos de electroestimulación se mencionan y explican algunos, ejemplo, la iontoforesis para el suministro de medicamentos, cualquier corriente unidireccional es apta.

(21) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 10. ACUPUNTURA. para las distintas técnicas de la misma, las que pueden ser dielectrólisis e ionoterapia eléctrica o ionoforesis[6, 21]. La cantidad de medicamento introducido en el organismo es directamente proporcional a la cantidad total de electricidad que apliquemos. Por eso la corriente galvánica convencional es tradicionalmente la más usada. En la práctica se alcanzan los 10 a 20 mA por centímetro cuadrado. Se aplican tandas de 10 a 20 sesiones diarias o alternas, de hasta 30 minutos de duración. La tecnología actual permite aplicaciones iontoforéticas utilizando equipos conectados a la red o que funcionan con baterías de 9V. Otro tipo de estimulación es la galvanización, es clásico el empleo de la corriente continua unidireccional, como agente analgésico por su acción sobre los nervios sensitivos y las masas musculares contracturadas[21, 23]. En dolores recientes o de baja intensidad se aplica la corriente por debajo del umbral de sensibilidad y posteriormente se incrementan las intensidades. Los tiempos de aplicación pueden alcanzar de 20 a 30 minutos. Las corrientes interrumpidas constituyen las más usadas y son denominadas impulsoterapia[21, 23]. También en la electroestimulación tenemos las corrientes de baja frecuencia, estas tienen un amplio grupo de frecuencias, en cualquier caso, inferiores a los 800 Hz. Se utiliza por sus efectos analgésicos y tróficos, y por su carácter excitomotor, estas son: Corriente de Trabert, de tipo 2 a 5 mA, o ultracorrientes excitantes. Son impulsos rectangulares de 2 ms de duración, con 5 ms de intervalo y frecuencias de 145 Hz. Es el antecedente de las corrientes del tipo estimulación nerviosa transcutánea. Tiene efectos analgésicos y relajantes. La corriente de Leduc, son impulsos rectangulares de 1 ms de duración y una frecuencia de 100 Hz[21, 23-24]. Otra de las corrientes de baja frecuencia es Gama TENS (estimulación nerviosa transcutánea), de impulsos rectangulares, bifásicos y simétricos o asimétricos (corriente alterna de baja frecuencia, 1 a 150 Hz), una duración de 0,15 a 1 ms y en ráfagas[24-25]. De lo anterior las frecuencias de impulso utilizadas ocupan la denominada banda analgésica cuya calificación es relativa (ya que todas se encuentran en las bajas frecuencias): muy.

(22) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 11. ACUPUNTURA. bajas, 2 a 5 Hz; bajas, 30 a 50 Hz; medias, 70 a 90 Hz y altas, 100 a 150 Hz. La duración es de varias horas en el domicilio del paciente[17, 24-26]. Las corrientes pulsátiles bifásicas también son de bajas frecuencias, sus características son: frecuencias de 1 a 150 Hz. Duración de los impulsos de 0,01 a 0,1 ms. Pulsátil tren de impulso o ráfagas de 2 Hz[27]. La electroacunpuntura está dentro de este grupo mencionado anteriormente, se caracteriza por ser de elevada intensidad y baja frecuencia. La intensidad se ajusta para producir contracciones musculares visibles, intensas y rítmicas. Éstas y otras formas de elevada amplitud son más resistentes a la acomodación nerviosa. La corriente o estímulo eléctrico, que se da en los puntos de acupuntura y utilizando las agujas de acupuntura se denomina electroacupuntura. Se aprovechan estos puntos por estar en canales nerviosos y ser una vía más rápida para el estímulo neuromuscular; las agujas tienen un papel importante en disminuir la resistencia de la piel. Con este tipo de estimulación se reclutan las fibras C y Aδ mencionadas en epígrafes anteriores, con lo que se estimulan receptores propioceptivos, táctiles y cinestésicos, y se produce un bloqueo periférico de la transmisión del impulso doloroso o una activación de los mecanismos inhibidores centrales. La producción de contracciones rítmicas puede poner en marcha mecanismos de tipo humoral[28]. Con formas de ondas de pulsos bifásicos cuadrado, bifásica sinusoidal, así como variantes de cuadradas positivas que suelen ser las más utilizadas, estas se logran con pulsos de 2 a 5 ms y frecuencias de 10 a 100 Hz. Estas características permiten tratamientos analgésicos y antiinflamatorios[10, 27-29]. 1.3.2 Electrodos El tamaño de los electrodos, a su vez, depende del tamaño de la zona que hay que tratar. A mayor tamaño de electrodos, mayor intensidad, y viceversa. La intensidad de la corriente para electrodos pequeños oscila entre 1 y 5 mA/cm2; para electrodos grandes oscila entre 1 y 15 mA/cm2. Los electrodos de contacto pueden clasificarse en fijos y móviles[10, 29]. Los electrodos deben ser buenos conductores, de forma que presenten muy poca resistencia al paso de la corriente. Las placas metálicas (estaño, plomo, acero, aluminio, cobre y plata),.

(23) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 12. ACUPUNTURA. por ser buenos conductores, tradicionalmente se han empleado como electrodos en electroestimulación terapéutica[10, 29]. Los electrodos de contacto más empleados son los de goma impregnada con partículas de carbono, conocidos comúnmente como electrodos flexibles de goma. Estos electrodos son flexibles y reutilizables, y necesitan de la aplicación de un medio conductivo en la interface electrodo-piel, para reducir la impedancia cutánea e impedir irritaciones o quemaduras en la piel. Este medio suele ser un gel hidrofílico conductor, o también pueden introducirse en almohadillas, que se humedecen en agua antes de la aplicación. Existen electrodos autoadhesivos, de un solo uso, como los electrodos de goma, electrodos de polímeros sintéticos y electrodos de placas de geles conductivos adhesivos; incluso existen electrodos esterilizados. Actualmente se dispone de electrodos autoadhesivos para iontoforesis, que incorporan un pequeño recipiente para depositar la medicación[29]. También se encuentran disponibles electrodos de vacío, fabricados con material flexible, de diversos tamaños, para asegurar un buen contacto con la piel. El vacío se realiza mediante una bomba, que hace que circule el aire a través de una estrecha abertura situada en el electrodo; así se crea un vacío parcial. Existen equipos que permiten aplicar succión, tanto continua como pulsátil[29-30]. Por su parte los llamados electrodos móviles, pueden desplazarse manualmente, de forma que puede posibilitarse la localización y tratamiento de puntos motores, puntos dolorosos, trayectos dolorosos, etc. A continuación se relacionan los diferentes tipos de ellos: . Electrodos puntiagudos o tipo bolígrafo, para localización y tratamiento de puntos motores y dolorosos.. . Electrodos bipolares, constituidos por dos electrodos y un porta electrodos a modo de mango. Suelen emplearse para estimulación de músculos denervados.. . Electrodos de platillo y electrodos de compás, que suelen utilizarse para el tratamiento de dermatomas y trayectos dolorosos, y para la localización y tratamiento de puntos motores o puntos dolorosos[17, 24, 31]..

(24) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 13. ACUPUNTURA. En la electroacupuntura se usan las agujas de acupuntura las cuales atraviesan la piel y se alojan en el punto acupuntural. La colocación de estos electrodos se debe hacer por personal calificado. Los electrodos se conectan a los cables conductores con pinzas de cocodrilo[32]. Para algunas aplicaciones, es interesante disponer de controles remotos, que pueden ser utilizadas por el propio paciente como elementos de seguridad durante la aplicación, y para controlar la propia estimulación. 1.4 Electroestimuladores En las dos últimas décadas la electrónica ha desarrollado aparatos que nos facilitan la investigación en electrología y los beneficios en la terapéutica. Con el término genérico de estimuladores eléctricos o electroestimuladores se designan los generadores utilizados en medicina física y biología para aplicar estímulos eléctricos a los seres vivos. Se trata de generadores destinados a actuar sobre un circuito interno, constituido por los tejidos orgánicos. En la actualidad, existe diversidad de electroestimuladores. Sin embargo, para los diseñadores y fabricantes de estos equipos, aún sigue presentándose como un problema fisiológico y médico importante la fijación precisa de los parámetros de salida de la señal eléctrica: forma de señal, frecuencia, modulación, etc.[19, 21]. Desde una perspectiva electrónica, los electroestimuladores pueden ser de tensión o intensidad. Los más frecuentes son de intensidad, ya que, para un determinado tipo de corriente, los efectos biológicos producidos se encuentran asociados con la cantidad de carga eléctrica suministrada. Por el contrario, en un estimulador de tensión, la carga eléctrica depende de la tensión aplicada y de la impedancia eléctrica del tejido estimulado[19, 21]. Los electroestimuladores empleados en fisioterapia pueden dividirse en estacionarios y portátiles. Dentro de los estacionarios, se dispone de gran variedad de equipos generadores de diferentes tipos de corrientes, que se seleccionan regulando directamente las características de la señal (intensidad, duración, pausa, pendiente, etc.) o ajustando su producción automática por circuitos preseleccionados. El ejemplo más típico de.

(25) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 14. ACUPUNTURA. electroestimuladores portátiles son las unidades portátiles TENS para electroanalgesia y estimulación neuromuscular[28]. En la literatura especializada, los electroestimuladores transcutáneos suelen clasificarse en: . Estimuladores neuromusculares. Producen corrientes pulsadas monopolares y bipolares, o corriente alterna sinusoidal modulada (corriente rusa).. . Estimuladores portátiles (TENS). Son unidades que producen corrientes pulsadas bipolares simétricas o asimétricas compensadas, utilizadas fundamentalmente para electroanalgesia. Actualmente se dispone de equipos portátiles para estimulación neuromuscular.. . Estimuladores interferenciales. Estos aparatos generan corrientes moduladas en amplitud o interferencia.. . Estimuladores. diadinámicos.. Aparatos. productores. de. corrientes. alternas. rectificadas y moduladas (diadinámicas). . Estimuladores galvánicos. Producen corriente continua y constante (galvánica), utilizada para galvanización e iontoforesis.. . Estimuladores de alto voltaje. La mayoría de estimuladores de alto voltaje producen ondas pulsadas monopolares de picos gemelos, de amplitudes que pueden superar los 500 V, duraciones de pulso entre 5 y 20 ms, y frecuencias que oscilan entre 1 y 120 pulsos por segundo. Estos estimuladores vienen utilizándose para electroanalgesia, cicatrización de úlceras y heridas, y reeducación muscular.. . Estimuladores subumbrales o de microcorriente. Son los estimuladores de más reciente aparición. La forma de onda más frecuente es la pulsada monopolar rectangular, que periódicamente invierte su polaridad. La duración de estos pulsos varía entre 1,5 y 500 ms, y la frecuencia oscila entre 0,1 y 1.000 pulso por segundo (pps). Las amplitudes máximas o picos oscilan entre 1 y 600 µA. Este tipo de estimuladores viene utilizándose primordialmente para favorecer los procesos de regeneración y cicatrización de tejidos dérmicos y subdérmicos. También se ha empleado en procesos musculoesqueléticos, audiológicos y álgicos[27-28]..

(26) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 15. ACUPUNTURA. En el mercado se encuentran estimuladores que únicamente permiten utilizar un solo tipo de corriente y otros más completos, más o menos sofisticados, que incorporan diferentes tipos de corrientes y posibilidades de seleccionar diferentes parámetros de estimulación. A la hora de seleccionar un electroestimulador, es preferible utilizar un equipo que permita, selectivamente, regular a voluntad tanto el tipo de corriente como sus características, de forma que sea lo suficientemente polivalente. En este sentido, vienen ganando preferencia los equipos productores de corrientes pulsadas que disponen de los controles necesarios para seleccionar los parámetros específicos para cada aplicación (temporales y modulación). 1.4.1 Diagrama de bloques general Existe gran diversidad de electroestimuladores en el mercado mundial pero en su interior son semejantes, para demostrarlo a continuación se muestra un diagrama general de electroestimulación en la figura 1.1.. Figura 1.1 Diagrama general de electroestimulador Para explicar el diagrama de la figura 1.1 se debe comenzar por el bloque de alimentación. Es el bloque encargado de la generación de las tensiones de alimentación para los dispositivos eléctricos y/o electrónicos del resto de las secciones. Su complejidad depende del diseño electrónico del resto de las partes y de la portabilidad del equipo (alimentación a baterías o alimentación desde la red industrial). Para energizar el circuito se utilizará un adaptador de voltaje con una corriente de salida ajustada en el diseño. Los.

(27) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 16. ACUPUNTURA. microcontroladores se polarizan con un voltaje que el mismo será suministrado por el regulador de voltaje también previamente diseñado[33-34]. En el bloque de control está la sección controladora de los diferentes modos de trabajo del sistema, permitiendo programar los tiempos de estímulo y pausa, la frecuencia de trabajo, el tiempo total de estimulación y la forma de onda[33-34]. Uno de los bloques más importantes es el conformador de señales. Esta sección permite la generación de la señal de estimulación deseada. Diversas formas de ondas son empleadas en la electroestimulación de acuerdo al tipo de tratamiento o terapia, entre las más comunes se encuentran: las ondas rectangulares unipolares y bipolares, las ondas triangulares y sinusoidales, y las ondas espigas, entre otras. En este bloque lo más factible es un circuito empotrado encargado de generar las diferentes señales con los tipos de ondas requeridos[33-35]. Por otra parte y no menos importante está el bloque de salida o potencia que permite el control individual de cada canal, en caso de multicanales. También en este bloque se controla la amplitud de salida. Además este bloque está muy relacionado con el sistema de protecciones[33-34, 36]. En cuestiones de seguridad médica el bloque de protección al paciente es el más importante. Este bloque garantiza una protección ante fallas eléctricas y/o mecánicas (exceso de tensión o corriente en los canales de salida, fallas debido a roturas eléctricas y/o mecánicas), minimizando los efectos de microshock y macroshock eléctrico sobre el paciente o el especialista, durante el tratamiento y/o aplicación terapéutica. 1.4.2 Análisis de sistemas embebidos Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y unidades de E/S (entrada/salida). Son diseñados para reducir el costo económico y el consumo de energía de un sistema en particular. Un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado y una pequeña cantidad de memoria acceso aleatorio (RAM) y memoria de programa (ROM), significando que para hacerlo funcionar, todo lo que se necesita son unos pocos programas de control y un cristal.

(28) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 17. ACUPUNTURA. de sincronización. Los microcontroladores disponen generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida, como convertidores de analógico/digital, temporizadores, UARTs y buses de interfaz serie especializados, como I2C y CAN. Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores especializados. Los modernos microcontroladores frecuentemente incluyen un lenguaje de programación integrado, como el lenguaje C o el ENSAMBLADOR que se utiliza bastante con este propósito. Entre los microcontroladores más comunes en uso nos encontramos con los sistemas PSoC de Cypress Semiconductor Corp y los PIC de Microchip Technology Inc. 1.3.2.1 Sistemas PSoC PSoC es la abreviación de Programable System On Chip (sistemas programables en una pastilla) un sistema microcontrolador desarrollado por Cypress Semiconductor Corp, en 2002, este incorpora todo un sistema configurable dentro del chip, el cual es muy versátil, totalmente dinámico ya que podemos disponer de sus componentes a nuestra voluntad, junto a la capacidad de asignar cualquier función a cualquier terminal del circuito integrado. Cuenta con innumerables dispositivos electrónicos, los cuales se pueden modificar para crear de forma interna, filtros análogos y digitales, amplificadores, comparadores, conversores analógicos/digitales de varios tipos y resolución, moduladores de ancho de pulso (PWM) de 8, 16 y 32 Bits, contadores y temporizadores de 8, 16, 24 y 32 Bits entre muchos otros[37]. El PSoC consta de 2 tipos de bloques, análogos y digitales, programables mediante lenguaje C o Ensamblador, la cantidad puede variar de acuerdo a la familia del microprocesador seleccionado, actualmente existen tres familias, delimitadas por el tipo de procesador embebido en el PSoC[37]. . CY8C2xxxx (PSoC1) CPU M8C. . CY8C3xxxx (PSoC3) CPU 8051. . CY8C5xxxx (PSoC5) CPU ARM Cortex M3.

(29) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 18. ACUPUNTURA. La más común es la CY8C27x43, en la Figura 1.6 se puede observar su diagrama en bloques, la cual cuenta con el microprocesador embebido M8C con arquitectura Harvard, con 12 bloques análogos y 8 digitales de 8 bits, además posee una unidad multiplicador acumulador interno por hardware MAC de 8X8 pudiendo almacenar resultados de 32 bits y respuesta disponible en próximo ciclo de instrucción. Este puede funcionar con un reloj interno con múltiple configuración pudiendo operar con 24 MHz (4 MIPs) a 5V y 12 MHz a 3.3V. Si el usuario lo desea puede operar con un cristal externo. Tiene Memoria Flash de programa hasta 16 KBytes, SRAM hasta 256 Bytes, hasta 2 KBytes de emulación EEPROM en Flash y 4 modos de protección de memoria[37-38]. En cuanto a los terminales de entrada o salida cuenta con 28 terminales cada uno puede proveer 10 mA y recibir 25 mA, con resistores integrados o seleccionables de pull-up y pull-down, cada borde o cambio de estado es seleccionable como fuente de interrupción, salida fuerte con pendiente controlada, 8 entradas analógicas multiplexables, 4 salidas analógicas cada una con excitación de 30 mA, 4 líneas analógicas de entrada directa. También cuenta con una unidad de referencia de voltaje múltiple la cual permite variar el voltaje de referencia para trabajar con sensores y otros dispositivos[37-38]..

(30) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 19. ACUPUNTURA. Figura 1.6 Diagrama de bloques de la familia PSoC CY8C27x43 1.4.2.2 Sistemas PIC Los PIC son una familia de microcontroladores fabricados por Microchip Technology Inc. Y derivados del PIC1650, originalmente desarrollado por la división de microelectrónica de General Instrument. El nombre actual no es un acrónimo. En realidad, el nombre completo es PICmicro, aunque generalmente se utiliza como Peripheral Interface Controller (controlador de interfaz periférico). La arquitectura de los PIC responde al esquema de bloques de la Figura 1.7. Todos están basados en la arquitectura Harvard, con memorias de programa y de datos separadas. Como en la mayoría de los microcontroladores, la memoria de programa es mucho mayor que la de datos. La memoria de programa está organizada en palabras de 12, 14 ó 16 bits mientras que la memoria de datos está compuesta por registros de 8 bits. El acceso a los diversos dispositivos de entrada y salida se realiza a través de algunos registros de la memoria de datos, denominados registros de funciones especiales (SFR: Special Function Registers). Muchos microcontroladores PIC cuentan con una cierta cantidad de memoria EEPROM para el almacenamiento no volátil de datos[39].. Figura 1.7 Diagrama de bloques de los PIC Por otra parte, todos los PIC son sistemas microcontroladores RISC que cuentan con un pequeño número de instrucciones: entre 33 y 77. Todas las instrucciones son del mismo tamaño: una palabra de 12, 14 ó 16 bits. Desde el punto de vista del programador, el.

(31) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 20. ACUPUNTURA. modelo general de los microcontroladores PIC consta de un registro de trabajo (registro W) y los registros de la memoria de datos[39]. Todos los microcontroladores PIC aplican la técnica del segmentado (pipeline) en la ejecución de las instrucciones, en dos etapas, de modo que las instrucciones se ejecutan en un único ciclo de instrucción equivalente a cuatro pulsos del oscilador principal del microcontrolador, excepto las instrucciones de transferencia de control que toman dos ciclos de instrucción. Los microcontroladores PIC cuentan con una amplia gama de dispositivos de entrada y salida (típicamente 0 a 5,5 voltios). Disponen de puertos paralelos de 8 bits, temporizadores, puertos series sincrónicos y asincrónicos, convertidores A/D de aproximaciones sucesivas de 8, 10 ó 12 bits, convertidores D/A, moduladores de ancho de pulso (PWM), etc.[39]. Excepto en los PIC de gama baja, que no disponen de un sistema de instrucciones, los dispositivos de entrada y salida generan solicitudes de interrupción al microcontrolador que se pueden enmascarar individualmente. Todos los microcontroladores PIC cuentan con un temporizador que trabaja como perro guardián y tiene un cierto número de bits para configurar el dispositivo, a los que se accede al programar el microcontrolador. Mediante alguno de los bits de configuración, se puede proteger la memoria de programa frente a copias no autorizadas. Muchos microcontroladores PIC pueden ser programados en el propio circuito de la aplicación (ICSP: In Circuit Serial Programming), utilizando un pequeño número de líneas. Los microcontroladores PIC se pueden clasificar, atendiendo al tamaño de sus instrucciones, en tres grandes grupos o gamas: . Gama baja: instrucciones de 12 bits. . Gama media: instrucciones de 14 bits. . Gama alta: instrucciones de 16 bits. También se agrupan en cinco grandes familias: PIC10, PIC12, PIC16, PIC17 y PIC18. Los PIC10 son, básicamente, microcontroladores de 6 terminales. La familia de los PIC12 agrupa a los microcontroladores disponibles en encapsulado de 8 terminales. Algunas de.

(32) CAPÍTULO 1. FUNDEMENTACIÓN TEÓRICA DE LA ELECTROESTIMULACIÓN Y LA. 21. ACUPUNTURA. estas cinco familias tienen numerosas subfamilias, como sucede con los PIC16. Además, algunas de estas familias incluyen dispositivos de más de una gama, como los PIC16 y PIC12, que tienen dispositivos de gama baja y media. Los PIC17 y PIC18 son de gama alta[39]. 1.5 Aspectos significativos de la electroestimulacion y la acupuntura Se puede afirmar, que la acupuntura como la explican los tradicionales chinos, es cuestionable por su basamento en el balance de energías corpóreas y demás, los cuales son totalmente místicos y sin ningún valor para la ciencia. Pero con las teorías occidentales, se explica su carácter científico y llega a ser aceptada por muchos sistemas de salud como por ejemplo el de Cuba. Numerosos estudios en la actualidad muestran la efectividad de la electroacupuntura por encima de la acupuntura. Esto se debe a los efectos positivos de la corriente eléctrica en el organismo humano. Debido a la cantidad de terapias que son aplicadas en el mundo existen innumerables equipo de electroestimulación. Estos tienen sus diferencias como son las formas de ondas, la frecuencia e intensidad y según sus diseños fijos o portátiles. Sin dudas, para diseñar un electroestimulador y dar solución al problema que se plantea en este proyecto se requiere de un equipo con competitividad en el mercado y con seguridad para el paciente. Para ello se hace necesario enfatizar en sus características tecnológicas..

(33) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 22. CAPÍTULO 2: DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 2.1 Selección de los tipos de ondas a emplear en el electroestimulador En la electroacupuntura se manejan varios tipos de ondas, tres de las fundamentales por su uso son: la onda sinusoidal, la intermitente y la densa dispersa. Cada una de estas ondas presenta características específicas que se comentan a continuación[40]. La onda sinusoidal se utiliza en varias terapias y en electroacupuntura es muy eficaz. La frecuencia de esta onda es variable, está en el rango de 10 a 100 Hz logrando un efecto analgésico. La amplitud de la sinusoidal depende de la. impedancia. del tejido a. estimular[10, 41]. Por la baja impedancia de la piel penetrada por las agujas de la acupuntura, se maneja la intensidad incrementando la misma hasta la percepción por el paciente. La figura 2.1 muestra la onda sinusoidal obtenida con Matlab, una herramienta de programación[10, 41]..

(34) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 23. Figura 2.1: Onda sinusoidal. Otra de las ondas es la intermitente: es unipolar presenta tres pulsos positivos de 2 a 5 ms con descanso entre los pulsos positivos de 2 a 5 ms. Esto ocurre en la primera mitad del periodo, la otra mitad es descanso o sin estimulo. La frecuencia de la onda intermitente es de 10 a 30 Hz. Esta forma de onda tiene un efecto antiinflamatorio y analgésico. En la figura 2.2 se muestra la onda intermitente muestreada[10, 41].. Figura 2.2: Onda intermitente.. En la onda densa dispersa: se alternan pulsos densos con dispersión de los mismos. Se utilizan 2 a 5 ms en los pulsos densos así como en el descanso entre estos. Para completar la otra mitad es con dispersión la cual presenta 30 ms aproximadamente de descanso con dos pulsos de 2 a 5 ms dispersos. La frecuencia de la onda densa dispersa es de 8 a 20 Hz. Esta forma de onda al igual que la intermitente es antiinflamatoria y analgésica pero su forma en particular garantiza que el tejido no se acostumbre al estímulo pues esto es muy común y no satisfactorio debido a que la terapia se anula. La amplitud de esta onda depende de la intensidad e impedancia. Se muestra a continuación la onda densa dispersa en la figura 2.3..

(35) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 24. Figura 2.3: Onda densa dispersa. 2.2 Diseño del electroestimulador Partiendo de la caracterización de las señales vistas en el epígrafe anterior, se presenta el esquema general del electroestimulador a desarrollar, en la figura 2.4.. Figura 2.4 Bloques principales del electroestimulador En el bloque de control se ajusta la frecuencia de estimulación y la intensidad, además se selecciona la forma de onda requerida según el diagnóstico del especialista en la terapia..

(36) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 25. En el bloque conformador de señal está el generador de forma de onda. Este en su salida entrega las distintas formas de ondas analógicas mencionadas en el epígrafe anterior. Por último el bloque de salida tiene dos objetivos fundamentales la etapa de potencia y el aislamiento galvánico. La etapa de potencia tiene como función principal garantizar el nivel de intensidad de la corriente requerida en la modalidad de electroacupuntura. Por su parte el aislamiento galvánico es la seguridad y protección del paciente contra fallas eléctricas del equipo que puedan ocasionar corriente con efectos negativos sobre el organismo. Los tres bloques presentados con anterioridad requieren de una fuente de alimentación para energizarlos. La etapa de generación necesita 5 V y la etapa de potencia 15 V, para dicha alimentación se utilizan las fuentes de los tableros de pruebas. 2.2.1 Diseño de la etapa de control La etapa de control está constituida por el panel frontal del electroestimulador, donde el usuario ajusta los niveles de intensidad y frecuencia, así como la forma de onda de la terapia orientada por el especialista. En la Figura 2.5 se muestran los controles necesarios para el electroestimulador.. Figura 2.5 Panel de control de electroestimulador En el caso del control de la frecuencia se utiliza un potenciómetro, este está conectado al generador de señales en una entrada analógica. Importante mencionar que la frecuencia está en el rango de 0 a 150 Hz..

(37) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 26. Por su parte cada una de las teclas deben cumplir con un diseño mecánico, de tal forma que una vez conectada quede en este estado mientras no se presione la otra, pues son tres teclas que cada una genera una interrupción al procesador para ordenar a este el tipo de onda a generar. El control de la intensidad la realiza un potenciómetro que está en la etapa de salida, este en la terapia de electroacupuntura aumenta la intensidad hasta la percepción del paciente, entonces con frecuencia y tipo de onda predeterminada comienza el tratamiento. 2.2.2 Diseño del circuito de salida La etapa de salida tiene dos funciones fundamentales, amplificar la señal de la etapa generadora y la protección del paciente ante fallas eléctricas que provoquen sobre tensiones o sobre corrientes. La etapa de salida de un electroestimulador de electroacupuntura requiere del manejo de la intensidad por lo que su diseño responde a una fuente de corriente. La intensidad del estímulo depende de la impedancia del paciente por lo que no debe sobrepasar los 15 mA por los efectos negativos de la corriente sobre los organismos vivos.. La impedancia. transcutanea está en el rango de 200 a 800 Ω. En la terapia de electroacupuntura la intensidad es aumentada por el operador, hasta lograr la percepción del paciente y el control de la intensidad esta justo en la etapa de salida. 2.2.2.1 Etapa de potencia En el diseño de la etapa de potencia se emplea el circuito integrado TL084 que tiene cuatro amplificadores operacionales, de este se muestra su hoja de datos en Anexos I. La señal de entrada con 5 V se maneja por dos canales distintos uno para la fase positiva y el otro para la negativa. Cada fase es amplificada con ganancia 1.5. Después se emplea en la etapa un puente H con transistores BD139 y BD140, además con el potenciómetro de 1 kΩ se controla la intensidad. El circuito es una fuente de corriente constante y se muestra en la figura 2.6..

(38) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 27. Q4. R1 X1 IO2 IO3 IO4 vcc IO5 IO6 IO7 IO1. R11 10kΩ. IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 IO1. IO13 IO11 IO9 IO10 IO12 IO8 IO14. IO13 IO11 IO9 IO10 IO12 IO8 IO14. R3 vee. BD139. 510Ω vcc Q3. TL084. R9 10kΩ. 47kΩ. R10. R12 1kΩ 0% Key=A. R6. 2.2kΩ. BD139. 3.3kΩ. Q1 BD140. elect1. R5 800Ω. R8. Q6 BD139. 2.2kΩ. Q2 BD140. elect2. X2 vcc. IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 IO1. IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 IO1. IO13 IO11 IO9 IO10 IO12 IO8 IO14. IO13 IO11 IO9 IO10vee IO12 IO8 IO14. R2 510Ω. TL084. R13 1kΩ 0% Key=A. R7 3.3kΩ Q5 R4 47kΩ BD139. señal. vcc V1 15 V. V2 15 V vee. Figura 2.6 Circuito de la etapa de potencia. 2.2.2.2 Circuito de aislamiento Los equipos médicos requieren del aislamiento como medida de seguridad, ante cualquier falla del equipo, que puedan provocar accidentes en el paciente u operador. Ejemplo de aislamientos son: magnético, capacitivo u óptico, este último está constituido por un emisor, por ejemplo un LED (diodo emisor de luz), y un receptor, por ejemplo un fotodiodo o un fototransistor, este se llama optoacoplador. El conjunto de ambos permite aislar galvánicamente dos partes de un conjunto y debe, al mismo tiempo, transmitir la señal con la menor distorsión posible[42]. El optoacoplador TLP421 tiene características tales como: una razón de transmisión de corriente del 50%, la tensión de aislamiento es de 5000V, la tensión que soporta la unión colector es de 80V, el voltaje de saturación colector-emisor es de 0,4 V y los tiempos de subida y de caída son de 1.2 y 1.3 µs respectivamente. La hoja de datos del dispositivo se muestra en Anexos II.

(39) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 28. El optoacoplador mencionado con anterioridad se localiza en el puente H de la etapa de potencia, sustituyendo los transistores que conforman dicho puente, por esta razón se necesitan 4 optoacopladores TLP421. Lo anterior se muestra en el circuito de la figura 2.7. Q4. R1 47kΩ. BD139 1. U5. 2. 510Ω. 2. vcc. R3. IO13 IO13 IO11 IO11 IO9 IO9vee IO10 IO10 IO12 IO12 IO8 IO8 IO14 IO14. IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 IO1. 1. X1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 IO1. U9. 2.2kΩ. 3.3kΩ. 6. 5. H11A1. 4. R13 1kΩ 0% Key=A. R7. 6. R11. 4. R12 10kΩ R10 10kΩ. 5. TL084. vee. H11A1. R9 R5 500Ω. señal. 6. R4 47kΩ. Q5. H11A1. H11A1. 5. BD139. vcc V1 15 V. vcc. 1. R14 1kΩ 0% Key=A. U11. R8 3.3kΩ 2. 510Ω. U10. 1. TL084. R2. 5. IO13 IO11 vee IO9 IO10 IO12 IO8 IO14. 4. IO13 IO11 IO9 IO10 IO12 IO8 IO14. 2. vcc. IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 IO1. 4. X2 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 IO1. 6. 2.2kΩ. V2 15 V. elect1. elect2. vee. Figura 2.7 Etapa de potencia aislada con optoacopladores TLP421 2.2.3 Sistema generador de señales El diseño del sistema generador de señales partió de considerar desde un principio el empleo de sistemas empotrados, dentro de los cuales los más populares son; los sistemas programables en una pastilla PSoC de la firma Cypress y los PIC de la firma MicroChip. Para elegir una de las familias mencionadas con anterioridad se deben tener en cuenta los requerimientos del generador. El diseño del generador de señal requiere que el sistema microcontrolador cumpla con algunos aspectos como son: el número de entradas y/o salidas analógicas, el número de entradas y/o salidas digitales, resolución del convertidor, la memoria de programa (ROM) y de acceso aleatorio (RAM). En la siguiente tabla 2.1 se muestran los requisitos del generador de señales, para lograr tres formas de ondas específicas y garantizar el ajuste de la frecuencia de las ondas generadas..

(40) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 29. Tabla 2.1 Requerimientos del generador de señal Número de entradas analógicas. 1 entrada analógica para el ajuste de la frecuencia del generador.. Número de salidas analógicas. 1 salida analógica para la señal generada.. Resolución del convertidor digital análogo. 6 bits para entregar en la salida la onda escogida. Resolución del convertidor análogo digital. 8 bits para la señal analógica que se utiliza en el ajuste de las frecuencia. Número de entradas digitales. 3 entradas digitales para la selección de cada una de las ondas a generar. Memoria de programa (ROM). 306 bytes. Memoria de acceso aleatorio (RAM). 6 bytes. Como se puede observar en la Tabla 2.1, los sistemas microcontroladores caracterizados en el capítulo anterior satisfacen los requerimientos del generador de señales. 2.2.3.1. Selección del sistema microcontrolador. En la selección del sistema microcontrolador se tuvo en cuenta las características y disponibilidad de los más populares mencionados con anterioridad, observándose que no existe gran diferencia en las características de ambos y pueden emplearse indistintamente en aplicaciones de similar complejidad. Para este proyecto se escoge el microcontrolador PSoC, específicamente la familia CY8C27443-24PXI por estar disponible en el Centro de Estudios de Electrónica y Tecnologías de la Información (CEETI), centro al que responde este trabajo. También en el.

(41) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 30. centro se cuenta con un Kit de PSoC (juego de PSoC), este es un emulador en el cual se puede grabar el programa y hacer pruebas reales cumpliendo exactamente la misma función del sistema microcontrolador. Además de lo anterior, en Cuba no existen equipos con sistema PSoC y se quiere mostrar las potencialidades de este sistema, para el desarrollo de equipos médicos. Entre otras, son muy versátiles, totalmente dinámicos ya que se puede disponer de sus componentes a voluntad, junto a la capacidad de asignar cualquier función a cualquier terminal del circuito integrado. 2.3. Programación del sistema microcontrolador. El sistema microcontrolador PSoC de la firma Cypress consta de dos grupos de componentes internos los que se pueden usar a voluntad. Estos pueden ser analógicos o digitales. 2.3.1 PSoC Designer PSoC Designer es el programa de desarrollo por medio de aplicación para System-on-Chip (Sistemas en Chip) de Cypress. Este software, compatible con todos los sistemas operativos de Windows, permite la configuración dinámica de los componentes internos del chip y la programación en lenguaje ensamblador o Lenguaje C (para este se necesita un número de licencia que active el compilador integrado en el PSoC Designer); es importante destacar la versatilidad del programa que permite compartir instrucciones en ambos lenguajes. PSoC Designer se divide en tres grandes subsistemas: Editor de dispositivos (Device Editor), Editor de aplicaciones (Application Editor), Depurador (Debugger). Para la utilización de cada uno de ellos se accede al icono representativo en la barra de subsistema de la figura 2.8, donde aparecen además las opciones User Module Selection View (Vista de selección) e Interconnect View (Vista de conexión) propias del subsistema Editor de Dispositivos..

(42) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 31. Figura 2.8 Subsistemas en la barra de herramientas del PSoC Designer 2.3.1.1. Editor de dispositivo. En este subsistema se realiza la configuración del PSoC, seleccionando los periféricos analógicos y digitales que se necesitan para una aplicación particular. Este subsistema está dividido en dos partes, User Module Selection View (Vista de selección) e Interconnect View (Vista de conexión). User Module Selection View (Vista de selección), donde se seleccionan los componentes disponibles en las librerías, con la hoja de datos correspondiente. En esta ventana se muestra el diagrama en bloques del componente seleccionado y los recursos que consume, figura 2.9.. Figura 2.9 Vista de selección del editor de dispositivos.

(43) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 32. Interconnect View (Vista de conexión) brinda las herramientas necesarias para la conexión de los diferentes bloques que configuran las matrices analógicas y digitales. La parte izquierda superior de esta ventana posee un marco para la administración de los recursos globales, debajo del cual se encuentran los parámetros de configuración del componente seleccionado y los terminales a utilizar. En la parte derecha se observa el tipo de encapsulado del chip con los terminales establecidos utilizados, figura 2.10.. Figura 2.10 Vista de conexión del editor de dispositivos. 2.3.1.2. Editor de aplicaciones. En este subsistema se incluye el código principal del programa que debe ejecutar el microcontrolador (código de aplicación), figura 2.11. En esta ventana a la izquierda se encuentran los archivos configurables y a la derecha el editor correspondiente a cada archivo. El fichero main.asm/main.c es el fichero donde se encuentra el programa principal,.

(44) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 33. si es main.asm indica que la programación está en lenguaje ensamblador; en el otro caso está en lenguaje C.. Figura 2.11 Editor de aplicaciones. 2.3.1.3. Depurador. El Debugger (Depurador) es el encargado de facilitar la emulación en el circuito para poder probar el proyecto en el ambiente de hardware (Esta opción no es accesible sino no hay conexión con hardware). Para ello se debe configurar los Global Resources (Recursos Globales), los parámetros de los módulos a utilizar y también se haya incluido el código principal del programa. Además se puede obtener información de los errores y de warnings (alertas); diagnóstico de la RAM, la flash, entre otros. 2.3.2 PSoC Programmer El PSoC Programmer es el software de Cypress utilizado para programar los chips PSoC descargando el archivo .hex del proyecto hacia el dispositivo. Esta aplicación es compatible con PSoC Designer. Puede ser ejecutado desde la dirección de la instalación o dentro del propio PSoC Designer cargando el archivo .hex del proyecto y ejecutando la opción Program..

(45) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 34. 2.3.3 Configuracion del generador de señal con sistema PSoC La configuración interna de los bloques seleccionados para el generador de señal con sistema PSoC se muestra en la figura 2.12; en dicha figura tomada del PSoC Designer se aprecian los bloques digitales y analógicos.. Los bloques son: contador, convertidor. analógico digital, convertidor digital analógico y un amplificador de ganancia programable.. Figura 2.12 Selección de bloques e interconexiones En los parámetros globales se determinan las frecuencias de trabajo del sistema partiendo del reloj de la unidad central del procesador. El valor de reloj del procesador es 24 MHz, mientras el contador emplea la frecuencia de reloj configurada para que trabaje 250 KHz. Por su parte la frecuencia de muestreo del A/D8 que se calcula fs= fCLK/2n=250 KHz/256=0,976 KHz, n es la resolución del A/D8 que en este caso es 8 bits y fCLK es la frecuencia determinada para el contador..

(46) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL ELECTROESTIMULADOR. 35. La frecuencia es variable y se ajusta con un potenciómetro de 10 kΩ en el terminal P0, (1). Para la selección de las formas de ondas se determinan en las entradas digitales P1, (1); P1, (2) y P1, (3). El tipo de onda a la salida depende de interrupciones por parte de las teclas del bloque de control conectadas a las entradas digitales mencionadas con anterioridad. Las interrupciones específicas del programa se muestran en Anexos III. En la figura 2.13 se muestra la configuración del sistema generador con PSoC.. Figura 2.13 Terminales y configuración interna del generador de señal Las líneas de códigos del programa de inicialización de cada uno de los bloques del sistema generador y selección con interrupción de las forma de ondas, se muestra en Anexos III..

Figure

Tabla 1.2: Resistencia de la piel según su estado
Figura 1.1 Diagrama general de electroestimulador
Figura 1.6 Diagrama de bloques de la familia PSoC CY8C27x43  1.4.2.2 Sistemas PIC
Figura 2.1: Onda sinusoidal.
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Referencias

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