Diseño de prototipo de equipo de electroestimulación neuromuscular de voz

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(1)Ministerio de Educación Superior Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Centro de Estudios de Electrónica y Tecnologías de la Información. Trabajo de Diploma Diseño de prototipo de equipo de electroestimulación neuromuscular de voz. Autor: Hector E Paez Rodríguez Tutor: MSc. Roberto Díaz Amador.. Santa Clara 2012.

(2) ii. Pensamiento: "Las personas no son recordadas por el número de veces que fracasan, sino por el número de veces que tienen éxito.". Thomas A. Edison.

(3) iii. Dedicatoria:. A mis padres por ser las personas más importantes en mi vida. A mis tías y abuelas por ser incondicionales en todos los sentidos. A mi abuelo que aunque no este ya físicamente entre nosotros siempre a sido una fuente de inspiración para mi. A Humberto Miguel y a Yohanis Milagros por ayudarme tanto en la realización de la misma. A mi tutor por estar siempre con la mayor disposición de ayudarme. A mis amigos en forma general..

(4) i. TAREA TÉCNICA. 1. Determinación de las características de los sistemas de electroestimulación para el tratamiento de patologías de la voz. 2. Determinación los bloques funcionales que deben integrar un prototipo estimulador. 3. Diseño del prototipo Electroestimulador siguiendo la lógica de los bloques funcionales. 4. Montaje y puesta a punto del prototipo. 5. Desarrollo de pruebas al prototipo electroestimulador para el tratamiento de patologías de la voz.. _____________________ Estudiante. ____________________ Tutor.

(5) ii. Abstract. The pathologies of the voice are frequent in groups of risk like professors and singers. Also, many times are effects of other more complex pathologies. In this sense, one has worked in the last years in achieving foniatric treatments that help to patient with pathological voices to improve their vocal quality and in general their quality of life. The traditional treatments have headed mainly to vocal exercises, however in the last years he/she has incorporated the treatment with electrical stimulation, mainly like a form of increasing the effects of the vocal exercises. In the case of the traditional treatments it is usual the use of technologies of advanced, mainly of type software that allows the realization and control of the exercises. In the field of the electrical stimulation the most outstanding result is the team VOCASTIM, of German production. In Cuba one of this equipment has only settled in the clinic of “La Pradera”, like part of a project of collaboration with Germany, however has not been possible to generalize their use in the rest of the country. In this work it presents a prototype that fulfills these characteristics, taking advantage of the technical documentation of the VOCASTIM and other equipment..

(6) iii. Resumen. Las patologías de la voz son frecuentes en grupos de riesgo como profesores y cantantes. Además, muchas veces son efectos de otras patologías más complejas. En este sentido, se ha trabajado en los últimos años en lograr tratamientos foniátricos que ayuden a pacientes con voces patológicas a mejorar su calidad vocal y en general su calidad de vida. Los tratamientos tradicionales se han encaminado sobre todo a ejercicios vocales, sin embargo en los últimos años se ha incorporado el tratamiento con electroestimulación, sobre todo como una forma de aumentar los efectos de los ejercicios vocales. En el caso de los tratamientos tradicionales es usual el uso de tecnologías de avanzada, sobre todo de tipo software, que permite la realización y control de los ejercicios. En el campo de la electroestimulación el resultado más relevante es el equipo VOCASTIM, de fabricación alemana. En Cuba solamente se ha instalado uno de estos equipos en la clínica de La Pradera, como parte de un proyecto de colaboración con Alemania, sin embargo no se ha podido generalizar su uso en el resto del país. En este trabajo presenta un prototipo de equipo que cumple con estas características, aprovechando la documentación técnica del VOCASTIM y otros equipos..

(7) iv. TABLA DE CONTENIDOS. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. 1.1.. Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. .................. 4. La voz y sus patologías ............................................................................................ 4. 1.1.1. El analizador auditivo-verbal y el analizador motor-verbal. ............................ 4. 1.1.1.1. Analizador auditivo-verbal. ....................................................................... 4. 1.1.1.2. Analizador motor-verbal ........................................................................... 5. 1.1.2. Patologías de la voz .......................................................................................... 8. 1.2.. Tratamientos tradicionales para las patologías de voz. ............................................ 9. 1.3.. Tratamiento de patologías de la voz con electroestimulación ............................... 12. 1.4.. Características de las corrientes de estimulación utilizadas para la electroterapia. para el tratamiento de patologías vocales ......................................................................... 13 1.4.1. Dosificación de la intensidad de corriente para electroterapia para el. tratamiento de patologias vocales. ................................................................................ 15 1.5.. La experiencia en Cuba con la electroestimulación vocal ..................................... 18. Conclusiones del Capítulo ................................................................................................ 20 Capítulo 2. Materiales y Métodos ......................................................................................... 22 2.1 Diseño del electroestimulador. Esquema general del prototipo. ................................ 22 2.2 Características de la formas de ondas generadas. ....................................................... 23 2.2.1 Corriente de ultra estimulación (UR)................................................................... 24 2.2.2 (IG30) Galvanización mediante impulsos 30 (conforme a JANTSCH) .............. 25.

(8) v 2.2.3 (IG50) Galvanización mediante impulsos 50 (conforme a JANTSCH) .............. 25 2.2.4 (FaS) Corriente de elevación farádica ................................................................. 26 2.2.5 Corriente exponencial (T/R) ................................................................................ 27 2.3. PSoC....................................................................................................................... 29. 2.4 Multisim ...................................................................................................................... 30 2.5 Proteus. ....................................................................................................................... 30 2.5.1 ISIS ...................................................................................................................... 31 2.5.2 ARES .................................................................................................................. 31 2.6 Generación de las formas de ondas en PSoC. ............................................................. 32 2.7 Diseño del Amplificador de Potencia. ........................................................................ 35 2.7.1 Diseño de las fuentes para alimentar el prototipo de electroestimulador de voz. 36 2.7.2 Propuestas de las protecciones eléctricas para prototipo de equipo de electroestimulador de voz. ............................................................................................ 37 CAPITULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ................................................................ 40 3.1. Etapa de generación de las formas de ondas. ......................................................... 40. 3.2. Etapa de potencia. .................................................................................................. 41. 3.2.1 Razón de rechazo al modo común (CMRR). ....................................................... 42 3.2.2 Relación señal-ruido (SNR). ................................................................................ 43 3.2.4 Análisis de Monte-Carlo. ..................................................................................... 44 3.2.5 Análisis de la estabilidad de la corriente en la carga simulado y real. ................ 45 3.4 Circuito Impreso. ........................................................................................................ 47 Conclusiones ......................................................................................................................... 49 Recomendaciones ................................................................................................................. 50 Referencias Bibliográficas .................................................................................................... 51.

(9) 1. INTRODUCCIÓN. Las patologías de la voz son frecuentes en grupos de riesgo como profesores y cantantes. Además, muchas veces son efectos de otras patologías más complejas. La mayor parte de los trastornos de la voz es el resultado del abuso y del mal empleo de los mecanismos vocales. Como parte de esta patología se encuentran los trastornos del habla de naturaleza motriz, secundarios a lesiones nerviosas hacen referencia a la expresión acústica de la misma. Para que las secuencias del habla se realicen correctamente es precisa la acción coordinada de todo un conjunto de estructuras que gobiernen la respiración, la fonación y la articulación. Así, pues, una articulación clara y correcta requiere una serie de condiciones, núcleos cerebrales, cerebelosos, bulbares y medulares, de células nerviosas, vías motoras piramidales y extrapiramidales, y vías sensoriales, fibras de comunicación entre los núcleos, nervios periféricos motores conectados con los núcleos encefálicos, músculos correspondientes inervados correctamente. A pesar de que etimológicamente disartria significa dificultad o trastorno de la articulación de la palabra, el término se emplea solo para designar los trastornos de la articulación de los fonemas que son consecuencia de lesiones de las zonas del sistema nervioso central que gobiernan los músculos de los órganos fonatorios. En este sentido, se ha trabajado en los últimos años en lograr tratamientos foniátricos que ayuden a pacientes con voces patológicas a mejorar su calidad vocal y en general su calidad de vida. Los tratamientos tradicionales se han encaminado sobre todo a ejercicios vocales, sin embargo en los últimos años se ha incorporado el tratamiento con electroestimulación, sobre todo como una forma de aumentar los efectos de los ejercicios vocales. En el caso de los tratamientos tradicionales es usual el uso de tecnologías de avanzada, sobre todo de tipo software, que permite.

(10) 2. la realización y control de los ejercicios. En el campo de la electroestimulación el resultado más relevante es el equipo VOCASTIM, de fabricación alemana. En Cuba solamente se ha instalado uno de estos equipos en la clínica La Pradera, como parte de un proyecto de colaboración con Alemania; sin embargo no se ha podido generalizar su uso en el resto del país. Este trabajo se realiza con el propósito de implementar un equipo que cumpla con estas características, aprovechando la documentación técnica del VOCASTIM y otros equipos.. Objetivo general: Diseño e Implementación de un Equipo de Electroestimulación Neuromuscular para el tratamiento de patologías de la voz.. Objetivos específicos: 1. Determinar cuáles deben ser las características de los sistemas de electroestimulación para el tratamiento de patologías de la voz. 2. Determinar los bloques funcionales que deben integrar el prototipo. 3. Diseñar del prototipo Electroestimulador siguiendo la lógica de los bloques funcionales. 4. Montar y poner a punto el prototipo deseñado. 5. Desarrollar pruebas al prototipo electroestimulador para el tratamiento de patologías de la voz. 6. Proponer las diferentes protecciones que debe tener el prototipo para cumplir con las normas de seguridad vigentes. Estructura del Trabajo: El informe está estructurado en introducción, capitulario, conclusiones, referencias bibliográficas y anexos. En el capítulo I se presentan las características de las patologías del habla y, las formas de electroterapia que han sido aplicadas hasta el momento. Por otra parte, en el capítulo II se describe el prototipo propuesto a partir de un diagrama en bloques, además se realiza una explicación del diseño de cada uno de los bloques funcionales. En el capítulo III se hace una validación de las alternativas propuestas para cada bloque funcional mediante la realización de.

(11) 3. simulaciones y mediciones prácticas sobre el montaje final, así como la descripción de una propuesta de circuito impreso. Finalmente se exponen las conclusiones y se da a conocer cuáles son las principales líneas de trabajo futuro; además se presentan los anexos y la bibliografía consultada..

(12) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. CAPÍTULO 1. Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación.. 1.1. La voz y sus patologías El lenguaje, además de ser un fenómeno de carácter social, tiene una base estructural, basada en una serie de órganos cuya unidad funcional materializada en un complejo y armónico sistema, hace posible la producción del habla. [6] 1.1.1 El analizador auditivo-verbal y el analizador motor-verbal. El lenguaje se realiza sobre la base de un sistema de reflejos condicionados en cuya formación participan fundamentalmente los llamados Analizadores, estos Analizadores están divididos en tres secciones, la periférica, la central y las vías conductoras. La sección periférica es la encargada de captar los estímulos o señales, y convertirlos en impulsos nerviosos. La sección central o núcleo del analizador, se encarga de descifrar la señal captada en la periferia y de elaborar la respuesta adecuada a través de un proceso de análisis y síntesis. Las vías conductoras, por su parte, son las encargadas de llevar los impulsos nerviosos de la periferia al núcleo del analizador (vías aferentes o ascendentes), y de este a los órganos de la periferia encargados de dar respuesta al estímulo recibido (vías aferentes o ascendentes) 1.1.1.1 Analizador auditivo-verbal. En el proceso del habla se distinguen dos aspectos fundamentales: la percepción y la emisión. La percepción y comprensión del lenguaje está a cargo del analizador auditivo-verbal, que comienza a desempeñar un importante papel en el desarrollo del lenguaje desde las etapas más tempranas de la vida..

(13) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. En el hombre, la sección periférica de este analizador se localiza en las zonas del oído externo, medio e interno, de esa zona, la información es conducida, por fibras nerviosas, hasta el lóbulo temporal de la corteza, donde se encuentra el núcleo del analizador, llamado también Zona de Wernicke. [4] 1.1.1.2 Analizador motor-verbal La emisión del habla se desarrolla en el analizador motor-verbal, el cual esta compuesto de un conjunto de órganos que hacen posible la generación del habla. [4]. Cuando se analiza la función de estos órganos se debe tener en cuenta que no actúan de forma independiente y que su funcionamiento no posee un carácter individualizado. [10] Los órganos generadores del habla constituyen un sistema complejo y armónico que funciona de forma coordinada y en estrecha y constante relación. Tal unidad es la razón por la que si se produce una afectación en uno de estos órganos, esta influirá en el funcionamiento del resto. [6] Esta peculiaridad se conoce con el nombre de unida funcional de los órganos del habla, y tiene una gran utilidad terapéutica, pues permite que el tratamiento sobre uno de los órganos influya positivamente en el funcionamiento de las demás partes del sistema. [6] A pesar de que en el proceso de generación del lenguaje participan una serie de zonas o regiones del sistema nervioso central (tálamo, hipotálamo, cerebelo, médula espinal, etc.), no es menos cierto que la máxima responsabilidad en la generación del habla le corresponde a la corteza cerebral y, sobre todo, a la zona postcentral y, a la llamada Zona de Broca, que es donde se forma la imagen motriz del habla, en la misma,. los órganos de la periferia realizan los. movimientos necesarios para expresar lo que se quiere en un momento dado.[1] Por su parte, el sector periférico del analizador motor-verbal está formado por tres sistemas funcionales: sistema respiratorio, sistema de fonación de la voz y, sistema articulatorio que se muestra en la Figura 1.1..

(14) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. Figura 1.1 El aparato fonador humano. (Tomado de: http://ispl.korea.ac.kr/~wikim/research/speech.html). El sistema respiratorio está formado por los pulmones, los bronquios, la tráquea, el diafragma y los músculos intercostales, y es el encargado de aportar la energía necesaria para la producción del sonido. El habla se produce en la fase de aspiración o salida del aire, que en este caso se hace más prolongada. [13] El sistema de fonación de la voz está constituido por la laringe, cuyo centro se localiza en las cuerda vocales, y las cavidades de resonancia que muchos clasifican como un sistema independiente y se dividen en dos partes: una que se localiza por debajo de la glotis (espacio entre las cuerdas vocales) y, que está formada por los pulmones, la tráquea y la parte inferior de la laringe, las fosas nasales y los huesos huecos del cráneo. [4]. De la estructura de la cavidad de resonancia dependerá el timbre de la voz. Por su parte, las cuerdas vocales son dos músculos gemelos elásticos, sujetos a dos cartílagos de la laringe cada uno, que se tensan o relajan, se acercan o se separan al paso del aire entre ellas, y que gracias a sus movimientos uniformes y regulares, provocan o transfieren sus vibraciones a la columna de aire que sale al exterior, produciendo la voz..

(15) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. El sistema articulatorio está formado por un grupo de órganos activos y otros pasivos que funcionan en coordinación, modificando el sonido y convirtiéndolo en sonido articulatorio. Estos órganos son los labios, lengua, el velo del paladar y el maxilar inferior (órganos activos), además de los dientes, la protuberancia alveolar, el paladar óseo y el maxilar superior (órganos pasivos). De todo este conjunto se destaca, como parte esencial del sistema, la lengua, que se el órgano fundamental en el proceso de articulación de los sonidos. Sin embargo, no podemos olvidar que la afección en la estructura o el funcionamiento de cualquier órgano de este sistema, puede provocar dificultades en la correcta articulación de los sonidos. Todo este proceso de producción del habla suele simplificarse en el modelo fuente-filtro (Figura 1.2), donde se considera que la fuente es un estímulo que es modificado por un filtro para formar los sonidos. El estímulo suele simplificarse como un tren de pulsos periódicos para los sonidos sonoros o vocálicos [4], o como un ruido turbulento para los sonidos sordos [6]. El filtro se simplifica como un conducto de tubos de diámetro variable que depende de lo que se está diciendo [10], y que en realidad simula las diferentes posiciones que adopta el trato vocal durante el proceso de producción de la voz. El fenómeno físico de producción de la voz establece determinadas condiciones a la señal resultante como puede ser la de limitar su estacionalidad a fragmentos de aproximadamente 20 ms.. Figura 1.2 Modelo Fuente-Filtro de producción de la voz..

(16) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. 1.1.2 Patologías de la voz Las alteraciones de la función vocal, tanto en los niños como en los adultos, pueden ser muy variadas y se producen como resultado de la influencia de múltiples causas. Entre estas se pueden citar las enfermedades de la laringe, faringe, pulmones, bronquios, tráqueas; trastornos auditivos; alteraciones del sistema cardiovascular; alteraciones orgánicas y funcionales del sistema nervioso, diferentes trastornos neuróticos; también las enfermedades del organismo en general. Las afecciones orgánicas de la voz pueden clasificarse en centrales y periférica. Dentro de las afecciones orgánicas centrales se encuentran las disfonías y afonías como síntomas de cuadros disártricos anártrico. Es necesario destacar que la afección nerviosa no sólo afecta la respiración; sino también la voz y, la articulación comúnmente. En disártricos, la voz cambia por la deficiente abducción de las cuerdas vocales; se torna débil, ronca, a veces ni se percibe, conjuntamente, puede presentar síntomas opuestos. Como afecciones orgánicas periféricas sobresalen aquellas disfonías y afonías que aparecen producto de diferentes procesos patológicos de la laringe como: laringitis, estenosis, o estrechez en la laringe, traumas, parálisis de los pliegues vocálicos, pólipos, nódulos, entre otros. Entre los problemas que se encuentran a la hora de asignar los síntomas vocales a una paresia se encuentran los diferentes grados de gravedad lesional, la característica de distribución, así como, la desigual capacidad de los pacientes para regular, mediante el sistema nervioso central, la función afectada. Esta dificultad en la regulación puede atribuirse a diferentes causas, el resultado final es que crea dificultades para establecer el tratamiento. Entre los síntomas relacionados con la paresia laríngea de acuerdo al nervio afectado se encuentra: 1. Nervio laríngeo recurrente: el paciente no es capaz de articular la voz en profundidad en todo su registro. 2. Nervio laríngeo superior: el paciente no es capaz de producir los tonos más altos en todo su registro; tampoco el registro marginal. 3. Nervio hipogloso: la voz se cansa muy rápidamente..

(17) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. 4. Combinaciones: si están lesionados el nervio recurrente y el nervio laríngeo superior, existe una tendencia a la diplofonía. Si la lesión está localizada sobre todo en el nervio recurrente, predomina el registro marginal; si la lesión está localizada sobre todo en el nervio laríngeo superior, predomina el registro profundo completo. Las cualidades vocales patológicas son en muchos casos reversibles [4] mientras que en casos críticos pueden compensarse con la aplicación adecuada del tratamiento correspondiente. Esto significa que al actuar sobre los órganos vocales afectados o sobre la función deficiente, según sea el caso, es posible desarrollar la sonoridad, la resistencia a la carga vocal y la modulación, entre otros aspectos. 1.2. Tratamientos tradicionales para las patologías de voz. Los tratamientos tradicionales para atenuar los síntomas o curar las patologías de la voz tienen en cuenta que el mecanismo fonador incluye diferentes factores que son respiración, emisión vocal, resonancia y articulación. Es por ello que el tratamiento debe estar encaminado a normalizar la función integral de estos factores [6].Esto se ha logrado mediante el desarrollo de diferentes ejercicios, bajo la orientación de un logopeda o foniatra. Entre los diferentes ejercicios que se han trabajado de manera más generalizada se encuentran los ejercicios respiratorios que tienen como fin aumentar la amplitud de la inspiración y la amplitud de la espiración, y al mismo tiempo debe lograrse mediante ellos, que la respiración sea un movimiento inconsciente durante el lenguaje oral. [4] Los trabajos con este ejercicio se encaminan fundamentalmente hacia la respiración mixta, donde se combina el diafragma con el pectoral. El control de la respiración se realiza mediante el sentido del tacto, colocando la mano sobre el abdomen durante la respiración para percibir de esta forma el volumen de aire que penetra en estas cavidades. [10] Durante estos ejercicios el paciente tiene que desarrollar una inspiración silenciosa, pausada, rápida y fundamentalmente a través de la nariz, mientras la lengua se encuentra en posición de reposo, y sin que intervenga ningún otro músculo, se realiza un movimiento de flanco; sin olvidar que la cantidad de aire no debe ser lenta. Antes de cada inspiración la pausa espiratoria debe durar de tres a cinco segundos..

(18) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. Un segundo ejercicio es la espiración con la boca entreabierta, lengua en reposo y músculos bucofaríngeos relajados. En este ejercicio el paciente debe lograr una espiración lenta, de diferente duración, sin ruido, sin temblor, hasta que se logre una presión constante en la emisión del aire espirado. Puede apoyarse el ejercicio emitiendo una vocal áfona1 durante la espiración, lo cual hace más fácil el control. [11] Luego se incluyen los ejercicios sonoros que se describen en la Tabla 1. 11. Tabla 1. 1 Resumen de ejercicios respiratorios sonoros.. Número de. Descripción del ejercicio. ejercicio 1. Inspiración rápida-espiración entrecortada. 2. Inspiración lenta-espiración interrumpida cuatro o cinco veces. 3. Inspiración lenta-espiración áfona rápida con la boca entreabierta. 4. Inspiración rápida-espiración áfona lenta que pasa paulatinamente a una vocal sonora larga (A, E, I, O, U).. 5. Inspiración lenta-espiración áfona de intensidad creciente e interrumpida tres o cuatro veces.. 1. 6. Inspiración lenta-espiración áfona abdominal.. 7. Inspiración rápida, fuerte.. 8. Inspiración lenta-espiración lentísima.. Vocal áfona se denomina aquella que no se pronuncia con la cuerdas vocales.

(19) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. Los ejercicios respiratorios se realizan fundamentalmente de pie, pero pueden ser en ocasiones, en posición de cúbito dorsal colocando objetos sobre el abdomen lo cual refuerza la contracción y facilita el cierre glótico. Puede agregarse el movimiento de los brazos, lo cual amplía el movimiento inspiratorio y espiratorio. La inspiración no debe ser exagerada porque podría producir mareos, cefalea y otros. Para la emisión vocal y la resonancia también se recomienda una serie de ejercicios que se enumeran en la Tabla 1. : Tabla 1. 2 Ejercicios de Emisión Vocal y Resonancia.. No 1. Descripción del ejercicio Espiración emitiendo una vocal áfona, pasar a una sonora. Esto da lugar a que se produzca un ataque suave del sonido y se unan las cuerdas vocales lenta y progresivamente. Se recomienda para este ejercicio las vocales o, u. Posteriormente, se va pasando al resto de las vocales en la misma espiración. Estos ejercicios se realizan en forma suave en los trastornos hiperkinéticos y en formas bruscas en los hipokinéticos. Si nuestro objetivo es lograr la posición baja de la laringe (en caso de trastornos mutacionales fundamentalmente) puede utilizarse el sonido grave MO-MU.. 2. Filar una con una vocal, de acuerdo con la altura tonal de la tesitura apropiada al sujeto. Esto se logra emitiendo un sonido que comience con un ataque suave y después de una corta espiración afónica se va aumentando la intensidad hasta llegar al máximo y, se desciende lentamente hasta llegar al máximo y se desciende lentamente hasta terminar en un soplo.. 3. Ejercicios de agilidad a saltos de 5ta a 8va, con notas ligadas, y después picadas, que contribuyen a lograr precisión en el ataque vocal, seguridad y afinación..

(20) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 4. 1. Cuando deseamos el ataque brusco de la voz, se utilizan vocales o sílabas con mucha fuerza, precedido de un golpe de tos y acompañadas de un movimiento de extensión de los brazos.. 5. Cuando necesitamos disminuir la fuerza del cierre glótico se realizan ejercicios de impostación, para lo cual se debe dar al paciente, la sensación táctil propioceptiva de lo que es la vibración frontonasal y palatina cuando se emite una vocal.. 1.3. Tratamiento de patologías de la voz con electroestimulación Durante años, la electroterapia ha sido una forma de tratamiento reconocida, y ampliamente extendida en. los ámbitos de la rehabilitación ortopédica [16] y de la rehabilitación. neurológica.[16] Utilizando la electroterapia puede obtenerse una variedad de efectos en lo que se refiere al tratamiento (tratamiento del dolor, estimulación circulatoria / mejora del tropismo, relajación muscular y resolución de los espasmos, estimulación muscular para el desarrollo y la conservación del músculo), por ejemplo, en el tratamiento de la atrofia, estimulación nerviosa, para la regeneración de la función sensitivo motora en caso de parálisis periférica o central, iontoforesis, para la difusión de medicamentos en los tejidos[16]. También es usual dar electroterapia de las paresias laríngeas, así como para otras indicaciones en el área de la garganta y de la cara. Esta concepción se basa principalmente en los resultados de las investigaciones [17], así como en la. amplia experiencia práctica de los. foniatras. Entre los trabajos más relevantes de aplicación de electroestimulación para el tratamiento de patologías vocales se encuentra la EEFNM (estimulación electrofonatoria neuromuscular) [17] y la EEANM (estimulación electro articulatoria neuromuscular). [16] El tratamiento de patologías de la voz con electroestimulación está orientado fundamentalmente como apoyo a los ejercicios tradicionales, disminuyendo considerablemente el tiempo de tratamiento, sobre todo en pacientes pediátricos. La estimulación electrofonatoria neuromuscular (EEFNM) se basa en la técnica de motivación de los denominados ejercicios de intención (intencionales, o intencionados)..

(21) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. Esta técnica combina el intento de desencadenar una contracción voluntaria (en el caso de la EEFNM: ejercicios fonatorios funcionales). Los ejercicios intencionados están especialmente indicados. en el caso de las parálisis de origen psicológico y en las parálisis funcionales. residuales. No obstante, hay que realizar un entrenamiento frecuente (varias veces al día, intervalos cortos) En caso de afasia de Broca, al principio es razonable evitar pensar en el habla. El paciente puede practicar movimientos de los labios, de la mandíbula inferior, de la lengua y del alvéolo. Puede articular consonantes. Por otro lado, pueden realizarse ejercicios usando la voz o sin usarla. La dificultad de estos ejercicios va aumentando con la frecuencia y la velocidad de las series de movimientos hasta una fase de espiración. El siguiente paso consta de sílabas (una consonante + una vocal consecutiva). Al principio se evitan los diptongos y las diéresis (inflexiones vocálicas). Toser e inhalar forman parte de la secuencia de ejercicios. El bostezo y la risa se estimulan verbalmente y mediante ilustraciones. En caso de sensores intactos, se presta la mayor atención a la disfagia. 1.4. Características de las corrientes de estimulación utilizadas para la electroterapia en el tratamiento de patologías vocales Las diversas corrientes de estimulación pueden clasificarse como se muestra en la. Tabla 1. 3, en función de su generación y de su efecto concreto sobre el tejido:. Tabla 1. 3 Corrientes utilizadas para la estimulación.. Clasificación Corriente Galvánica. Descripción La corriente galvánica (G) es corriente directa que penetra en el tejido con una energía constante. Se utiliza principalmente para proporcionar estimulación circulatoria y tratamiento del dolor, así como. para. la. iontoforesis (difusión de una preparación. o. medicamento mediante una corriente eléctrica). Corrientes con impulsos Las corrientes de frecuencia baja son corrientes de impulsos,.

(22) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. de frecuencia baja. 1. caracterizadas por frecuencias inferiores a 1000 Hz. Los modos de corriente de baja frecuencia son las corrientes de estimulación IG30, IG50, FM, UR (corriente de ultraestimulación), FaS (corriente de elevación farádica) y T/R (corriente exponencial): las cuatro. primeras. son. corrientes. clásicas. de. estimulación. circulatoria, analgésica y de relajación muscular. Los modos FaS y T/R son corrientes de estimulación nerviosa y muscular. La corriente T/R es la única adecuada para estimular paresias periféricas parciales y completas.. Corriente de frecuencia Las corrientes de frecuencia intermedia son corrientes alternas que intermedia. se producen añadiendo una frecuencia de modulación (0 a 250 Hz) a la frecuencia básica (2 a 9,5 Hz). A diferencia de lo que ocurre con las corrientes de interferencia comunes, corriente AMF. (siglas en. en el modo de. inglés de corriente de frecuencia. intermedia con amplitud modulada), así como cuando se aplica una corriente de frecuencia intermedia para la estimulación muscular (modo MT), la interferencia no tiene lugar en el tejido del paciente, sino en el dispositivo. Puesto que las corrientes de frecuencia intermedia ocasionan escasísima irritación cutánea y tienen suficiente profundidad de penetración,. su efecto. terapéutico, así como su aceptación por parte del paciente, son bastante altos..

(23) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. 1.4.1 Dosificación de la intensidad de corriente para electroterapia para el tratamiento de patologias vocales. Para la electroestimulación hay que tener en cuenta varios parámetros, como son la forma geométrica del impulso, el tiempo del impulso, tiempo de pausa entre impulsos, frecuencia de duración de la terapia, intervalo de la terapia, y la selección de la Intensidad. De todos ellos la selección de la intensidad es un factor especialmente importante para la electroterapia. No es posible seleccionar la intensidad principalmente en función del valor de corriente (en mA) que aparece en el dispositivo, ya que las condiciones de aplicación de la electroterapia pueden variar muchísimo en función del área que se va a tratar, de la colocación de los electrodos, del grado de gravedad de la lesión, de la sensación que el paciente tiene de la corriente, entre otros factores. Los criterios decisivos para la selección de la intensidad son la sensación que el paciente experimenta, así como el grado de reacción muscular. Por este motivo, en electroterapia se distingue entre los denominados valores umbral perceptivo y motor. La Tabla 1. 4 muestra el significado de los umbrales perceptivos, nótese que en ningún caso la electroestimulación puede superar el límite de tolerancia. Tabla 1. 4 Valores Umbrales Perceptivos para la Electroterapia.. No. Valores Umbral Perceptivos. 1. perceptivo subliminal = intensidad no perceptible. 2. perceptivo liminal = intensidad apenas perceptible. 3. perceptivo supraliminal = intensidad claramente perceptible, pero no desagradable. 4. límite de tolerancia = máxima intensidad tolerable, cercana al umbral del dolor. En la Tabla 1. 5 se muestran los valores umbrales motores, que están referidos a la reacción muscular que desencadenan loa valores de corriente administrados al paciente..

(24) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. Tabla 1. 5 Valores Umbrales Motores para Electroterapia.. Valores Umbral Motores. No 1. motor subliminal = intensidad que no desencadena reacción muscular alguna. 2. motor liminal = intensidad que desencadena una reacción muscular perceptible y visible mínima. 3. motor supraliminal = intensidad que desencadena una reacción muscular claramente perceptible y visible. Al seleccionar la intensidad, se aplica la regla de la dosis mínima, es decir, la intensidad se establece en un valor tan bajo como sea posible, y a la vez, todo lo alto que sea necesario. Dosificación de la Corriente Galvánica: La corriente galvánica provoca una migración de los iones en el tejido. Por ello, y con el fin de evitar que un exceso de iones positivos o negativos bajo los electrodos provoque quemadura por ácido, debe tenerse especial cuidado al aplicar la corriente galvánica: la intensidad no debe superar nunca 0,1 mA /cm2 de superficie activa del electrodo.. Figura.1.3 Migración de los iones en el tejido bajo la influencia de la corriente galvánica.

(25) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. La denominada iontoforesis (difusión percutánea de sustancias mediante corriente galvánica) hace uso de este efecto de migración iónica. Bajo la influencia de la corriente galvánica, los iones positivos (cationes) migran hacia el cátodo, mientras que los iones negativos (aniones) migran hacia el ánodo. Si se coloca un medicamento entre los electrodos y la piel del paciente, los iones contenidos en el medicamento migran hacia el interior del tejido con arreglo a su carga. En función de la composición iónica del medicamento, su difusión se lleva a cabo debajo del ánodo o debajo del cátodo. En la Figura 1.4 se ilustra la difusión de una sustancia o medicamento con los iones positivos debajo del ánodo. Aplicado a determinados pacientes, con parálisis facial periférica completa. La literatura apoya el uso de la prednisona en dosis de 1 mg/Kg./día/10 días y con posterior pauta descendente a lo largo de un mes (1/3 de dosis cada 2 días), el aciclovir en dosis de 400 mg cinco veces al día durante los diez siguientes días a la parálisis (recomendada en pacientes por causa de herpes zoster).. Figura 1.4 Iontoforesis de una sustancia que contiene iones positivos. Corriente de frecuencia baja Las corrientes de frecuencia baja pueden emitirse en forma monofásica con base galvánica o en forma bifásica. La base galvánica implica que se añade constantemente una base de corriente galvánica del. 5%(d e la intensidad seleccionada) (durante el tiempo de impulso y durante el. tiempo de pausa) a la corriente seleccionada. Esto genera un desplazamiento de la característica.

(26) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. de la estimulación de la corriente hacia la corriente Galvánica. En concreto, se mejoran sus efectos rubefacientes y electrolítico. En su forma monofásica, las corrientes de frecuencia baja, al igual que la corriente galvánica, inducen el transporte de iones en el tejido. Si la duración del tratamiento es demasiado prolongada, o si la dosis es demasiado alta, estas corrientes pueden provocar quemaduras por ácido a causa de la alcalinización en el cátodo y de la concentración de iones ácidos en el ánodo. Este efecto electrolítico puede evitarse aplicando estas corrientes en su forma bifásica. La forma bifásica implica que cada impulso va seguido de un impulso de polaridad invertida (opuesta), lo que reduce el efecto electrolítico y el riesgo de quemaduras por ácido. Además, las corrientes bifásicas resultan más agradables para el paciente que sus equivalentes monofásicas. 1.5. La experiencia en Cuba con la electroestimulación vocal En Cuba la única experiencia del uso de electroestimulación Vocal fue con el VocaSTIM [19] (Vocastim Master) .Comenzó a utilizarse en El Centro Internacional de Salud La Pradera en el mes de Marzo del 2006 como parte de un proyecto de colaboración entre Cuba y Alemania, siendo de gran utilidad en la rehabilitación de pacientes con trastornos del Lenguaje. Es válido aclarar que, al habilitar un solo equipo se evidencia cuán incipiente es el uso del mismo puesto que no se tiene referencia de la presencia de equipos similares en Cuba. Esto limita en gran medida el tratamiento con electroestimulación, de ahí la importancia de este trabajo. A continuación se ofrecen algunos resultados de una prueba inicial realizada por un colectivo de especialistas calificados como fue el caso de la Lic. Nilda Ramírez Villavicencio, Lic. Liudis Reina Gómez, Dra. Beatriz Bermejo Guerra, Lic. Magali Cortés García trabajadores de esta institución. De un universo de 23 pacientes adultos, con diferentes trastornos del lenguaje: Afasia (motriz, sensorial, mixta) y Disartria diagnosticados con parálisis facial, tanto periféricas como centrales; se incluyen en la muestra 13 pacientes con parálisis facial central (56.5%) con edades que oscilan.

(27) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. de 38 a 65 años, y su comportamiento en cuanto al sexo es de 8 hombres (61.5%) y 5 mujeres (38.5%). Los resultados de esa experiencia fueron: En las evaluaciones realizadas después del tratamiento, se obtienen 6 casos calificados como daño bajo (Disfunción leve); 2 casos calificados en daño medio y 5 casos en daño medio bajo (Disfunción moderada a leve). La Figura. .6 muestra un gráfico de pastel con estos resultados. En 11 pacientes se logró el 80% de. motilidad funcional (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.6), evaluado como disfunción leve. Se eliminaron los daños serios. Con la electroestimulación, se logra en los trastornos disártricos del habla, que los pacientes articulen con mayor claridad en poco tiempo de tratamiento. (Ejercicios intencionados de fonación, tos, inspiración).. Figura 1.5 Resultado Final del Tratamiento con el VocaSTIM [19].

(28) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. Figura 1.6 Cantidad de pacientes por grado de gravedad resultado del tratamiento con VocaSTIM en Cuba en 2006. Tomado de [19]. A pesar de los resultados que muestra la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. y la. Figura , de ese experimento pionero, en Cuba no se han reportado más resultados de este tipo de. tratamiento y no existe en ningún hospital un equipo capaz de realizar este tipo de procedimiento, o al menos no está en explotación actualmente. Conclusiones del Capítulo. En este capítulo se introducen las diferentes características de la producción de la voz, así como de los principales trastornos que la afectan y, los tratamientos tradicionales que se han efectuado para su cuidado. También se abordó el trabajo con electroestimulación en las patologías de la voz, y, en los tipos y dosis de corriente a emplear, haciendo énfasis en el equipo VocaSTIM y en la experiencia derivada de su uso en Cuba. Esto posibilitó arribar a la conclusión de que el tratamiento con este tipo de terapia puede ser una ayuda importante para los pacientes con patologías vocales, porque la creación de un equipo para el tratamiento de pacientes que presenten algún trastorno o patología del habla resulta de vital importancia, no solo para el asistido, también para el especialista a la hora de ofrecer su evaluación. Por eso para desarrollar un equipo de EE de tratamiento de patologías vocales una buena aproximación es el diseño de.

(29) CAPITULO 1 Patologías de la voz y Tratamientos con electroestimulación. 1. circuitos que reproduzcan las formas de onda que brinda el VocaSTIM, teniendo en cuenta que ya se ha utilizado y reportado y que es el equipo líder es este tipo de terapias..

(30) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 22. Capítulo 2. Materiales y Métodos. En este Capítulo se exponen los materiales y métodos utilizados para el desarrollo del prototipo de electroestimulación vocal. Se aborda el análisis del circuito correspondiente a la etapa de potencia, fuente y protecciones eléctricas. También se describe la utilización de un PSoC para la generación de las formas de onda básicas a utilizar. 2.1 Diseño del electroestimulador. Esquema general del prototipo. Este diseño está concebido por diferentes bloques para darle un orden al desarrollo de la implementación del electroestimulador de voz, cuya división está basada con respecto a su funcionalidad, como se muestra en la figura 2.1. El primer bloque de dicho diagrama es el relacionado con el generador de ondas el cual fue realizado utilizando el Microprocesador PSoC auxiliándonos para su programación del software PSoC Designer, también presente en el diagrama en bloque. El mismo corresponde a la etapa de potencia y fue diseñado a partir del software perteneciente a la National Instrumenst, Multisim facilitando la simulación para una posterior implementación, con relación a los bloques restantes (a las protecciones eléctricas y las fuentes de alimentación) también se utilizó dicha herramienta..

(31) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 23. Figura 2.1 Diagrama en bloques de Equipo de electroestimulación de voz.. 2.2 Características de la formas de ondas generadas. Se realizó un análisis de los tipos de ondas a generar en función del efecto fisiológico de esta, teniendo en cuenta forma, duración, frecuencia entre otros indicadores. Las formas de onda básicas fueron obtenidas en Matlab, para luego ser almacenadas en forma de tabla en la memoria del PSoC, donde se generan como llamadas a la tabla. Para una sesión de tratamiento electroterapéutico de las paresias laríngeas, la afasia, la disfasia o la disartria consta, por lo general, de dos secuencias (el denominado precalentamiento y la estimulación neuromuscular electrofonatoria / electroarticulatoria en sí (EEFNM/EEANM))..

(32) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 24. Figura2. 2 Corriente Galvánica. 2.2.1 Corriente de ultra estimulación (UR) La corriente de ultra estimulación tiene una frecuencia de estimulación de 143 Hz y se compone de impulsos de onda cuadrada, con un tiempo de impulso de 2 ms. Desencadena la característica de masajeo en el músculo, a menudo denominada masaje con corriente de estimulación. El modo UR es un modo de corriente que se utiliza ampliamente, con efecto analgésico y efecto intensamente rubefaciente. Dado que el modo UR se tolera bien, a menudo se aplica en caso de dolor postraumático y con pacientes que normalmente no soportan las corrientes. Sin embargo, esta alta tolerancia conduce a una habituación rápida que se puede contrarrestar aumentando la intensidad durante la terapia Dosificación de la intensidad de la corriente de liminal perceptible a supraliminal.. Figura 2.3 Corriente de ultra estimulación (monofásica y bifásica).

(33) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 25. 2.2.2 (IG30) Galvanización mediante impulsos 30 (conforme a JANTSCH) La galvanización mediante impulsos IG30 (impulsos triangulares, aprox. 12 Hz, T=30 ms) e IG50 (aprox. 8 Hz, corriente neofarádica, T= 50 ms) conforme a JANTSCH pertenecen al grupo de frecuencias rubefacientes y analgésicas, inductoras de escalofríos. Cuando se aplica una dosis motora supraliminal de estas corrientes, sus frecuencias de estimulación bajas inducen una clara vibración o agitación del músculo. Según JANTSCH [16], este modo de corriente combina “un componente galvánico muy bajo con un claro efecto motor”. Produce una dilatación vascular máxima.. Figura 2.4 Galvanización mediante impulsos 30 (monofásica y bifásica). 2.2.3 (IG50) Galvanización mediante impulsos 50 (conforme a JANTSCH). Figura 2.5 Galvanización mediante impulsos 5 (monofásica y bifásica).

(34) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 26. Los modos IG30 e IG50 son los modos de corriente utilizados comúnmente para realizar el precalentamiento para la EEFNM y la EEANM. La dosificación de la intensidad de la corriente usual es la liminal perceptible.. Figura 2.6 Corriente de frecuencia modulada (monofásica y bifásica). En la corriente de frecuencia modulada FM son característicos sus impulsos en forma de aguja, de aprox. 1 ms. Las pausas bastante prolongadas y constantemente variables producen una frecuencia continuamente alternante que se sitúa en el intervalo de 7 a 14 Hz. Esto implica que se trata de una corriente inductora de escalofríos, que genera los mismos efectos que las corrientes IG30 e IG50. La corriente FM no ocasiona apenas ninguna irritación al paciente. La frecuencia constante alternante (que es el motivo por el que la corriente FM se clasifica como una corriente de estimulación aleatoria) resulta especialmente adecuada para el tratamiento del dolor (y se evita la habituación), así como para relajar las tensiones musculares. La dosificación de la intensidad de la corriente usual es la liminal perceptible 2.2.4 (FaS) Corriente de elevación farádica Habitualmente se hace referencia a la corriente de elevación farádica (Figura 2.7) como configuración básica de la corriente neofarádica (tiempo de impulso Ti = 1 ms, tiempo de pausa Ri = 20 ms; tiempo de contracción/pausa: seleccionable individualmente). Se trata de una corriente tetanizante que se utiliza para tratar las atrofias musculares, así como para entrenar la.

(35) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 27. inervación y la coordinación o para el aumento de la masa muscular en la práctica deportiva. A menudo, el modo FaS se aplica para la realización de ejercicios intencionados conforme a Förster (véase a continuación).. Figura 2.7 Corriente de elevación farádica (monofásica y bifásica). La corriente FaS resulta adecuada para estimular sistemas neuromusculares sanos o con lesiones ligeras, pero no así en casos de paresias periféricas graves y completas, en las que debe aplicarse la corriente T/R [18]. Dosificación de la intensidad de la corriente: de motora liminal a motora supraliminal.. 2.2.5 Corriente exponencial (T/R). Figura 2.8 Impulsos de onda cuadrada, y triangulares con tiempos de subida prolongados. La corriente exponencial es la corriente idónea para el tratamiento selectivo de las parálisis y, por lo tanto, para la EEFNM y para la EEANM. El término corriente exponencial tiene su origen en una época en la que no era posible generar impulsos triangulares a causa de las limitaciones.

(36) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 28. tecnológicas de aquel entonces; por ello, para la estimulación muscular selectiva se utilizaban ondas exponenciales, similares en su forma geométrica a la carga y descarga de un capacitor. En la actualidad, para la estimulación muscular selectiva se utilizan impulsos de diversas formas geométricas (diferentes impulsos triangulares e incluso impulsos trapezoidales, impulsos exponenciales), con un tiempo de impulso de hasta 1000 ms, en función del grado de denervación. Dosificación de la intensidad de la corriente: de motora liminal a motora supraliminal. Estas formas de onda están divididas en dos grupos, en las de corrientes de baja frecuencia y las de frecuencias intermedias como se muestra en la tabla 2.1, en la cual se brindan algunas características a tener en cuenta de estas para ,de esa manera, contribuir a la generación de este tipo de ondas con una mayor precisión.. Tabla 2.1 Característica de las formas de ondas.. Nombre. Descripción. Corriente. Está basada en un nivel de corriente directa la. Galvánica. cual no debe exeder 0.1 mA\cm2. UR. La corriente de ultra estimulación está compuesta. Frecuencia. Duración. (Hz). (ms). 143. 2. 12. 30. 8. 50. por ondas cuadradas bifásicas. IG_30. Su forma de onda es triangular bifásica y monobifásica frecuencias. pertenecen. al. rubefacientes. y. grupo. de. analgésicas. las e. inductoras de escalofríos. IG_50. Su forma de onda es triangular bifásica y monobifásica frecuencias. pertenecen. al. rubefacientes. y. grupo. de. analgésicas. las e.

(37) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 29. inductoras de escalofríos.. FM. Este tipo de forma de onda tiene forma de aguja y. 7 a 14. 1. 1. 1000. presenta los mismos efectos de las corrientes IG_30 y IG_50 T/R. Corriente exponencial esta basada la forma de onda en una rampa se utiliza en el tratamiento selectivo de la parálisis.. 2.3 PSoC. Para el desarrollo del oscilador en cargado de generar las formas de ondas descriptas en el epígrafe anterior, se decidió utilizar el PSoC de la serie CY8C27443 [20], ya que este ofrecen 12 bloques analógicos, 8 bloques digitales y una microcomputadora empotrada de 8 bits, todo configurable, en un encapsulado de 28 terminales, por menos de 4,00 USD/unidad. El usuario define qué funciones realizar, cuándo ellas aparecen (re-configuración dinámica), y cómo se interconectan. En el caso específico de este trabajo se atizó un contador de 16 bits (Counter16_1) desempeñando la función de establecer la frecuencia mediante la configuración de período y un convertidor digital analógico de 8 bits (DAC8_1) cumpliendo la función de convertir la señales discretas obtenidas en Matlab a señales analógicas. El CY8C27443 resulta adecuado desde el punto de vista de su bajo consumo, incluso a alta velocidad, presentando flexibles modos de reposo (sleep), con corrientes tan bajas como 3µA. Sus voltajes de trabajo van desde 3V hasta 5,25V, aunque puede ser bajado a 1V, usando SMP (switch mode pump)..

(38) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 30. 2.4 Multisim Para la puesta a punto del circuito diseñado se utilizó el paquete Multisim 10.1 como poderosa herramienta de ayuda al diseño y simulación. Multisim es un instrumento ampliamente usado en el campo profesional, gracias a su poderoso entorno interactivo, no requiere un conocimiento amplio en simulación, ni una amplia experiencia en el uso de herramientas de simulación. Con Multisim se realiza captura, simulación y postprocesado en el mismo entorno [21], lo que elimina los altos costos de realizar el diseño en múltiples etapas repetitivas, asegurando la alta calidad en la simulación y medidas en el diseño. La familia de productos a nivel profesional de Multisim (Base, Full y Power Pro) ofrece un amplio conjunto de herramientas para los diseñadores profesionales: 1. Entorno de diseño intuitivo 2. Cableado sin modelado y colocación 3. Instrumentos virtuales interactivos 4. Asistentes para creación automática de circuitos 5.. Rubberbanding sobre componentes y cableado. 6. Fácil exportación al diseño PCB usando NI Ultiboard 7. 24 tipos de análisis 8.. Más de 16 000 componentes, todos con modelos listos para ser simulados. 9.. Fácil adición de nuevas partes y modelos de simulación. 10. Simulación con microcontroladores y co-simulación VHDL 11. Intercambio de información e instrumentos desde y hacia LabVIEW y Signal Express 2.5 Proteus. Para la realización del circuito impreso se decidió utilizar Proteus el cual es un software que está basado en una compilación de programas de diseño y simulación electrónica, producido por Labcenter Electronics, el cual está estructurado por dos programas principales: ISIS (Sistema de Enrutado de Esquemas Inteligente) y ARES. (Software de Edición y Ruteo Avanzado). El. programa ISIS posee un módulo asociado denominado VSM (Sistema Virtual de Modelado)..

(39) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 31. 2.5.1 ISIS ISIS permite efectuar el montaje de los circuitos electrónicos con una buena representación gráfica y generar ficheros de conexiones (NetList). Mediante este se simula el funcionamiento del circuito y se genera una placa de circuito impreso del esquema capturado [36]. Para efectuar el montaje de los esquemas de circuitos electrónicos deben seguir diferentes pasos los cuales son básicos para dicha tarea como se brindan a continuación: 1. Seleccionar en las librerías de componentes (presionando la tecla P o accediendo a la P situada en la ventana de dispositivos de la izquierda) todos aquellos elementos que se utilizan en el circuito a realizar. 2. Colocar espacialmente los componentes que forman el circuito en la hoja de trabajo 3. Interconectar los terminales de los componentes que forman el diseño del circuito. 4. Editar las propiedades de los componentes utilizados: valores nominales encapsulados etc. 5. Generar el fichero de conexiones (NetList) de salida o la impresión del esquema. 2.5.2 ARES Es la herramienta de enrutado, ubicación y edición de componentes, se utiliza para la fabricación de placas de circuito impreso. El propio programa puede trazar las pistas, si se guarda previamente el circuito en ISIS, y haciendo clic en el ícono de ARES, en el programa, este compone la Netlist [37]. El enrutado en ARES puede realizarse manualmente con un verificador de reglas de diseño o de forma automática, este último consta de dos métodos, el primero de ellos es el autorruteo, en este se colocan los componentes en la board y se especifica el área de la placa, luego se ordena el autorruteo (icono ubicado en la barra de botones superior) y se edita la estrategia de ruteo en Edit Strategies. El segundo método es el Electra Autoruteo, este una vez colocados los componentes trazará automáticamente las pistas realizando varias pasadas para optimizar el resultado. Una vez diseñado, la placa de circuito impreso puede visualizarse en 3D con la herramienta 3D Visualization..

(40) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 32. 2.6 Generación de las formas de ondas en PSoC. El primer paso para la generación de las diferentes tipos de formas de ondas es obtener una tabla con los valores que corresponden a cada forma de onda a generar donde se utilizó Matlab, logrando 64 muestras por cada tipo de forma de onda a generar; luego de haber obtenido el muestreo de estas ondas se procedió como primera tarea a desarrollar en el PSoC, selección y configuración de los bloques internos del PSoC designer, para este caso específico se seleccionó dos bloques como se muestra en la tabla 2.2. En dicha tabla se exponen los bloques y la posición en que se ubican los mismos. Se utilizó un contador de 16 bits (Counter16_1) el cual permite configurarle por software con el comando Counter16_1_WritePeriod (Periodo); el período para configurar la frecuencia de la onda la cual se puede calcular por las ecuaciones 1 y 2.También se utilizó un convertidor con el propósito de convertir la señal digital en analógica (DAC8_1) de 8 bits donde a la hora del muestreo se realizó de 0 a 255 para utilizar el rango de salida completamente del PSoC. Porción de la Muestra = Frecuencia de Salida x No de Muestra. (1). Período = (Frecuencia del PSoC – 1) / Porción de la Muestra. (2). Tabla 2.2 Bloques configurados en PSoC y posición. Bloques. Posición. Counter_16_1. DBB00 Y DBB01. DAC_8_1. ASC10 Y ASD20. Después de haber escogido estos módulos anteriormente mencionados se configuraron para que cumplan el rol requerido en este programa de la siguiente manera como se ilustra en las tablas 2.3, 2.4y 2.5 donde se muestra detalladamente algunos parámetros de dicha configuración..

(41) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. Tabla 2.3 Configuración del Módulo Counter16_1. Parámetros. Valor. Clock. VC1. Enable. High. Period. # = Ecuación (2). CompareValue. Ecuación (2) / 2. CompareType. Less Than Or Equal. InterruptType. Terminal Count. ClockSync. Use SysClk Direct. Tabla 2.4 Configuración del Módulo DAC8_1 Parámetros. Valor. AnalogBus. AnalogOutBus_0. ClockPhase. Normal. DataFormat. OffsetBinary. Tabla 2.5 Configuración de los Recursos globales. Parámetros. Valor. Supply Voltage. 5.0V. SysClk Source. Internal 24_MHz. 33.

(42) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 34. CPU_Clock. 24_MHz(SysClk/1). VC1=SysClk/N. 12 = (VC1 fijo a 2 MHz.). Analog Power. SC On/Ref High. Ref Mux. (Vdd/2)+/-(Vdd/2). Luego de haber configurado los bloques se procedió a la programación, la cual fue realizada en C cuyo diagrama de flujo se muestra en la figura 2.9. Inicializar Tablas con Valores de las ondas a generar Habilitar Interrupción Global Comenzar el DAC 8. Encuestar Puerto 1 (pines o, 1 y 2). Puerto 1. Cambiar valor de Tipo de Onda Cambiar Valor de última onda Fijar Periodo en Counter_16 Inicializar Conter_16 Escribir en DAC valores de la onda triangular. Cambiar valor de Tipo de Onda Cambiar Valor de última onda Fijar Periodo en Counter_16 Inicializar Conter_16 Escribir en DAC valores de la onda cuadrada. Figura 2.9 Diagrama de flujo del programa para generar las formas de onda.. Cambiar valor de Tipo de Onda Cambiar Valor de última onda Fijar Periodo en Counter_16 Inicializar Conter_16 Escribir en DAC valores de la onda modulada.

(43) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 35. 2.7 Diseño del Amplificador de Potencia. Para realización de esta etapa de potencia se tuvieron en cuenta varios aspectos, relacionados propiamente con las características específicas de lo que se quiere lograr, por ejemplo, la corriente que se debe estimular que va a depender específicamente de los electrodos que se van a utilizar. En este caso, se diseñó para utilizar electrodos de 1 mA, lo cual, si se compara a la carga a la cual se le aplicará el estímulo (la impedancia entre dos puntos de cuello) la cual posee valores de resistencia en el orden de los 100kΩ hasta los 200 KΩ lo cual nos da un rango de variación (1mA) donde podemos decir que se puede analizar como un circuito abierto lo cual es un reto debido al voltaje que va a caer en la carga para poder fijar 1mA. Para enfrentar dicho reto se pensó en hacer una fuente de corriente basada en operacionales pero debido a las características de dicho circuito fue imposible debido a que los operacionales se saturaban por la complejidad del voltaje que se cae en la carga. También se pensó hacerlo mediante la utilización de transistores de potencia pero esta variante resolvía el problema de los voltajes altos pero no estabilizaba la corriente, entonces se decidió hacer un híbrido entre la dos variantes mencionadas la cual se muestra en la figura 2.10, donde la señal es recibida desde el PSoC y va hasta un operacional de los cuatro que presenta el integrado TL084 denotado en la figura 2.9 como U10A el cual cumple la función de desfasar la señal que viene del PSoC unipolar en bipolar, luego pasa a los tres operacionales restantes del integrado TL084 (U1A, U2A, U3A ), los cuales son los encargados de fijar la corriente conjuntamente con los resistores R1 y R2. Después de fijada la corriente viene la etapa que se ocupa de manejar los voltajes altos diseñada mediante cuatro transistores PNP (Q3, Q4, Q5, Q6 en la figura) y dos NPN representados en la figura 2.9 como (Q1, Q2), cuya configuración es denominada como puente H donde se maneja ambas fases entrando en corte y saturación dichos transistores indistintamente con el objetivo de poder fijar la corriente modificando el voltaje en función de la variación de la carga. La otra parte de circuito está compuesta por dos operacionales los cuales conforman un integrado TL082 denotados en la figura 2.10 (U9A, U11A) los cuales se encargan de romper el voltaje umbral de los transistores para que distorsione las ondas triangulares..

(44) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 36. Figura 2.10 Diseño de la etapa de Potencia.. 2.7.1 Diseño de las fuentes para alimentar el prototipo de electroestimulador de voz. Las fuentes que se diseñaron para la alimentación del prototipo de electroestimulador de voz están dividas en dos, una que es la de alto voltaje y otra que es la del Vcc y Vee. La fuente relacionada con el Vcc y el Vee es la encargada de alimentar los operacionales del circuito en general, como se muestra en la figura 2.1, donde hay un transformador representado por (V2) el cual es el encargado de convertir los 110V de la línea de alimentación a 35V donde, acto seguido, se hace pasar por un rectificador de onda completa denotado en la figura 2.11 (T2). Después se filtra con un capacitor electrolítico (C2) convirtiéndola en corriente directa, luego viene el circuito integrado LM7805 regulador de voltaje(U1), a la salida en la resistencia R1 se van a caer 5V donde fijamos R1=1kΩ, y calculando la corriente que va a pasar por esta de I=5mA, se puede determinar ya que el voltaje de salida debe ser 15V y, la corriente que va a pasar por el es I=5mA ya que la corriente del pin central del regulador de voltaje es despreciable.

(45) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 37. y está en el orden de los uA donde calculamos R2=2K Ω obteniendo a la salida los +15V y los 15V requeridos para el Vcc y Vee. Por otra parte la fuente de alto voltaje está compuesta por un transformador (V1) como se muestra en la figura 2.11 que va desde los 1110V de la línea de alimentación hasta 220V, luego se hace pasar por un puente rectificador (D1), haciéndolo pasar por un filtro (un capacitor electrolítico) de 220 uF que soporta 400V denotado en la figura 2.11 como (C1) quedando diseñado para una futura implementación.. Figura 2.11 Fuentes de alimentación del prototipo. 2.7.2 Propuestas de las protecciones eléctricas para prototipo de equipo de electroestimulador de voz. Las protecciones eléctricas forman parte de uno de los requisitos más importantes de un equipo médico por la importancia que reviste la protección del paciente como prioridad absoluta del mismo, este equipo presenta dos tipos de fuentes una que alimentará los operacionales (de +15 y -15V DC) y otra de alto voltaje que va a fijar + 200V DC donde esta ultima está aislada galvánicamente debido al transformador utilizado para llevar el voltaje de la línea de alimentación hasta 220V RMS donde esta se puede considerar como la primera protección.

(46) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 38. eléctrica al paciente en nuestro prototipo, por otra parte, fue diseñada una protección para la detección de electrodo suelto u otros problemas en la corriente en la carga, cuyo circuito se basaba fundamentalmente en el funcionamiento del puente H donde lo transistores que conforman el mismo se comportan como interruptores que se cierran y se abren según la fase que estén amplificando como se muestra en la figura 2.11 a y b, donde esta protección está diseñada tanto para detectar cundo está suelto algún electrodo, o, cuando algún interruptor (transistor) se rompe evitando exponer al paciente a algún choque eléctrico.. Figura 2.11 a) Funcionamiento del puente H amplificando una fase. b) Funcionamiento del puente H amplificando la otra fase.. Esta protección se colocará en ambos extremos de la carga donde se utilizarán dos optoacopladores denotadas en el circuito de la figura 2.12 por U1 y U2 sucesivamente para cada fase donde el voltaje a la salida es igual Vcc/2 por tener el ciclo útil las señales que se generaran del 50%, luego se hace pasar la señal por un filtro paso bajo con una frecuencia de corte de aproximadamente 7.95 Hz con el objetivo de fijar un nivel DC que están representados en la figura 2.12 como R4 y C2 en un caso y en el otro R5 y C1 donde este nivel DC será comparado con un voltaje de referencia establecido con un divisor resistivo donde este será pequeño como.

(47) CAPITULO 3 Materiales y Métodos. 39. se muestra en la figura 2.12 el cual será comparado por un operacional ( U10A y U3A) donde si el voltaje fijado por el filtro paso bajo es menor que el voltaje de referencia que va a ser fijado por el divisor resistivo enciende un LED (1 y 2 respectivamente) envía una señal que va hacer amplificada por un transistor ( Q1 y Q2) que va a controlar un Relay que desconectará o reanudarán la fuente de alto voltaje. Dejando propuesta una futura implementación de este prototipo.. Figura 2.12 Protección ante electrodo suelto..

(48) CAPITULO 3 Resultados y Discusión. 40. CAPITULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. En este capítulo se exponen los resultados obtenidos con la realización de este trabajo avalándolos con resultados sólidos demostrando la efectividad del mismo con diferentes pruebas las cuales nos dan la claridad precisa para arribar a conclusiones favorables. 3.1 Etapa de generación de las formas de ondas. A continuación se muestra un fragmento del programa realizado según el diagrama de flujo de la figura 2.9, nótese que encuesta de manera continua el puerto 1 esperando que cambien sus valores de entrada y con ello la forma de onda a generar. #include <m8c.h>. // part specific constants and macros. #include "PSoCAPI.h". // PSoC API definitions for all User Modules. //#pragma interrupt_handler Counter16_1_ISR char unsigned Pointer = 0; int last_mode = 8; int wave_change =1; void main() { M8C_EnableGInt; // Global Interrupt DAC8_1_Start(DAC8_1_HIGHPOWER); // Start the DAC8 // Counter16_1_Start(); // Start the Counter for(;;) { wave_change = ~(last_mode = PRT1DR); last_mode = PRT1DR; if (PRT1DR == 0x00) // all zero { void sinewave(void); } if (PRT1DR == 0x01) // Port_1_0 { void squarewaveMF(void); } if (PRT1DR == 0x02) // Port_1_1.

(49) CAPITULO 3 Resultados y Discusión. 41. { void squarewaveBF(void); } if (PRT1DR == 0x03) // Port_1_0 y Port_1_1 { void trianglewaveMF(void); } if (PRT1DR == 0x04) // Port_1_2 { void trianglewaveBF(void); } if (PRT1DR == 0x05) // Port_1_2 y Port_1_0 { void trapezoidwave(void); } if (PRT1DR == 0x06) // Port_1_2 y Port_1_1 { void modulatedwave(void); }. } } void squarewaveMF(void) { if (wave_change){ Counter16_1_Stop; Counter16_1_WritePeriod(2710); // 2710 = 10 kHz, Counter16_1_Start(); } DAC8_1_WriteBlind(CuadTableMF64[Pointer]); Pointer++; if (Pointer >= 64) { Pointer = 0; } }. 3.2. Etapa de potencia.. Se realizó a esta etapa una serie de pruebas tanto simuladas como reales para demostrar que funciona como una fuente de corriente y analizar la estabilidad del mismo rediseñando los valores de los resistores ya que el diseño original demanda unas corrientes en la carga muy grande y por un problema de implementación se realizó con otros valores para facilitar la pruebas reales como se muestra en la Figura 3.1 donde se expone un diseño similar al montado real con valores de los resistores y tolerancia real como se monto real como se muestra en la Figura 3.2..