SISTEMA ELECTRÓNICO PARA ESTUDIO DE ESPASTICIDAD Y PÉRDIDA DE MASA MUSCULAR POR MEDIO DE ELECTRO ESTIMULACIÓN

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1 SISTEMA ELECTRÓNICO PARA ESTUDIO DE ESPASTICIDAD Y PÉRDIDA DE MASA MUSCULAR POR MEDIO DE ELECTRO ESTIMULACIÓN CARLOS ANDRÉS CASTAÑO BUSTOS DIEGO FERNANDO RAMÍREZ RIASCOS UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA CALI, 2014

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3 SISTEMA ELECTRÓNICO PARA ESTUDIO DE ESPASTICIDAD Y PÉRDIDA DE MASA MUSCULAR POR MEDIO DE ELECTRO ESTIMULACIÓN CARLOS ANDRÉS CASTAÑO BUSTOS DIEGO FERNANDO RAMÍREZ RIASCOS Informe Final de Trabajo de Grado Director Oscar Casas García, Mg. Ing. UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CALI FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA CALI, 2014

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5 Este trabajo de grado, en la modalidad de investigación, es aceptado como uno de los requisitos para obtener el título de Ingeniero Electrónico en la Universidad de San Buenaventura Cali. Director: Oscar Casas García, Mg. Ing. Jurado: José Fernando Valencia, Dr. Ing. Jurado: Juan Carlos Cruz, Mg. Ing. Santiago de Cali, 23 de Octubre del 2014

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7 Hoy sabemos que gracias al apoyo incondicional que nuestras familias, docentes y amigos culminamos una etapa privilegiada, donde hemos adquirido herramientas para afrontar la vida, a nuestros padres, el esfuerzo y sacrificio por esta inversión, que valoramos más que cualquier cosa material, a nuestros hermanos, por el apoyo en momentos críticos, a nuestras novias por la comprensión, el tiempo, el espacio, apoyo y la paciencia. Nuestros profesores, maestros que antes que teorías, entregan valores, estructuras mis más profundas felicitaciones, gratitud y buenos recuerdos. Infinitas gracias a todos los anteriores por sus consejos y palabras alentadoras que fomentaron en nosotros el deseo de superación y el anhelo de triunfo y superación en la vida. Carlos Castaño y Diego Ramírez

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9 CONTENIDO Pág. 1. INTRODUCCIÓN DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS Objetivo general Objetivos específicos APORTES ORGANIZACIÓN DEL INFORME FINAL MARCO TEORICO ELECTRO ESTIMULACIÓN MUSCULAR Efectos de la Electro estimulación en humanos ESPASTICIDAD PÉRDIDA DE MASA MUSCULAR POR ATROFIA CORRIENTES ELÉCTRICAS USADAS EN LA ELECTRO ESTIMULACIÓN Según la metodología Según los efectos generados Según la frecuencia Según la forma SEGURIDAD Definición de equipo médico Choque Eléctrico ESTADO DEL ARTE HISTORIA DE LA ELECTRO ESTIMULACIÓN... 35

10 3.2 EQUIPOS PARA ELECTROTERAPIA ACTUALES I-Tech Physio BTL DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA COMPUTACIONAL PARA LA ELECTRO ESTIMULACIÓN MUSCULAR DISEÑO DEL SISTEMA COMPUTACIONAL IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE DEL SISTEMA EMBEBIDO Elección del sistema computacional Comparación de los sistemas computacionales respecto a las exigencias del prototipo Etapa generadora de señales Etapa de comunicación Etapa amplificadora IMPLEMENTACIÓN DEL SOFTWARE DEL SISTEMA EMBEBIDO Interfaz de usuario Desarrollo del software para el micro controlador PRUEBAS Y RESULTADOS PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO PRUEBAS DE EFICACIA CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO CONCLUSIONES TRABAJO FUTURO REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 81

11 8. ANEXOS ANEXO SOFTWARE MICROCONTROLADOR PIC18F24K ANEXO SOFTWARE INTERFAZ DE USUARIO EN JAVA... 92

12 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Aplicación de electro estimulación como complemento para la rehabilitación muscular, en este caso, de un deportista Figura 2.2 Aplicación de electro-estimulación mediante un dispositivo electrónico Figura 2.3 Umbral de sensación eléctrica en relación con la frecuencia aplicada Figura 2.4 Relación ente niveles de estimulación e intensidad Figura 2.5 Pérdida de masa muscular por atrofia Figura 2.6 Corriente Galvánica Figura 2.7 Corriente Interrumpida Galvánica (Sinusoidal) Figura 2.8 Corriente Interrumpida Galvánica (Trenes de Pulsos) Figura 2.9 Corriente Interrumpida Galvánica (Pulsos Aislados) Figura 2.10 Corriente Alterna (Baja frecuencia) Figura 2.11 Corriente Alterna (Alta frecuencia) Figura 2.12 Corriente Alterna (No periódica) Figura 2.13 Corriente Interrumpida Alterna Figura 2.14 Corriente Interrumpida Alterna Figura 2.15 Modulación en amplitud (AM) y Frecuencia (FM) Figura Efecto de varios niveles de corriente en el cuerpo humano Pág. Figura 3.1 Electro-estimulador I-TECH PHYSIO Figura 3.2 Kit completo de Electro-estimulador I-TECH PHYSIO Figura 3.3 Electro-estimulador BTL Figura 4.1 Diseño del sistema computacional Figura 4.2 Tarjeta de sistema computacional pcduino Figura 4.3 Tarjeta de sistema computacional Raspberry PI/Modelo B Figura 4.4 Componentes de la Raspberry PI/Modelo B Figura Especificaciones técnicas sistemas computacionales Figura 4.6 Micro Controlador PIC18F24K Figura 4.7 Diseño del PCB (Tarjeta de Circuito Impreso) en EAGLE Figura 4.8 Esquemático de la etapa generadora de señales Figura 4.9 MAX Figura 4.10 LM Figura 4.11 Red de comunicación

13 Figura 4.12 Esquemático conversor TTL a RS Figura 4.13 PCB conversor TTL a RS Figura 4.14 Esquemático Red RS Figura 4.15 PCB Red RS Figura 4.16 Circuito amplificador Figura 4.17 Interfaz de usuario Figura 4.18 Inicio de la plataforma Ubidots Figura 4.19 Ingreso de pacientes a la base de datos Figura 4.20 Base de datos pacientes en Ubidots Figura 4.21 Datos del tratamiento al paciente Figura 4.22 Grafica del comportamiento de las variables Figura 4.23 Diagrama de flujo bucle principal Figura 4.24 Diagrama de flujo interrupción Figura 4.25 Diagrama de flujo actualizar Figura 4.26 Diagrama de flujo generar Figura 5.1 Parametrización de la señal cuadrada Figura 5.2 Medición de la frecuencia/señal Cuadrada Figura 5.3 Parametrización de la señal rectangular Figura 5.4 Medición de la frecuencia/señal Rectangular Figura 5.5 Medición del tiempo de reposo/señal Cuadrada Figura 5.6 Parametrización de la señal Ráfaga Figura 5.7 Medición de la frecuencia/señal Ráfaga Figura 5.8 Medición del tiempo de reposo/señal Ráfaga Figura 5.9 Aplicación de Electro - estimulación Figura 5.10 Prototipo desarrollado Figura 5.11 Medición de frecuencias a la salida del dispositivo Figura Datos obtenidos

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15 RESUMEN En este informe se presenta un sistema electrónico para realizar estudios de espasticidad y evitar la pérdida de masa muscular por medio de electro estimulación muscular. El equipo fue desarrollado con un sistema computacional llamado Raspberry Pi modelo B, el cual sirve de interfaz usuario máquina para realizar las distintas actividades que nos permite el dispositivo, entre las cuales se encuentran la variación de la frecuencia y forma de los pulsos eléctricos que se le aplican al paciente. Por otro lado para generar estos pulsos de corriente eléctrica, se diseñaron módulos, los cuales se encargan de entregar la señal parametrizada que tiene salida por par de electrodos que se ubican en el área afectada del paciente. Y finalmente para comunicar la Raspberry con estos, se usa la comunicación serial RS485. El dispositivo permite generar electro estimulación con ondas Cuadradas, Rectangulares y Ráfagas, donde por medio de una interfaz gráfica diseñada en Java, se puede parametrizar la frecuencia entre Hz y el tiempo de reposo de las anteriores, obteniendo a la salida señales pulsantes con niveles de tensión entre 20 y 80 voltios. La herramienta permite ver la evolución del paciente donde el sistema es realimentado con mediciones de los músculos afectados realizadas por el profesional, antes de iniciar cada sección de recuperación, con el fin de poder constatar una mejora a través del tiempo con el tratamiento propuesto. Finalmente, el proyecto desarrollado es una herramienta que acompaña al profesional o especialista en el proceso de rehabilitación física de los afectados, donde provee la información de los parámetros con los cuales se está realizando el tratamiento y el progreso de la recuperación del paciente por medio de una base de datos en línea. Palabras clave: sistema, electro estimulación, musculo, fuerza, frecuencia, espasticidad, atrofia, lesión, investigación, pérdida, contracción, involuntario, inmovilidad, tratamiento. 15

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17 1. INTRODUCCIÓN Nuestra vida cotidiana está compuesta de tareas u ocupaciones que nos pueden llevar a estar expuestos a un riesgo constante de poder sufrir lesión en algún miembro que comprometa la libre y correcta movilidad, ya sea por los trabajos que realizamos por cumplimiento a nuestros deberes laborales y/o académicos, por actividad física, y también es probable la posibilidad de un descuido propio o de otra persona que pueda tener como consecuencia una afectación que conlleve a la quietud temporal o definitiva. Se puede hacer referencia a algunas áreas de desempeño como lo son las obras de construcción, los deportes extremos o de ejercitación y condicionamiento muscular, donde se ubican el futbol, la natación y el atletismo, entre otros. Así mismo, se encuentran los que se practican por pasión o como medio de transporte, como el automovilismo y motociclismo que al obtenerse una falla en estos como en los nombrados inicialmente, conllevan a que la integridad de la persona que lo ejecuta se vea en peligro, por una anomalía y traumas severos o graves, debido a la presencia de un incidente que puede generar la perdida de movilidad temporal o definitiva. Por lo tanto, Qué pasa cuando la persona que ha sufrido un accidente y le ha dejado como resultado una grave lesión en su cuerpo, probablemente irremediable, pierde la capacidad de manipular sus extremidades, como lo son la paraplejia y la cuadriplejía? De este modo, el individuo empieza a sufrir una pérdida de fuerza y masa muscular por la falta de ejercitación y en algunos de los casos, se genera una contracción involuntaria de los músculos llamada espasticidad; estas no se presentan de manera instantánea en el paciente tras haber sufrido el incidente, pero si se van desarrollando gradualmente hasta que llegan a un punto clímax donde la finalidad se enmarca en la atrofia de los músculos no entrenados. En estas ocasiones, la electro estimulación muscular es de vital ayuda para los presentes, ya que por medio de ella se logra la reanimación física en pro de la recuperación eficiente y ligera de las personas afectadas por la ausencia de motricidad o limitación de movimiento, y se ha dado la comprobación de algunas situaciones en que se aminora el estado de espasticidad en los que la padecen. Por estas razones se ha enfocado este proyecto a la investigación y desarrollo de un sistema electrónico para electro estimulación muscular que permita realizar un estudio del grado de espasticidad del paciente, y de la mano del profesional en esta disciplina conocer si se está mejorando, agravando o si no se marca avance, según el tratamiento que se le esté aplicando y contrarrestar la pérdida de masa muscular. 17

18 1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Los pacientes que han sufrido algún tipo de trastorno que obligue su inmovilidad total o la de algunos de sus miembros, ya sea por orden expresa por el médico o por padecer de una lesión física, tiene como consecuencia la pérdida o degradación de la masa muscular, debido a que no existe una ejercitación frecuente del músculo y con esto, puede derivarse falencias como la atrofia muscular, mala circulación sanguínea, contracturas, perdida de la fuerza muscular y puede darse la situación de aparición de la espasticidad, la cual se radica en el cerebro o en la medula espinal, donde se obtiene como resultado un trastorno motor del sistema nervioso en el que algunos músculos se mantienen permanentemente contraídos provocando rigidez constante y definitiva en los mismos. Por lo tanto, el deseo o pretensión con la postulación de la electro estimulación como método indirecto de rehabilitación física es encaminarse en la recuperación eficiente y ligera de las personas afectadas por la ausencia de motricidad o limitación de movimiento, eliminando tiempo en el periodo de tratamiento y que dichos individuos puedan proceder a cumplir con sus tareas diarias en un lapso moderado, evitando dificultades en el área laboral, académica o sea el caso de ambas; garantizando así mismo, una vida plena y saludable. Teniendo en cuenta la línea de investigación y desarrollo electrónico planteado en el presente informe final, donde se postula el ejercicio de la parte muscular inmovilizada con los impulsos eléctricos, generándolos por un determinado rango de frecuencias y niveles de potencia más amplio, ajustables por el usuario; se quiere dar u ofrecer cobertura a la función de poder lograr el bloqueo de las señales erróneas involuntarias del cerebro hacia el músculo que originan la rigidez muscular, es decir la espasticidad, aunque esto se ingresa con opción de estudio por escasez de investigación acerca de la anomalía, lo cual en cooperación con el especialista en el área de la medicina, se evaluará realizando el monitoreo constante de la respuesta del musculo afectado por medio de una interfaz gráfica que se ejecute en un computador o dispositivo diseñado por los ejecutores del proyecto, para evaluar sí verdaderamente el objetivo de contrarrestar por medio de la electro estimulación muscular (EMS) la tensión constante del musculo se está cumpliendo correctamente, por medio de pruebas que lleve a cabo en su entorno profesional. De lo expuesto se llega al siguiente interrogante, Cuál sería el dispositivo electrónico más adecuado que permita realizar un estudio médico para contrarrestar la pérdida de masa muscular y del mismo modo, la evaluación de la eficacia del tratamiento para la rigidez muscular? 18

19 1.2 JUSTIFICACIÓN Debido a la imposibilidad o limitación de movimiento, generado por la presencia de alguna lesión física o intervención médica, que conlleva a la pérdida de masa muscular; las personas afectadas, se deben someter por largos periodos de tiempo a tratamientos de fisioterapia que generan altos costos monetarios e incapacidad para ejecutar la tareas diarias que tenga estipuladas ya sea de carácter laboral o académico. Por lo tanto, lo que se quiere evitar con el dispositivo electrónico realizado, es la degradación muscular de la persona en situación de quietud, es por eso que, se desea mantener en una diaria ejercitación o excitación de los músculos inactivos y así conservar su magnitud o estado sano, por medio de una electro estimulación muscular de manera periódica y rutinaria, consiguiendo automáticamente tener menos inversión de tiempo en las sesiones de recuperación y terapias de rehabilitación, logrando así mismo, la reducción del costo en la reanimación total de las lesiones del paciente. Teniendo en cuenta la investigación realizada sobre la espasticidad, (Binipatia, s.f.), (Ecured, Ecured), (Rodríguez Martín, 2004), (Salcedo Chávez, 2012), lo que se pretende con este proyecto es buscar un equipo que le permita al profesional médico hacer unos análisis terapéuticos con frecuencias y tipos de señales que pueda variar libremente para poder ejecutar evaluación de comportamiento y resultado en personas con esta anomalía. Es por eso, que realizar este estudio es de gran importancia ya que una gran cantidad de los pacientes que sufren de pérdida de masa muscular igualmente padecen de la espasticidad, la cual se origina en su mayoría por lesiones medulares como se describe en la investigación médica llevada a cabo en el Hospital Nacional de Parapléjicos de Toledo y es titulado Estudio de prevalencia de la espasticidad en el paciente con lesión medular (A. Esclarín de Ruz, 2001), por lo que es pertinente actuar inmediatamente ante la afectación debido a que de este modo podemos disminuir el grado de tensión muscular o evitamos la presencia de tal anomalía por medio de la aplicación de la electro estimulación como terapia de rehabilitación para las personas con limitación de movimiento. 19

20 1.3 OBJETIVOS Objetivo general. Diseñar e implementar un sistema electrónico computacional que permita realizar electro estimulación muscular, para llevar a cabo pruebas médicas en estudios de espasticidad Objetivos específicos Construir un estado del arte en sistemas electrónicos para electro estimulación muscular y sensado del efecto de la misma Realizar el diseño electrónico del sistema computacional para electro estimulación muscular y sensado del efecto de la misma Implementar el diseño electrónico planteado y realizar las pruebas de funcionamiento correspondientes Mostrar los resultados parciales y totales del desarrollo del proyecto. 1.4 APORTES La implementación de un sistema computacional que permita realizar electro estimulación ofrece una gran variedad de ventajas en el área de rehabilitación física, las cuales se describen a continuación: Tecnológicamente, permitir al profesional médico hacer análisis terapéuticos con frecuencias y tipo de señales que pueda variar libremente para poder ejecutar evaluación de comportamiento y resultado en personas con espasticidad, debido a que, se tienen pocas referencias de investigación para ella. Económicamente, evitar largos periodos de tiempo en tratamientos de fisioterapia que generan altos costos monetarios e incapacidad para ejecutar las tareas diarias que tenga estipuladas ya sea de carácter laboral o académico. En el ámbito de la salud, evitar la degradación muscular de la persona en situación de quietud, es por eso que, se desea mantener en una diaria ejercitación o excitación de los músculos inactivos y así conservar su magnitud o estado sano, por medio de una electro estimulación muscular de manera periódica y rutinaria. 20

21 1.5 ORGANIZACIÓN DEL INFORME FINAL Capítulo 1, contiene la información del planteamiento del problema donde se realiza la justificación de la solución y se presenta el objetivo general y específicos. En el capítulo 2 se presenta la investigación realizada en cuanto a la problemática expuesta, lo cual comprende los tipos de anomalías que se pueden tratar con electro estimulación, la conceptualización de la electro estimulación y los efectos de la misma sobre las áreas musculares afectadas, lo cual dependiendo de la parametrización de las señales generadas; y la normatividad que rige este tipo de desarrollos. En el capítulo 3 se expone el estado del arte donde se puede observar cómo fue la evolución de la electro-estimulación como terapia médica a distintas patologías, hasta llegar a la actualidad. El capítulo 4, está compuesto por el diseño propuesto del sistema computacional y la implementación del mismo con el fin de poder generar y aplicar electro estimulación en pacientes con limitación de movimiento. En el capítulo 5 se presentan las diferentes pruebas realizadas con el prototipo donde se generan las señales propuestas con diferente parametrización y finalmente, se relacionan los resultados obtenidos. Finalmente, en el capítulo 6 se exponen las conclusiones de acuerdo al trabajo realizado acompañado de los problemas obtenidos en el desarrollo del mismo y el trabajo a futuro. 21

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23 2. MARCO TEORICO 2.1 ELECTRO ESTIMULACIÓN MUSCULAR Cuando de forma voluntaria se decide contraer un músculo, desde el cerebro se envía una serie de estímulos eléctricos a lo largo del nervio motor que provocan la contracción del mismo. La electro estimulación muscular artificial (EEM) produce un efecto similar, pero el estímulo eléctrico se genera directamente sobre el músculo mediante un dispositivo adecuado para tal fin en complemento de electrodos que son los que hacen contacto con el miembro afectado o a rehabilitar terapéuticamente. Cuando se habla de electro estimulación es necesario distinguir dos conceptos: El objetivo de la electro estimulación, el cual es el efecto motor, es lograr obtener datos informativos que van a orientar hacia un diagnóstico, o el aprovechamiento de ese mismo efecto dirigido a una terapéutica en patología con lesión motórica. La electro estimulación sobre los nervios sensibles, que en virtud de los parámetros utilizados para su obtención tiene unos efectos activos en las fibras nerviosas que transmiten las sensaciones nociceptivas. Figura 2.1 Aplicación de electro estimulación como complemento para la rehabilitación muscular, en este caso, de un deportista. Fuente: (FITFENCING, s.f.) 23

24 Figura 2.2 Aplicación de electro-estimulación mediante un dispositivo electrónico. Fuente: (BIOLaster, S.L, s.f.) Efectos de la Electro estimulación en humanos. Diferentes efectos se pueden presentar en una persona dependiendo de la amplitud, la frecuencia, la forma de la onda e incluso dependiendo de permeabilidad de la persona misma al paso de la corriente, por eso se va a explicar algunos de estos efectos y las causas de los mismos Umbral de Sensación Eléctrica. Es el valor mínimo de la corriente que causa en la persona por la que fluye algún tipo de sensación. El posicionamiento y tamaño de los electrodos, así como la frecuencia utilizada en la electro estimulación muscular son factores fundamentales. En la Figura 2.3 se puede observar este umbral respecto a diferentes frecuencias (Cortes Mánica, Diseño de un dispositivo generador de corrientes interferenciales para el tratamiento de patologías de origen muscular y circulatorio, 2008). Figura 2.3 Umbral de sensación eléctrica en relación con la frecuencia aplicada. Fuente: (Chavéz, s.f.) 24

25 Límite de Tolerancia. Este depende de la densidad de la piel así como del tamaño de los electrodos. El límite de tolerancia varía de igual modo dependiendo del estado de salud o la condición patológica de la persona. En la Figura 2.4 se muestra este límite según el estado de la persona (Cortes Mánica, 2008). Figura 2.4 Relación ente niveles de estimulación e intensidad. Fuente: (R.V. den Adel) Umbral de Dolor. Es la intensidad mínima de un estímulo (la fuerza más leve de un golpe o el contacto más breve con la fresa del dentista) que despierta la sensación de dolor (Puede variar significativamente dependiendo de cada individuo). 2.2 ESPASTICIDAD La espasticidad se refiere al estado en que los músculos se encuentran tensos y rígidos. También se puede llamar tensión inusual o aumento del tono muscular. Los reflejos (por ejemplo, un reflejo rotuliano) son más fuertes o exagerados. La afección puede interferir con la actividad de caminar, el movimiento o el habla. (Binipatia, s.f.) La espasticidad generalmente es causada por daño a la parte del cerebro involucrada en movimientos bajo su control. También puede ocurrir a raíz de un daño a los nervios que van desde el cerebro hasta la médula espinal. 25

26 Los síntomas de espasticidad abarcan: Postura anormal. Llevar los hombros, los brazos, la muñeca y los dedos de las manos a un ángulo anormal debido a la rigidez muscular. Reflejos tendinosos profundos y exagerados (el reflejo rotuliano y otros reflejos). Movimientos espasmódicos repetitivos (clono), especialmente al tocarlo o moverlo. Tijereteo (cruce de piernas como se cerrarían las puntas de unas tijeras). La espasticidad grave y prolongada puede conducir a la contractura de los músculos, lo cual puede reducir el rango de movimiento o dejar las articulaciones flexionadas. Una contractura se forma cuando los tejidos normalmente elásticos son reemplazados por tejido no elástico (que no estira) de apariencia fibrosa. Esto dificulta el estiramiento del área e impide el movimiento normal. Las contracturas se presentan principalmente en la piel, los tejidos subyacentes, los músculos, los tendones, los ligamentos y las áreas articulares. Las causas más comunes de esta afección son la cicatrización y la falta de uso debido a la inmovilidad o inactividad. Las contracturas afectan el rango de movimiento y la función en una determinada parte del cuerpo. Generalmente también se presenta dolor. 2.3 PÉRDIDA DE MASA MUSCULAR POR ATROFIA Los músculos están compuestos por miles de fibras musculares (Figura 2.5). Cada fibra es realmente un número de células individuales que se han unido durante el desarrollo y están encerradas por una membrana exterior. Las fibras musculares que componen los músculos individuales están unidas por tejido conjuntivo (NINDS, 2007). Figura 2.5 Pérdida de masa muscular por atrofia. Fuente: (Libro Verde, s.f.) Los músculos se activan cuando un impulso, o señal, se envía desde el cerebro por los nervios periféricos (los nervios que conectan al sistema nervioso central con los órganos sensoriales y los músculos) a la unión neuromuscular (el espacio entre la fibra nerviosa y el 26

27 músculo que activa). Allí, la liberación de la acetilcolina desencadena una serie de eventos que hacen que el músculo se contraiga. La membrana de la fibra muscular contiene un grupo de proteínas, llamadas complejo de distrofina glucoproteína, que evita el daño a medida que las fibras musculares se contraen y relajan. Cuando se daña esta membrana protectora, las fibras musculares comienzan a perder la proteína creatina cinasa (necesaria para producir las reacciones químicas que producen la energía para las contracciones musculares) y captan calcio excesivo, lo que causa más daño. Las fibras musculares afectadas finalmente mueren de este daño, llevando a la degeneración muscular progresiva. Aunque la distrofia muscular puede afectar a varios tejidos y órganos del cuerpo, afecta con mayor prominencia a la integridad de las fibras musculares. La enfermedad causa degeneración muscular, debilidad progresiva, muerte de la fibra, ramificación y división de la fibra, fagocitosis (en la cual el material muscular fibroso se descompone y se destruye por las células recolectoras de desechos), y, en algunos casos, el acortamiento crónico o permanente de tendones y músculos. Además, la fuerza muscular en general y los reflejos tendinosos están generalmente disminuidos o faltan debido al reemplazo del músculo por el tejido conjuntivo y la grasa. 2.4 CORRIENTES ELÉCTRICAS USADAS EN LA ELECTRO ESTIMULACIÓN Existen diferentes tipos de corrientes que son usadas en el campo de la electroterapia para curar diversas patologías, por esta razón es necesario saber el tipo de padecimiento para realizar una buena elección sobre el tipo de corriente que se debe utilizar. Las corrientes eléctricas pueden clasificarse de varias formas dentro del área de la electroterapia: según su metodología, según los efectos generados, según las frecuencias y según la forma (Rodríguez Martín, 2004) Según la metodología. En los equipos usados en la electroterapia, todas las corrientes se aplican de acuerdo a cuatro métodos regulables (Rodríguez Martín, 2004): Como pulsos aislados. En ráfagas o trenes. Frecuencia fija. Modulaciones o cambios constantes y repetitivos. 27

28 2.4.2 Según los efectos generados. En la electroterapia, básicamente se busca obtener en todas sus posibilidades efectos de (Rodríguez Martín, 2004): Cambios bioquímicos. Estimulo sensitivo en fibra nerviosa. Estimulo motor en fibra nerviosa o fibra muscular. Aporte energético para que el organismo absorba la energía y la aproveche en sus cambios metabólicos Según la frecuencia. Cuando se habla de la frecuencia de una corriente, se refiere a cada cuanto se cumple un periodo de la misma señal, para esto tenemos tres clasificaciones (Rodríguez Martín, 2004): Baja frecuencia: 0 a Hz (aproximadamente) Media frecuencia: a Hz Alta frecuencia: hasta el límite de las radiaciones no ionizantes en los ultravioletas tipo UV-A Según la forma. Para evitar dispersar las corrientes y tener que estudiarlas de una en una, podemos clasificar las corrientes en grandes grupos (Rodríguez Martín, 2004): Galvánica. Interrumpidas galvánicas. Alternas. Interrumpidas alternas Moduladas Galvánica. Una corriente galvánica o continua es un tipo de corriente constante durante todo su periodo, por lo que este tipo de corriente tiene una fase inicial en que la intensidad sube progresivamente hasta alcanzar el nivel deseado, seguidamente se estabiliza y mantiene en este nivel para luego bajar su intensidad progresivamente también hasta llegar a cero. En la Figura 2.6 se ejemplifica como sería una corriente galvánica (Rodríguez Martín, 2004). 28

29 Figura 2.6 Corriente Galvánica Corrientes Interrumpidas Galvánicas. Son todas aquellas que se encuentran conformadas por pulsos ya sean positivos o negativos, pero todos en el mismo sentido, es decir que solo tienen una polaridad. Los pulsos pueden tener diferentes formas, así como también diferente frecuencias, agrupados en trenes de pulsos, impulsos aislados, modulados o con una frecuencia fija. Se suelen encontrar mucho en baja frecuencia en las Figuras 2.7, 2.8, y 2.9 se muestran algunos ejemplos de este tipo de corrientes (Rodríguez Martín, 2004). Figura 2.7 Corriente Interrumpida Galvánica (Sinusoidal). 29

30 Figura 2.8 Corriente Interrumpida Galvánica (Trenes de Pulsos). Figura 2.9 Corriente Interrumpida Galvánica (Pulsos Aislados) Corriente Alterna. Estas reciben el nombre de alternas porque su característica principal se manifiesta en el constante cambio de polaridad. Este tipo de corrientes pueden ser sinusoidales, triangulares, cuadrangulares, incluso no ser periódicas como las antes ya mencionadas, ya que el único requisito es el cambio de polaridad. En algunos casos se les denomina bifásicas. En las figuras 2.10, 2.11 y 2.12 se muestran algunos ejemplos de este tipo de corrientes (Rodríguez Martín, 2004). 30

31 Figura 2.10 Corriente Alterna (Baja frecuencia). Figura 2.11 Corriente Alterna (Alta frecuencia). 31

32 Figura 2.12 Corriente Alterna (No periódica) Corrientes Interrumpidas Alternas. Aquí entran un gran conjunto de corrientes no muy bien definidas y que son difíciles de clasificar, pero que normalmente consisten en aplicar unas pequeñas interrupciones a una alterna para generar pequeñas ráfagas denominados pulsos. Esta tipo de corrientes son muy comúnmente usadas en magnetoterapia, alta frecuencia, media frecuencia. En las Figuras 2.13 y 2.14 se muestran algunos ejemplos de este tipo de corrientes (Rodríguez Martín, 2004). Figura 2.13 Corriente Interrumpida Alterna. 32

33 Figura 2.14 Corriente Interrumpida Alterna Corrientes Moduladas. Las corrientes moduladas son las que sufren cambios constantes durante toda su sesión. Estas pueden llegar a pertenecer al grupo de las interrumpidas galvánicas o al de las alternas. Las modulaciones más habituales son las de amplitud, las modulaciones en frecuencia y las modulaciones en anchura de pulso. En la Figura 2.15 se muestra el ejemplo de estas (Rodríguez Martín, 2004). Figura 2.15 Modulación en amplitud (AM) y Frecuencia (FM). Fuente: (IRE, 1936) 33

34 2.5 SEGURIDAD Definición de equipo médico. Equipo eléctrico, provisto de no más de una conexión fuente de alimentación, cuyo propósito sea diagnóstico, tratamientos o monitoreo de pacientes bajo supervisión médica. Y que mantenga contacto físico o eléctrico con el paciente, y/o transfiera energía hacia o desde el paciente y/o detecte dicha energía transferida hacia o desde el paciente Choque Eléctrico. Sub cláusula , IEC Cuando la corriente pasa a través del cuerpo humano, el efecto que origina se llama Choque Eléctrico. El choque eléctrico se puede dar de forma accidental debido a un mal diseño del equipo, fallas eléctricas, error humano o a una combinación de circunstancias desafortunadas. El aspecto letal del choque eléctrico está en función de la cantidad de corriente que pasa a través del cuerpo y del tiempo. No depende sólo del valor del voltaje aplicado. Puede ser tan mortal un choque de 100V como uno de 1000V. La severidad de un choque eléctrico varía algo con la edad, sexo y condición física de la víctima. Pero, en general, el nivel de corriente necesario para matar a cualquier ser humano es notablemente bajo. Debido a ello, se debe tener siempre extremo cuidado para evitar choques eléctricos (Wolf & Smith, 1992). Figura Efecto de varios niveles de corriente en el cuerpo humano. Intensidad de Corriente - Contacto durante 1 segundo Efecto 1 ma Umbral de percepción. 5 ma Intensidad máxima de corriente aceptada como inofensiva ma Corriente a la que se puede soltar una persona electrificada, antes de una contracción muscular sostenida. 50 ma Dolor. Posible inconsciencia, desvanecimiento, lesiones mecánicas. Continúan funciones del corazón y respiratorias ma Comienza la fibrilación ventricular, pero el centro respiratorio permanece intacto. Contracción sostenida del corazón seguida de ritmo cardiaco 6 Amp normal. Parálisis respiratoria temporal. Quemaduras si la densidad de corriente es alta. (Wolf & Smith, 1992) 34

35 3. ESTADO DEL ARTE 3.1 HISTORIA DE LA ELECTRO ESTIMULACIÓN La fisioterapia ha utilizado, tradicionalmente, diversos tipos de terapias que se remontan desde tiempos hipocráticos, dentro de los que se incluyen elementos de origen natural, como el agua, el calor, el frio, entre otros. A partir de los descubrimientos de la física, esta terapia de tipo natural paso a incorporar agentes físicos producidos artificialmente como los son la electricidad, el ultrasonido, las microondas, el láser, etc., es así como se reporta el uso de la electroterapia desde el siglo XVIII, lo cual evidencia que la utilización de la electricidad como agente terapéutico no es reciente (MARTÍNEZ MATHEUS, 2006). Respecto a esto se reportaron varios estudios tanto clínicos como experimentales, los cuales intentaban demostrar la eficacia de esta para aliviar el dolor, incrementar la fuerza muscular, recuperación muscular, entre otras. Se dice que el uso de la electricidad en la electroterapia nace alrededor del año 400 a. C., con el uso del pez torpedo, el cual tenía la capacidad de producir choques eléctricos, y estos eran usados por los médicos de la época para aliviar el dolor, tratar la artritis, el asma y las hemorroides (MARTÍNEZ MATHEUS, 2006). Ya en el siglo XVIII, Luigi Galvany demostró que al pasar una corriente eléctrica a través de la medula espinal de una rana se podían obtener contracciones musculares. Ya que estos experimentos se realizaron sobre ranas que ya no tenían vida, y estas conservaban su capacidad contráctil cuando eran atravesadas por una corriente eléctrica, se planteó que de algún modo los seres vivos generan este tipo de corriente para poder moverse y actuar de forma voluntaria en el mundo (I-TECH, MEDICAL DIVISION, 2014). Los diversos avances que se van dando confluyen y poco a poco emerge la posibilidad de utilizar la electroterapia como una terapia física realmente útil, como producto de esta ardua investigación aparecen nuevos tipos de corrientes, como las interferenciales, diadinámicas, Iontoforesis. Además de esto el conocimiento de la neurofisiología avanza a pasos agigantados, se descubre el modo en que los músculos reaccionan de forma más eficaz a los impulsos eléctricos, se descubre la importancia de las frecuencias en la estimulación de las fibras musculares rápidas y lentas (I-TECH, MEDICAL DIVISION, 2014). La tecnología avanza, el control y ajuste de los equipos es cada vez mejor, los primeros electro-estimuladores que se construyeron, llegaron a pesar hasta 20 kilogramos, hoy en día para obtener los mismos o mejores resultados de aquellos electro estimuladores, se 35

36 pueden encontrar equipos portátiles ultraligeros que caben en la palma de la mano y que no pasan de algunos gramos de peso. 3.2 EQUIPOS PARA ELECTROTERAPIA ACTUALES Actualmente en el mercado existen muchas empresas que diseñan y fabrican diversos tipos de electro-estimuladores. En el mercado existen dispositivos los cuales generan distintos tipos de corrientes, con diversas frecuencias y formas, también existen equipos que son portables a diferencia de otros, y la principal diferencia entre estos radica en su tamaño, peso, y fuente de alimentación. Como se puede apreciar existen diversos tipos de dispositivos, algunos ofrecen más aplicaciones que otros, por su misma diversidad existen desde los más sencillos hasta los más complejos I-Tech Physio. Este es un dispositivo profesional con una amplia gama de protocolos para el tratamiento del dolor, rehabilitación muscular y estética. El dispositivo cuenta con una pantalla gráfica de 2 canales, 2 cables de conexión para la transmisión de los impulsos eléctricos, 2 cables divisores para duplicar el área de cobertura de los electrodos, electrodos adhesivos pregelificados, un kit de iontoforesis (electrodos de silicona, esponja porta electrodos, banda elástica de fijación de los electrodos), una batería recargable extraíble, un cargador, el manual de usuario y el manual de posicionamiento de los electrodos (I-TECH, PHYSIO, 2014). Figura 3.1 Electro-estimulador I-TECH PHYSIO (I-TECH, PHYSIO, 2014) 36

37 Figura 3.2 Kit completo de Electro-estimulador I-TECH PHYSIO Características: (I-TECH, PHYSIO, 2014) 2 canales independientes Onda Cuadrada bifásica compensada Onda Cuadrada monofásica Onda interferencial, Kotz Dispositivo programable Intensidad máxima de 200 mapp Pantalla retro iluminada Clip de cinturón Batería interna recargable de Ni-Mh con nueva tecnología LL (long-lasting) a baja auto descarga Certificación CE0476 de Dispositivos Médicos. 86 programas predefinidos y 13 memorias libres para configurar nuevos programas. 37

38 3.2.2 BTL El equipo de electroterapia BTL-5620 está provisto de un gran número de protocolos de tratamientos pre-programados (pero modificables por el usuario) y hasta 500 protocolos libres a definir por el usuario. Cuenta además con 50 programas secuenciales, posibilidad de modificar cualquier parámetro sin interrumpir el tratamiento y además se puede combinar con una unidad de vacío o de ultrasonidos BTL. En el equipo se incluyen cables de conexión de electrodos, los cables de paciente, electrodos de 70x50 mm, esponjas para electrodos, un juego de cintas de sujeción para electrodos y el lápiz táctil (SANRO, 2013). Figura 3.3 Electro-estimulador BTL-5620 (SANRO, 2013) 38

39 Características: 2 canales, con pantalla táctil para un fácil y cómodo manejo 2 canales independientes Amplia pantalla táctil color de 5,7 Protocolos pre-programados Protocolos definidos por el usuario Enciclopedia terapéutica Base de datos incorporada Único sistema modular, con opción a actualizaciones futuras Identificación, mantenimiento y chequeo de accesorios Incluye los más importantes rangos de corrientes de baja y media frecuencia y sus modificaciones: Galvánica, Di adinámica, Trabert 2-5, Farádica, Estimulación rusa, Pulsos cuadrados, Pulsos Rectangulares, Interferenciales de 2 y 4 polos, Pulsos triangulares, Pulsos exponenciales con rampa, Pulsos combinados y secuenciales. Chequeo de calidad de electrodos y cables de paciente Posibilidad de conexión con la unidad de vacío BTL Selección de color del marco Opción HVT (Terapia de alto voltaje) Conexión con la PC Equipo multilenguaje Carro BTL 39

40 40

41 4. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA COMPUTACIONAL PARA LA ELECTRO ESTIMULACIÓN MUSCULAR 4.1 DISEÑO DEL SISTEMA COMPUTACIONAL El sistema computacional propuesto en el presente trabajo consta de cuatro partes fundamentales, como se muestra en la Figura 4.1. La primera es la interfaz usuario máquina, la cual se encuentra conformada por un ordenador (Raspberry Pi modelo B) como se muestra en las Figuras 4.3 y 4.4, un monitor con entrada HDMI/RCA, un teclado y un mouse con conexión por cable USB, ver la Figura 4.1. La segunda es una red de comunicación RS 485 por la cual se comunica la interfaz de usuario con los diferentes módulos que conforman el dispositivo donde se envía la parametrización de las distintas señales, ver Figura La tercera está conformada por módulos, los cuales están encargados de generar los pulsos de corriente que se requieren para electro estimular a los pacientes. Estos módulos a su vez están conformados por cuatro partes. La primera es un micro controlador, ver Figura 4.5, encargado de interpretar la información suministrada por el usuario por medio de la interfaz, ver Figura 4.16, y determinar qué tipo de acciones debe realizar cada uno de los esclavos o módulos, según las variables de frecuencia, tipo de señal y reposo. La cuarta es la etapa amplificadora, ver Figura 4.15, la cual recibe la señal generada por el micro controlador con el fin de aumentar el nivel de la misma y obtener una tensión alta a la salida, permitiendo que la corriente no disminuya con la impedancia del cuerpo humano. 41

42 Figura 4.1 Diseño del sistema computacional. 42

43 4.2 IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE DEL SISTEMA EMBEBIDO Elección del sistema computacional. Para implementar la interfaz gráfica, la cual ha de manipular el electro estimulador muscular, se requiere de un sistema computacional para correr dicho programa. Ya que el lenguaje de programación es java y este puede ejecutar en cualquier sistema operativo, en una primera instancia se optó por el uso de un computador convencional; pero hubo un inconveniente al elegir este, ya que no sería portable el dispositivo, y cada vez que se quisiera utilizar en un computador distinto se tendría que instalar java y el programa diseñado en este lenguaje que contiene la interfaz de usuario. Teniendo en cuenta esto, se requiere de un sistema computacional de bajo costo y que pudiese correr la interfaz de usuario, sin necesidad de tener que instalar java y el programa constantemente; en vez de esto ya vendrían instalados con el dispositivo. Dentro de los sistemas computacionales que cumplían con estos requisitos, encontramos dos: El pcduino y la Raspberry Pi pcduino. El pcduino (Figura 4.2) es un sistema computacional que cumple con todos los requisitos expuestos, cuenta con una salida de video, un puerto Ethernet, trae a Linux (Ubuntu) como sistema operativo y cuenta con interfaces seriales como la UART e I2C para comunicarse con otros dispositivos, además cuenta con un procesador potente para ser un sistema computacional de bajo costo. Figura 4.2 Tarjeta de sistema computacional pcduino. Fuente: (pcduino, s.f.) 43

44 Características: 1GHz ARM Cortex A8 CPU GPU: OpenGL ESS2.0, Open VG 1.1 Mali 400 Core 1GB DRAM Onboard Storage: 2GB Flash, micro SD card (TF) con Slot para aumentar a 32GB Arduino-Style Peripheral Headers Salida de video HDMI Soporta Linux Ubuntu Spaced GPIO Headers Puerto Ethernet RJ45 Alimentación: 2A a 5VDC API para acceder a las siguientes interfaces: UART, ADC, PWM, GPIO, I2C Programación en C y C++ con el GNU Programación en Java con el SDK estándar de Android Raspberry Pi. Por otro lado la Raspberry Pi Modelo B (Figura 4.3 y 4.4) cuenta con dos salidas de video una RCA y otra HDMI, una salida de audio Jack, también tiene puerto Ethernet, igual que la pcduino corre Linux pero a diferencia de este es uno diseñado especialmente para la Raspberry Pi (Raspbian), como interfaces seriales cuenta con una UART, una I2C y un SPI para comunicarse con otros dispositivos, en cuanto al procesador hemos de decir que no es igual potente que el de la pcduino, pero no por esto deja de ser un buen procesador. 44

45 Figura 4.3 Tarjeta de sistema computacional Raspberry PI/Modelo B. Fuente: (Foundation, Raspberrypi, s.f.) Figura 4.4 Componentes de la Raspberry PI/Modelo B. Fuente: (Foundation, Raspberrypi, s.f.) 45

46 Características: 700MHz ARM11 BROADCOM BCM MB de RAM Slot para SD card con capacidad de hasta 32GB Salida de video RCA Salida de video HDMI Salida de audio Jack Puerto Ethernet RJ45 2 puertos USB 2.0 Alimentación: 1A a 5VDC Programación en Python (software ya instalado) Comparación de los sistemas computacionales respecto a las exigencias del prototipo. De acuerdo a los sistemas computacionales referenciados en los ítems y , se tiene que son dispositivos que cumplen con los requerimientos para ser utilizados en la aplicación y en la Figura 4.5 se exponen sus especificaciones técnicas las cuales son muy similares pero la diferencia más relevante se evidenció en el costo donde el precio de la Raspberry Pi Modelo B (Seleccionada) respecto a la pcdiuno estaba por debajo en un 25%. Figura Especificaciones técnicas sistemas computacionales. SBC (Single Board Computer) Raspberry Pi Modelo B pcdiuno Exigencias del Prototipo Salida de Audio Conector de 3.5 mm, HDMI HDMI NO APLICA Salida de Video HDMI, RCA HDMI Salida de Video Conectividad de red Ethernet (RJ-45) Ethernet (RJ-45) Conexión a Internet CPU ARM 0,7 GHz ARM 1 GHz Frecuencia mínima: 0,3 GHz OS LINUX, RISC OS LINUX, ANDROID Sistema Operativo para ejecutar Interfaz de usuario (JAVA) Periféricos GPIO, SPI, UART, I2C UART, ADC, PWM, GPIO, I2C, SPI UART Memoria Flash NO 2 GB NO APLICA Memoria Externa Slot SD Card hasta 32 GB Slot SD Card hasta 32 GB Capacidad mínima: 500 MB Puerto USB

47 4.2.3 Etapa generadora de señales. Una de las partes más importantes del dispositivo es la etapa encargada de generar las señales de corriente que se le van a aplicar al paciente. Para esto se requiere de ciertos componentes que permiten generar dichas señales; el principal, un micro-controlador que nos permita generar dichas señales y enviarlas a la etapa amplificadora para así ser aplicadas a los pacientes. El micro controlador seleccionado para desempeñar esta tarea es el PIC18F24K22 debido a que, consta de un puerto USART para la comunicación serial y de un puerto para la conversión digital a análoga o DAC que es por donde se dará salida a las señales parametrizadas, sin esto, sería necesario adquirir un módulo DAC externo para que sea conectado al micro controlador y cumpla con dicha función. Es un integrado de 28 pines el cual podemos ver en la Figura 4.5. Figura 4.6 Micro Controlador PIC18F24K22. Fuente: (Microship, Microship) Para diseñar hardware de la etapa generadora de señales, se debe tener en cuenta tres puntos; primero los pines para la comunicación serial del PIC, segundo el pin designado para la señal de salida y por último los pines de alimentación, adicional a esto se ha decidido implementar unos LED para indicar que tipo de señal se está generando en cada uno de los módulos disponibles a la salida (Figura 4.6). Como se puede observar en la Figura 4.7 (Diseño de PCB en EAGLE) se ha designado pines tipo headers, para conectar la alimentación del circuito y la comunicación serial del mismo. 47

48 Figura 4.7 Diseño del PCB (Tarjeta de Circuito Impreso) en EAGLE. 48

49 Figura 4.8 Esquemático de la etapa generadora de señales. 49

50 4.2.4 Etapa de comunicación. Para comunicar la interfaz de usuario con la etapa generadora de las señales, se requiere de una interfaz que comunique estas dos. Para realizar esto, se tiene dos tipos de interfaz que ofrece tanto la Raspberry PI como el PIC; entre estos están la UART, el I2C y el SPI. Ya que es necesario conectar varios equipos a la Raspberry y que estos trabajen como sus esclavos, se necesita realizar una red que permita tener todos estos dispositivos escuchando lo que el maestro dice al mismo tiempo. Con una red SPI se puede tener una red como la requerida, pero con una limitante, y es que la Raspberry solo puede tener 2 esclavos conectados a la red SPI. Por otro lado, con una red RS 485 utilizando la UART se puede tener hasta 256 esclavos conectados a la red. Por esta razón se decide implementar una red RS 485 para comunicar la interfaz de usuario con la etapa generadora de señales. Figura 4.9 MAX485. Fuente: (Maxim) Como la Raspberry y el PIC operan a niveles TTL para la comunicación Serial, se debe diseñar un conversor de TTL a RS 485, por lo que es necesario usar un MAX485 para realizar esta conversión (Figura 4.8). Además se añade un LM555 a este (Figura 4.9), para que estos realicen la lectura automáticamente cuando llega un dato, de esta manera todos los esclavos leen la información suministrada por el maestro, y la selección se hará por software, en donde solo el esclavo seleccionado realizara lo indicado. 50

51 Figura 4.10 LM555. Fuente: (Fairchild) Uno de los aspectos importantes a tener en cuenta es que se deben conectar las tierras de cada uno de los integrados MAX485, en este caso se conectó por medio de resistencias de 100 Ω; cabe mencionar que sin esta conexión no habría comunicación o se tendrían inconvenientes por lo que se recomienda el uso de esta en el circuito. De la misma manera se recomienda usar al inicio de la red dos resistencias de 560Ω una conectada desde A a Vcc, y la otra desde B a Gnd; estas dos resistencias se encargan de reducir las reflexiones de tensión que podrían causar que el receptor malinterprete los niveles lógicos de la comunicación. Y entre A y B una resistencia de 120Ω y otra del mismo valor al final de la red, con el fin de evitar que la diferencia de tensiones entre A y B sea muy grande; ya que entre más dispositivos se agreguen a la red esta diferencia empieza a incrementar, pero si se agregan estas dos resistencias en paralelo, una al inicio y otra al final de la red, se minimiza la probabilidad de un error en la trama de comunicación. De acuerdo a esto en la Figura 4.10 se muestra el esquemático de la red con la cual se puede trasmitir los distintos comandos a cada uno de los esclavos (Axelson, 1999). Ahora para efectos de generalizar el diseño de los circuitos se decide realizar dos tipos de tarjetas una que realizara la conversión de TTL a RS 485 y otra que será la red RS 485 donde se conectaran tanto el maestro como los esclavos. En las Figuras 4.11, y 4.14, se muestran tanto los esquemáticos como el diseño del circuito impreso (PCB) de los mismos. 51

52 Figura 4.11 Red de comunicación. Fuente: (Axelson, Designing RS-485 Circuits, 1999) 52

53 Figura 4.12 Esquemático conversor TTL a RS

54 Figura 4.13 PCB conversor TTL a RS-485. Figura 4.14 Esquemático Red RS

55 Figura 4.15 PCB Red RS

56 4.2.5 Etapa amplificadora. Ya que la salida de la etapa generadora de señales no tiene la suficiente intensidad para estimular los músculos, es necesario diseñar para ello una etapa amplificadora. Básicamente esta etapa debe elevar la tensión de salida para así mantener el nivel de intensidad que genere estimulación muscular. De esta forma se requiere de un transformador de voltaje conectado en forma de elevador. En la Figura 4.15 se muestra un esquema general del circuito que permite aumentar esta tensión de salida. Figura 4.16 Circuito amplificador. El circuito consta de una batería la cual será la fuente de alimentación para la etapa amplificadora, la batería está conformada por 4 pilas AA que entregan 1,5V cada una para un total de 6A. Además de un transistor 2N2222a el cual solo permite el paso de la corriente al saturarse por el voltaje suministrado por el microcontrolador en su base, y la tensión de salida es controlada mediante el potenciómetro de 50KΩ, y al final tenemos dos puntos de salida los cuales generan la estimulación muscular. Cuando el microcontrolador envía la señal de salida esta hace que se sature el transistor 2N2222a, cada vez que la señal sobrepasa 5V, este a su vez energiza el transformador, el cual se encuentra conectado en forma amplificadora, con lo que se logra elevar el voltaje suministrado por la batería de 6V hasta un máximo de 120V. A la salida del transformador se conecta un condensador de 47nF para limpiar la señal. Como esta señal a la salida del trasformador es bipolar, se conecta un diodo en paralelo a este para dejarlo con una sola polaridad, la resistencia de 47KΩ se encarga de bajar la tensión de salida de 120V a un 56

57 máximo de 80v y el potenciómetro de 50kΩ me permite graduar esta tensión para disminuirla o aumentarla en el rango de 20v-80v. 4.3 IMPLEMENTACIÓN DEL SOFTWARE DEL SISTEMA EMBEBIDO En el presente capítulo, se explicará, describirá y mostrará las diferentes ideas y complicaciones que se obtuvieran durante la implementación del software del sistema embebido. También se mostraran tanto las pruebas de funcionalidad como las pruebas de concurrencia realizadas para garantizar la correcta funcionalidad del software del sistema embebido Interfaz de usuario. Todo dispositivo que haya sido desarrollado para realizar una acción que deba ser contralada de manera externa, debe incluir una interfaz de usuario, ya sea una interfaz de hardware o de software. Para el caso de este proyecto, se realiza una interfaz en software ya que es mucho más agradable y fácil de manipular para el usuario, además que permite más versatilidad para futuras mejoras, en la Figura 4.16 se puede apreciar. Figura 4.17 Interfaz de usuario. 57

58 Se eligió la Raspberry Pi de acuerdo a las diversas comparaciones realizadas en la sección 4.2.2, una de estas fue porque uno de sus sistemas operativos Raspbian, nos permite instalar la máquina virtual de java para realizar una interfaz gráfica, esto gracias a que Raspbian es un sistema operativo basado en Linux. Por lo que teniendo la máquina virtual de Java lo único que necesitaremos será un entorno de desarrollo para realizar dicha interfaz gráfica Lenguaje de programación y entorno de desarrollo. Existen diversos lenguajes de programación tanto de alto como de bajo nivel con los cuales podemos realizar interfaces gráficas, en esta sección nos centraremos en los 3 más usados en conjunto con la Raspberry Pi: Python Phyton es un lenguaje de programación flexible y poderoso, que puedes usar en desarrollo web, para escribir interfaces graficas de usuario (GUI), crear juegos, entre otras cosas. Sus principales características son: Lenguaje de alto nivel, lo que quiere decir que leer y escribir en Phyton es realmente fácil; ya que todas sus instrucciones están en inglés, y sus instrucciones hacen de este lenguaje muy intuitivo, como si estuvieras hablando con la máquina. Es orientado a los objetos, por lo que los usuarios podemos manipular estructuras de datos llamadas objetos, para construir y ejecutar programas. En la página web de la Python Software Foundation (Python, s.f.), se encuentra una gran cantidad de información acerca de este lenguaje de programación, además de algunos ejemplos, tutoriales y hasta un IDE (Interface de desarrollo) especialmente creada para este lenguaje. C++ Es un lenguaje de programación diseñado a mediados de los años 1980 por Bjarne Stroustrup en los laboratorios Bell. La finalidad de su creación fue extender al exitoso lenguaje de programación C con mecanismos que permitan la manipulación de objetos. En ese sentido y desde el punto de vista de los lenguajes orientados a objetos, el C++ es un lenguaje híbrido, el cual permite usar tanto la técnica de programación estructurada como la orientada a objetos. Algunas ventajas que nos presenta este lenguaje son: 58

59 Se elimina el uso de punteros, en C++ no se necesitan; no hay que preocuparse por archivos de cabecera.h ; no importa el orden en que hayan sido definidas las clases ni las funciones; no hay necesidad de declarar estas funciones y clases antes de definirlas; no existen las dependencias circulares; soporta definición de clases dentro de otras; no existen funciones, ni variables globales, todo pertenece a una clase; todos los valores son inicializados antes de ser usados; no se pueden usar valores no booleanos. Cplusplus (Cplusplus, s.f.), es una página web la cual posee tutoriales, artículos, referencias, foros y una gran cantidad de información acerca del lenguaje C++, como por ejemplo su historia, que es en si el lenguaje C++, y algunas preguntas frecuentes. Java (Seleccionado): Java es un lenguaje de programación de propósito general orientado a objetos desarrollado por Sun Microsystems. También se puede decir que Java es una tecnología que no sólo se reduce al lenguaje sino que además provee de una máquina virtual Java que permite ejecutar código compilado Java, sea cual sea la plataforma que exista por debajo tanto hardware, como software (el sistema operativo que soporte ese hardware). El apoyo a esta tecnología viene dado por la gran cantidad de fabricantes que respaldan esta especificación de máquina virtual. Oracle (Oracle, Oracle, s.f.), la empresa que desarrollo el lenguaje java, ofrece una gran cantidad de información acerca de este lenguaje en su página web (Oracle, Java Documentation), e inclusive brinda al público una serie de tutoriales para aprender a usarlo paso a paso Razones para escoger java sobre otros lenguajes. Es orientado a objetos: si bien existen detractores de esta modalidad, la programación orientada a objetos resulta muy conveniente para la mayoría de las aplicaciones, y es esencial para los videojuegos. Entre las ventajas más evidentes que ofrece se encuentra un gran control sobre el código y una mejor organización, dado que basta con escribir una vez los métodos y las propiedades de un objeto, independientemente de la cantidad de veces que se utilicen. Es muy flexible: Java es un lenguaje especialmente preparado para la reutilización del código; permite a sus usuarios tomar un programa que hayan desarrollado 59

60 tiempo atrás y actualizarlo con mucha facilidad, sea que necesiten agregar funciones o adaptarlo a un nuevo entorno. Funciona en cualquier plataforma: a diferencia de los programas que requieren de versiones específicas para cada sistema operativo (tales como Windows o Mac), las aplicaciones desarrolladas en Java funcionan en cualquier entorno, dado que no es el sistema quien las ejecuta, sino la máquina virtual (conocida como Java Virtual Machine o JVM). Su uso no acarrea inversiones económicas: programar en Java es absolutamente gratis; no es necesario adquirir ninguna licencia, sino simplemente descargar el kit de desarrollo (Java Development Kit o JDK) y dar riendas sueltas a la imaginación. Es de fuente abierta: Java ofrece el código de casi todas sus librerías nativas para que los desarrolladores puedan conocerlas y estudiarlas en profundidad, o bien ampliar su funcionalidad, beneficiándose a ellos mismos y a los demás. Es un lenguaje expandible: continuando con el punto anterior, cada programador tiene la libertad de revisar y mejorar el código nativo de Java, y su trabajo puede convertirse en la solución a los problemas de muchas personas en todo el mundo. Infinidad de desarrolladores han aprovechado esta virtud del lenguaje y continúan haciéndolo Base de datos en Ubidots. Para llevar un registro de los distintos tratamientos aplicados a los pacientes se debe implementar una base de datos, en la cual se albergan los datos relevantes al tratamiento aplicado a cada paciente, entre ellos el tipo de señal, la frecuencia y el tiempo de reposo. Si bien existen distintos tipos de bases de datos las cuales se podrían implementar en conjunto con la plataforma de Java, se implementó una base de datos en la nube haciendo uso de Ubidots (Figura 4.17). Ubidots es una empresa la cual ofrece una interfaz amigable e intuitiva en donde es posible interactuar con una gran variedad de dispositivos, desde un teléfono celular o un computador, hasta un sistema embebido como lo es la Raspberry. En pocas palabras, Ubidots es una plataforma que permite enlazar distintos tipos de dispositivos a una base de datos en la nube y guardar las variables que puedan presentar cada uno de estos de una manera sencilla y rápida. Además de que se puede generar alertas que se envían al correo electrónico o por mensajes de texto. Por ejemplo se podría tener un sensor de temperatura conectado a la Raspberry, y en este enviar la temperatura actual dada por el sensor cada 10 segundos. Con lo cual se tendría en la base de datos de ubidots una variable que indica la temperatura, mostraría una tabla con 60

61 el tiempo y la temperatura de cada lectura y una gráfica que muestra cómo ha cambiado esta variable en el tiempo. Uno de los aspectos que impulso a usar una base de datos en la nube, es que no se depende de un solo dispositivo para tratar a un paciente. Por ejemplo si se tuviese una base de datos ligada al software todos los pacientes tendrían que ser tratados en el mismo dispositivo ya que allí es donde está la base de datos. Pero con una base de datos en la nube no importa que dispositivo se utilice, donde el dispositivo simplemente envía la información a la base de datos e inclusive se podría tratar varios pacientes al mismo tiempo y actualizar esta base de datos desde distintos dispositivos sin ningún problema. Ahora, para el caso del presente proyecto se necesita albergar a cada uno de los pacientes en esta base de datos, para ello en la interfaz implementada (Figura 4.18), en la sección encerrada en rojo, se introducen los nombres y apellidos del respectivo paciente sin importar si es su primera vez o si ya se le han aplicado tratamientos ya que el software busca si ya existe el paciente en la base de datos, de ser así simplemente envía los datos del tratamiento aplicado a este, de no ser así se creara el paciente en la base de datos con los datos del primer tratamiento. Figura 4.18 Inicio de la plataforma Ubidots. 61

62 Figura 4.19 Ingreso de pacientes a la base de datos. En cuanto a los datos del tratamiento tenemos 3 variables que son: el tipo de señal, la frecuencia y el tiempo de reposo. Estas variables están asociadas a cada paciente como se mencionó en esta sección. En las Figuras 4.19, 4.20 y 4.21 podemos observar la base de datos de los pacientes y sus respectivas variables. Así mismo, existe la sección dentro de la interfaz de usuario para realimentar el sistema con las mediciones realizadas por el especialista sobre los perímetros corporales desde el inicio del proceso, los cuales se eligieron de acuerdo a las referencias obtenidas por el equipo médico en cuanto a las áreas más tratadas en el campo de rehabilitación física (Figura 4.18), de cada uno de los pacientes que ingresen en este tratamiento, con el fin de poder evaluar el progreso de recuperación de los mismos a través del tiempo. 62

63 Figura 4.20 Base de datos pacientes en Ubidots. Figura 4.21 Datos del tratamiento al paciente. 63

64 Figura 4.22 Grafica del comportamiento de las variables Desarrollo del software para el micro controlador. Para el desarrollo de este programa se plantea inicialmente las tareas que debería realizar el microcontrolador, para realizar un diagrama de flujo que permita llevar un orden en dicho lenguaje de programación y en cualquier otro que se quisiera realizar. En una primera instancia se debe tener en cuenta las principales tareas que el microcontrolador debe realizar, donde tendrá que comunicarse con el maestro, recibir los datos enviados por este, actualizar las variables correspondientes y generar el tipo de señal requerido. Por lo anterior se puede deducir que tendría tres tareas principales: Comunicar (El microcontrolador con el maestro, en este caso la Raspberry). Actualizar (Los datos enviados por el maestro, modulo, tipo de señal, frecuencia, reposo). Generar (Los distintos tipos de señales según las órdenes del usuario, Cuadrada, Rectangular, Ráfaga). En el siguiente diagrama de flujo (Figura 3.22) se puede observar el bucle principal del programa del microcontrolador, el cual consta de las inicializaciones, actualización y generación de las señales constantemente. 64

65 Figura 4.23 Diagrama de flujo bucle principal. INICIO INICIALIZACIONES ACTUALIZAR GENERAR Comunicación Serial. Tal como se explicó en el ítem 3.2.3, la comunicación es una de las tareas más importantes que realiza el microcontrolador, ya que está es la encargada de recibir la información suministrada por el usuario desde la interfaz. Pero debemos tener en cuenta que no es una labor que se ejecuta constantemente, es por esta razón que no va incluida en el bucle principal. Debido a que, es una tarea que se activa cada vez que el maestro envía una nueva instrucción por el puerto serial, por lo tanto se incluye en el vector de interrupción del microcontrolador. Dicho vector se ejecuta única y exclusivamente cuando ocurre una eventualidad que puede generarse con la activación o uso de la USART, los TIMER, los PERIFÉRICOS, etc., por eso es necesario consultar en el vector de interrupción por la bandera que nos compete, la cual para este caso es la de la comunicación serial (USART). De acuerdo a lo anterior, se implementa el algoritmo respectivo dentro del vector de interrupción con la finalidad de capturar las instrucciones enviadas por el usuario para que sean después procesadas por el microcontrolador. En el diagrama de flujo (Figura 3.23) podemos observar cómo se obtienen los datos de la trama enviada, donde el carácter terminador suministrado por el maestro es el asterisco (*). 65

66 Figura 4.24 Diagrama de flujo interrupción. INTERRUPCION AKN = 0 Dato_RX = Dato; SI Tipo = Dato_RX; NO Dato_RX = * SI Contador = 2 AKN = \0 ; Contador = 0; Dato_TX = OK- NO NO SI SI AKN = 0 NO Dato_RX = - SI Frecuencia = Dato_RX; NO SI NO AKN = \0 ; Contador = 0; Contador = 2 SI Contador = 0 AKN = 0 SI NO SI Reposo = Dato_RX; NO Dato_RX = Seleccion_Modulo NO NO Contador ++; SI Modulo = Dato_RX; AKN = 0; AKN = 1; RETURN Contador = 1 66

67 Actualización de Datos. Al haber obtenido las instrucciones del usuario, se debe actualizar las variables que competen a la generación de las señales, si así lo ha indicado el usuario. Entre estas variables están: Módulo: el cual nos permite saber si debemos actualizar los datos obtenidos o continuar con lo que se lleva, ya que todos los esclavos reciben la información, estos van codificados de manera que si el maestro indica que la información es para el esclavo 2, ninguno de los otros esclavos realiza cambios en sus tareas. Tipo: esta nos permite saber qué tipo de forma de onda se quiere generar, 0 para una onda cuadrada, 1 para una onda rectangular y 2 para una onda tipo ráfaga. Frecuencia: variable por medio de la cual indicamos la frecuencia que tendrá nuestra onda, para el dispositivo hemos determinado un rango de frecuencias entre 1Hz hasta 150Hz, que son un rango de frecuencias que abarcan distintos tipos de patologías tratadas en electroterapia. Reposo: esta variable solo afecta a las formas de onda tipo 1 y 2, es decir la rectangular y la tipo ráfaga, ya que la cuadrada lleva el mismo tiempo en alto y en bajo, mientras que en las otras dos el tiempo de reposo puede variar. De acuerdo a estos datos se modifican el tiempo alto (TH) y el tiempo bajo (TL) de cada una de nuestras ondas, por ejemplo para la onda cuadrada su tipo es 0 y de acuerdo con la frecuencia se calcula su tiempo alto y tiempo bajo que en este caso serían el mismo por ser una onda tipo cuadrada. Para el caso de las ondas rectangulares y las de tipo ráfaga según la frecuencia y el reposo se calculan el tiempo alto y el tiempo bajo. En el siguiente diagrama (Figura 3.24) se puede observar el esquema básico de la actualización de los datos. 67

68 Figura 4.25 Diagrama de flujo actualizar. ACTUALIZAR TIPO=0 SI Actualizar_Periodo; Actualizar_Tiempo_En_Alto; Led0_ON; Led1_OFF; Led2_OFF; NO TIPO=1 SI Actualizar_Periodo; Actualizar_Tiempo_En_Alto; Actualizar_Tiempo_En_Bajo; Led0_OFF; Led1_ON; Led2_OFF; NO TIPO=2 SI Actualizar_Periodo; Actualizar_Tiempo_En_Alto; Actualizar_Tiempo_En_Bajo; Actualizar_Tiempo_Reposo; Led0_OFF; Led1_OFF; Led2_ON; NO RETURN 68

69 Generación de Ondas. Para esta tarea es necesario saber cuál es el tipo de onda que se va a generar, este dato es suministrado por el usuario desde una interfaz gráfica y llevado hasta el microcontrolador como se explicó en la sección de comunicación serial. Ahora de acuerdo al tipo de señal a generar y a las variables actualizadas anteriormente, se realizan ciertas acciones características que determinan la forma de onda de cada una de estas. Por ejemplo para la señal de tipo cuadrada, de acuerdo a su frecuencia en la subrutina de actualizar se genera un determinado tiempo en alto y bajo, los cuales en la tarea generar pasan a ser unos tiempos de espera entre los cuales alterna la salida del microcontrolador entre alto y bajo, de esta forma generando una forma de onda cuadrada a su salida. Si se observa el diagrama de flujo (Figura 3.25), vemos en detalle cómo se generan cada una de estas dependiendo del tipo de señal como se explicó antes. Figura 4.26 Diagrama de flujo generar. GENERAR TIPO=0 SI Generar_Señal_Cudrada; NO TIPO=1 SI Generar_Señal_Rectangular; NO TIPO=2 SI Generar_Rafaga; NO RETURN 69

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71 5. PRUEBAS Y RESULTADOS En esta sección se procede a ilustrar los resultados obtenidos, donde con las pruebas que se realizaron se verifica las señales de salida, las cuales corresponden a la Cuadrada, Rectangular y Ráfaga; Así mismo, se hace la medición respectiva por medio del Osciloscopio de los parámetros configurados como lo son la frecuencia y el tiempo de muestreo. 5.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO Por medio de la interfaz gráfica de prueba diseñada en Java, se hace la parametrización de las señales de salida con el fin de generar y aplicar dependiendo del tipo de lesión muscular del paciente, la electro estimulación adecuada. Para realizar la verificación de la correcta generación del tipo de señales propuestas, se hace uso del Osciloscopio digital donde se mide la frecuencia y/o tiempo de reposo de las anteriores en la salida de la etapa amplificadora. Generación de la Señal Cuadrada: En la presente prueba, se hace la simulación de la señal cuadrada con una frecuencia de 2Hz, la cual va a tener salida por el módulo 1 y el paciente a tratar es nombrado como Raspberry Pi donde finalmente, se hace selección de la opción aplicar, ver Figuras 4.1 y 4.2. Figura 5.1 Parametrización de la señal cuadrada. 71

72 Figura 5.2 Medición de la frecuencia/señal Cuadrada. Generación de la Señal Rectangular: En la presente prueba, se hace la simulación de la señal rectangular con una frecuencia de 2Hz y tiempo de reposo de 100 ms, la cual va a tener salida por el módulo 1 y el paciente a tratar es nombrado como Raspberry Pi donde finalmente, se hace selección de la opción aplicar, ver Figuras 4.3, 4.4 y 4.5. Figura 5.3 Parametrización de la señal rectangular. 72

73 Figura 5.4 Medición de la frecuencia/señal Rectangular. Figura 5.5 Medición del tiempo de reposo/señal Cuadrada. Generación de la Señal Ráfaga: En la presente prueba, se hace la simulación de la señal ráfaga con una frecuencia de 7Hz y tiempo de reposo de 100 ms, la cual va a tener salida por el módulo 0 y el paciente a tratar es nombrado como Raspberry Pi donde finalmente, se hace selección de la opción aplicar, ver Figuras 4.6, 4.7 y

74 Figura 5.6 Parametrización de la señal Ráfaga. Figura 5.7 Medición de la frecuencia/señal Ráfaga. 74

75 Figura 5.8 Medición del tiempo de reposo/señal Ráfaga. Prueba de campo: Después de la respectiva evaluación del comportamiento del dispositivo se procede a las pruebas de campo pertinentes donde se genera una señal cuadrada con una frecuencia de 2Hz y se observó la respuesta o las contracciones del músculo ante la electro estimulación, en las Figuras 5.9 y 5.10se puede observar la zona de aplicación y el prototipo componentes culminado. Figura 5.9 Aplicación de Electro - estimulación. 75

76 Figura 5.10 Prototipo desarrollado. Teniendo en cuenta los objetivos propuestos en el presente y los resultados obtenidos, cabe resaltar que el proyecto desarrollado es una herramienta que acompaña al profesional o especialista en el proceso de rehabilitación física, donde provee la información de los parámetros con los cuales se está realizando el tratamiento, y en conjunto de otros dispositivos realice las mediciones correspondientes y evalué el efecto que tuvo la electro estimulación aplicada sobre las áreas afectadas. Así mismo, la herramienta permite ver la evolución y el progreso del paciente (Figura 4.21), donde el sistema es realimentado con mediciones realizadas por el profesional, de los músculos afectados antes de iniciar cada sección, con el fin de poder constatar una mejora a través del tiempo con el tratamiento propuesto. 76