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Javier Alejandro Agudelo Gamboa javier.agudelo@uptc.edu.co TUNJA2015

Laboratorio 1: DISEO DE DISPOSITIVOS GENERADOR DE SEALES PARA ESTIMULACION MUSCULAR.Introduccin. La electro estimulacin es una forma de ejercitar o recuperar msculos a travs de impulsos elctricos, los cuales a travs de un dispositivo predispuesto y diseado en este caso por medio de electrodos sobre la piel, prximas al musculo que se pretenda estimular. As, se producen las contracciones musculares los cuales se estarn ejercitando, o recuperando cualquier musculo del cuerpo.

ResumenEl manejo de la electro estimulacin es una forma de electroterapia o de entrenamiento muscular para el cuerpo humano, los cuales a travs de impulsos elctricos presenta la contraccin involuntaria de las fibras musculares. En este caso se tratara de desarrollar un dispositivo de estos con diferentes tipos de seales, y frecuencias.

Abstract- Managing the electro stimulation is a form of muscle training or electrotherapy to the human body, through which electrical pulses has the involuntary contraction of the muscle fibers. In this case it were to develop such a device with various types of signals, and frequencies.

PALABRAS CLAVE: Electro estimulacin, electroterapia, msculos, contraccin, microcontrolador.

I. Marco terico

ELECTROESTIMULACION.

La electro estimulacin es la tcnica que utiliza la corriente elctrica, para provocar una contraccin muscular. Mediante un aparato llamado electro estimulador, se utilizan las contracciones musculares para prevenir, entrenar o tratar los msculos, buscando una finalidad teraputica o una mejora de su rendimiento.

Si bien en un principio la electro estimulacin tena un objetivo bsicamente rehabilitador, la evolucin y conocimiento de la electro estimulacin, as como la miniaturizacin de los aparatos ha trado consigo un desarrollo muy importante de esta tcnica en la mejora del rendimiento fsico.

El tipo de frecuencia seleccionado es la clave para indicarle a nuestro cuerpo que tipo de fibra a activar esencialmente, por decirlo de otro modo: el modo de frecuencia elegido ser

capaz de estimular el tipo de fibra muscular que deseemos en ese momento, que nos convenga ms para la fase de entrenamiento en que nos encontramos, como ya sealamos anteriormente a grosso modo una frecuencia alta con una amplitud adecuada nos permitir desarrollar fuerza y resistencia anaerbica, bajas frecuencias nos permitirn relajar la musculatura o mejorar nuestra resistencia aerbica. Vamos a ser ms especficos en relacin a los efectos de la frecuencia y exponer un resumen aproximado:1.-Entre 2 y 4 Hz obtendremos un efecto relajante del msculo o grupo de msculos sobre los que estamos trabajando, incluso si hemos sobrecargado la zona y ha aparecido dolor podremos observar como en muchas ocasiones ste cede de forma importante o desaparece por completo, no estamos produciendo un efecto anestsico sobre la zona pero si estamos mejorando el trofismo favoreciendo la circulacin, arrastrando sustancias de desecho y adems con una frecuencia de 4 Hz nos encontramos en el umbral en el cual se generan encefalinas que van a elevar nuestro umbral del dolor y por lo tanto ste dejar de molestarnos. 2.-Entre 4 y 8 Hz obtenemos una elevacin notable de la segregacin de endorfinas, al mismo tiempo si aumentamos la intensidad hasta que notemos con claridad la contraccin y hemos colocado correctamente los electrodos obtendremos un efecto de masaje sobre el grupo muscular que estamos trabajando con lo cual adems de elevar el umbral del dolor nos acompaarn los efectos positivos que suceden a un masaje local tales como: efecto relajante intenso sobre la zona, mejora de la circulacin local, disminucin de metabolitos txicos, mejora de la oxigenacin.3.-Entre 8 y 12 HZ lograremos un gran aumento de la circulacin local, con todo lo que ello supone: elevacin del trofismo, disminucin de metabolitos, oxigenacin de los tejidos y un cierto efecto de masaje ajustando los parmetros para que resulte agradable la sensacin.4.-Entre 12 y 40 HZ pondremos en accin esencialmente fibras lentas, por poner un ejemplo equivaldra a un trabajo muscular de carrera continua suave por medio del cual mejoraremos nuestra capacidad aerbica realizando un trabajo sin apenas dficit de oxgeno.5.-Entre 40 y 60 Hz segn la amplitud reclutaremos ms fibras lentas intermedias e incluso rpidas, con este entrenamiento estaremos logrando un nivel mayor de carga que con el anterior, mayor resistencia muscular y entraramos en el trabajo de fuerza, mejorando al mismo tiempo nuestro nivel de oxigenacin.6.-Entre 60 y 80 HZ segn la amplitud se incorporarn al trabajo muscular fibras musculares intermedias y rpidas, entramos ya de lleno en el trabajo de fuerza y de desarrollo de la musculatura.7.-Entre 80 y 120 Hz van a trabajar con gran intensidad las fibras rpidas y con este trabajo vamos a mejorar la fuerza, la velocidad, la combinacin de ambas: la potencia muscular y todo ello sin una sensacin de agotamiento fsico o psicolgico.COMO FUNCIONAN LOS APARATOS DE ELECTROESTIMULACION.Los aparatos de electro estimulacin muscular trabajan dependiendo del objetivo que se persiga al emplearlos, por lo que es importante elegir bien la intensidad de las descargas que se aplican y la zona donde se colocan los electrodos que van directamente pegados a la piel.Las membranas de las clulas del organismo estn polarizadas, puesto que hay un reparto desigual de cargas elctricas entre el exterior de la clula (positivo) y el interior de la misma (negativo), donde precisamente intenta actuar la energa de la electroterapia.As, el tipo de frecuencia seleccionado de electro estimulacin es la clave para indicar a nuestro cuerpo qu tipo de fibra muscular se est activando o excitando, segn la fase de entrenamiento en la que nos encontremos, o el problema de salud que se intente solucionar mediante esta tcnica. Y es que, en palabras del fisioterapeuta Jordi Riba, la electro estimulacin puede excitar de forma arbitraria, interesada y dirigida, las fibras musculares dbiles de los msculos que causen descompensacin o debilidad y, por tanto, importantes dolores secundarios, as como de carcter articular y, por tanto, la incapacidad funcional que de ellos derivan.Las frecuencias ms bajas estn indicadas para conseguir una relajacin tanto del msculo como de la propia persona, con un aumento de la circulacin sangunea y de la liberacin de endorfinas pero, a medida que se va subiendo la banda de la frecuencia elctrica, se trabaja el msculo desde un aspecto propio del ejercicio aerbico, pasando por una combinacin de aerbico-anaerbico hasta llegar al metabolismo anaerbico, con las frecuencias ms altas, superiores a los 50 hercios.

Desarrollo de la prctica

II. PROCEDIMIENTO

SEAL ECG.

Para este laboratorio se debe disear un sistema que genere ciertas seales que a travs de una etapa de acondicionamiento y potencia sern entregadas por los electrodos.

Mediante la suma o resta de escalones se debe realizar la aproximacin de las seales de la Fig1 y basados en las siguientes figuras realizaremos un programa en cc compiler que genere estas seales.

Fig1. Seales a simular.

La programacin de las seales se desarroll por medio de escalones y rampas teniendo en cuenta las pendientes y los retardos.

Donde a la salida que para nuestro caso es el puerto B del PIC16f877a toma el valor asignado durante el retardo establecido; as se realizara para las 5 seales de la Fig1.

Fig2. Seal 1.

En la Fig2, se observa el cdigo necesario para obtener la seal Biphasic, y en la cual se observa que el cero de la seal sera 125 y la parte negativa de la seal sera de 125 a 0 y de 125 a 250 sera la parte positiva de la seal.

Fig3. Seal 2.

En la Fig3. Se observa el cdigo necesario para la seal polyphasic, donde se tienen las mismas consideraciones para la seal Biphasic.

Fig4. Seal 3.

En la Fig4 se observa el cdigo necesario para la seal Balanced Asymmetrical, en la cual se utiliza un FOR para generar las rampas que se observan en la seal. Se tiene la misma consideracin, donde el valor 125 ser nuestro 0.

Fig5. Seal 4.

En la Fig5 se observa el cdigo necesario para la seal Monophasic, en la cual se utiliza un FOR para generar las rampas que se observan en la seal. Se tiene la misma consideracin, donde el valor 125 ser nuestro 0.

Fig6. Seal 5.

En la Fig6 se observa el cdigo necesario para la seal Unbalanced asymmetrical, en la cual se utiliza un FOR para generar las rampas ascendentes y descendentes que se observan en la seal. Se tiene la misma consideracin, donde el valor 125 ser nuestro 0.

Y para la seleccin de las seales se realizara por medio de un contador.

Fig7. Contador para seleccin de seal.

Y para el aumento o disminucin de la frecuencia se realiza a travs de un sumador y restador.

Fig8. Frecuencias.

Mediante el software Proteuss se realiza el respectivo montaje, donde a continuacin del PIC montamos el DAC0808 el cual nos transforma las seales digitales a anlogas como se muestra en la Fig9..

Mediante el osciloscopio del software se podr visualizar la salida que este genera.

Fig9. Simulacin.Y a traves de la simulacion vemos las seales de la Fig1.

Fig10. Seal Biphasic.

Fig11. Polyphasic.

Fig12. Balanced asymmetrical.

Fig13. Monophasic.

Fig14. Unbalanced asymmetrical.

Para poder realizar el programa realizamos el diagrama de bloques del sistema representado en la siguiente figura.

Fig15. Diagrama de bloques del sistema.

Donde la programacin se hace por medio de PIC C Compiler, y por medio del PIC 16F877A se sacan por puerto B las seales programadas, luego pasa por una etapa de conversin Digital/Analoga con un DAC0808 luego a una etapa de amplificacin con un LF351 y por ultimo a una etapa de potencia con un TDA2003.

A travs del osciloscopio se observan las 5 seales que ya nos arroja el circuito montado en protoboard, la cuales se visualizan a continuacin:

Fig16. Polyphasic

Fig17. Polyphasic.

Fig18. Balanced asymmetrical.

Fig19. Balanced asymmetrical.

Fig20. Monophasic.

Fig21. Monophasic.

Fig22. Unbalanced asymmetrical.

Fig23. Unbalanced asymmetrical.

Fig24. Unbalanced asymmetrical.

Fig25. Seal Biphasic.

Luego de observar las seales por el osciloscopio, entramos a las pruebas sobre el el cuerpo humano. Entonces despues de la etapa de potencia la cual se realiza con un TDA2003, se conecto un transformador de 12V y -12V, el cual nos genera la salida de nuestro electroestimulador.

Fig 26. Coneccion del transformador.

Y luego del transformador conectamos los electrodos, los cuales llevan las seales a cualquier parte del cuerpo, en este caso en el brazo, haciendo la contraccion del musculo biceps.

Fig 27. Contraccon del biceps.

Fig 28. Relajacion del biceps.

III. CONCLUSIONES.Para poder obtener las partes negativas de las diferentes seales, fue necesario correr el cero a travs de programa, en este caso desde el software de programacin PIC C COMPILER.

En este caso se toma que el microcontrolador solo tiene 8 bits de salida, por ende el mximo valor que podr sacar ser 255, entonces, tomamos el cero como el valor de 125, por consiguiente, todo valor que este entre 125 y 0 se tomara como la parte negativa de la seal y de 125 hasta 250 la parte positiva de la seal, este fue el acondicionamiento necesario para poder generar la parte negativa de la seal.

Hay que tener muy en cuenta el potencimetro a la salida de la etapa de potencia ya que este, es el que controla la amplitud de las seales programadas con anterioridad.

referencias

[1] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/82338/MICROCHIP/PIC16F877A.html[2] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/dac0808.pdf[3] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf351-n.pdf[4]http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000123.pdf