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CAPITULO II
DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL ELECTROESTIMULADOR
2.1. INTRODUCCIÓN
En lo que concierne a este capitulo se encuentra todo el diseño y construcción
de cada uno de los módulos, para lo cual hemos ideado un esquema de bloques que
será en el cual basaremos nuestro progreso, aunque para lo que refiere a diseños de
cada módulo los realizaremos cada uno por separado, para luego obtenido los diseños
finales de cada módulo poder proceder al diseño del módulo principal, el cual se
encargará de habilitar la terapia solicitada, a su vez se realizará también el diseño del
circuito de paciente es decir la interfaz que se utilizará para la conexión del módulo
principal hacia el paciente, y será en este donde se conectarán los electrodos
correspondientes.
Una vez simulado y probado cada módulo procederemos a la construcción
misma de nuestro equipo, para poder así tener un producto listo para las pruebas
necesarias que este tiene que cumplir como requisito.
Al ser un equipo para administración médica tenemos que lograr brindar las
garantías necesarias en el mismo, para lo cual basaremos nuestros diseños tomando
en cuenta límites inferiores a los máximos permitidos, en lo que refiere a voltajes y
corrientes para electroestimulación.
2.2. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL ELECTROESTIMULADOR
A continuación vamos a ilustrar el esquema de bloques que vamos a utilizar
como base para el diseño de nuestro equipo, el mismo que consta de un sistema de
visualización donde podremos observar los menús ofrecidos por el equipo, este
estará formando parte del módulo principal conectado a un microprocesador, y será
por medio de un teclado que se tendrá acceso a las diferentes opciones.
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Este módulo principal será el que controle los sistemas de habilitación de
cada uno de los módulos, así como tendremos un sistema individual para cada
módulo, dentro del cual también por medio de microprocesadores conectados tipo
red al módulo principal comenzarán las determinadas terapias.
Además nuestro equipo contendrá una única etapa de salida para todas las
terapias, en la que constará el circuito de paciente y dos canales de salida uno para
voltaje y otro para corriente.
Fig. 2.1 Diagrama de bloques del Electroestimulador
2.3. DISEÑO ELECTRONICO DEL ELECTROESTIMULADOR
2.3.1. DISEÑO DEL MODULO DE ELECTROANALGESIA
Este módulo consta de un microcontrolador PIC 16F628a, en el cual se van a
generar los pulsos según las frecuencias, cuya salida será por el porta.3 desde donde
se conectará a un filtro pasivo, el que está formado por las resistencias R1, R2
además de los condensadores C3 y C4, el mismo que sirve para generar el tipo de
onda utilizado para esta terapia cuya salida ingresa a un amplificador operacional
LM741, configurado con no inversor para generar la ganancia de voltaje de la onda
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entre 5v y 12v, cuya salida ingresa a otro LM741 en configuración de seguidor de
tensión.
La salida del seguidor de tensión ingresa a un relé que es el que se encargara
de habilitar o deshabilitar la terapia durante el funcionamiento del equipo.
Fig. 2.2 Esquema del módulo para Electroanalgesia
La interfaz de cada módulo hacia el módulo principal esta ilustrado en la
figura , es decir que todos los módulos tendrán el mismo zócalo, ya que sus
salidas e ingresos serán los mismos, además este conector contiene las
alimentaciones necesarias para cada elemento.
Fig. 2.3 Diagrama del conector Universal de nuestro equipo.
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Partiendo del esquema mostrado realizamos el diseño del PCB correspondiente.
Fig.2.4 Esquema del PCB del módulo para Electroanalgesia
2.3.2. DISEÑO DEL MODULO DE ESTIMULACION MUSCULAR
Este módulo consta de un microcontrolador PIC 16F628a, en el cual se van a
generar los pulsos según las frecuencias, cuya salida será por el porta.2 desde donde
se conectará a un amplificador operacional LM741, configurado con no inversor para
generar la ganancia de voltaje de la onda entre 5v y 12v, cuya salida ingresa a otro
LM741 en configuración de seguidor de tensión.
La salida del seguidor de tensión ingresa a un relé que es el que se encargara
de habilitar o deshabilitar la terapia durante el funcionamiento del equipo.
Fig.2.5 Esquema del módulo para EMS
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Partiendo del esquema mostrado realizamos el diseño del PCB correspondiente.
Fig. 2.6 Esquema del PCB para el módulo EMS
2.3.3. DISEÑO DEL MODULO DE IONTOFORESIS
Este módulo consta de un microcontrolador PIC 16F628a, el cual al igual que
el resto de módulos se encontrará conectado de forma serial al PIC del módulo
principal para recibir los datos de tiempo de de habilitaciones de salidas.
Este módulo consta también de dos amplificadores operacionales incluidos en
el elemento TL 082, los cuales retroalimentan el uno al otro con el fin de lograr una
corriente constante que será la que se aplica al paciente, además nos permite realizar
una variación de la salida de corriente entre 0 y 10mA, la cual se realiza con el
mismo potenciómetro que se utilizara para regular la amplitud de la onda de los
demás módulos.
Fig. 2.7 Esquema del módulo de Iontoforesis
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Partiendo del esquema mostrado realizamos el diseño del PCB correspondiente.
Fig. 2.8 Esquema del PCB para el módulo de Iontoforesis
2.3.4. DISEÑO DEL MODULO DE ONDAS INTERFERENCIALES
El módulo de terapia Interferencial está basado en un microcontrolador
16f628A que recibe los datos desde el bloque central, con el que está conectado de
manera serial. El microcontrolador al ser reconocido como conectado, espera los
datos de frecuencias que se seleccionen y la señal de marcha, a su vez este envía los
datos de frecuencia hacia el potenciómetro digital mediante un protocolo detallado
por el potenciómetro que consta internamente de dos elementos tales. El
potenciómetro digital recibe los datos y coloca en sus salidas el valor de resistencia
seleccionado y se conecta hacia un generador de ondas que proporcionara una onda
sinusoidal de acuerdo a los valores de resistencia asignado y de condensador
conectado.
El módulo consta de dos generadores de ondas XR2206 cada uno generando
tanto la señal de baja frecuencia y la de media frecuencia, estas señales ingresan a un
multiplicador de señal, obteniendo así una señal modulada, que ingresa a un
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amplificador operacional inversor que controla la ganancia de la señal y luego a otro
amplificador que invierte nuevamente la señal. Esta señal se conecta a un relé que
tiene la función de permitir el paso o no hacia la etapa de salida
Fig.2.9 Esquema del módulo de ondas Interferenciales
Partiendo del esquema mostrado realizamos el diseño del PCB correspondiente.
Fig. 2.10 Esquema del PCB para el módulo de ondas Interferenciales
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2.3.5. DISEÑO DE LA ETAPA DE VISUALIZACION Y CONTROL
GENERAL
Este es el módulo más importante de nuestro equipo ya que es este el que
comanda los cuatro módulos de terapia, así como la visualización y adquisición de
datos de nuestro equipo.
Para comenzar detallando este esquema podemos decir que este módulo es
comandado por un microprocesador PIC 16F877a, al cual se encuentra directamente
conectado por el puerto D del micro el LCD grafico de 128x64 por medio del
conector J2 donde se observará el menú del equipo.
Para lo que refiere el control de nuestro equipo tenemos conectado al PIC un
teclado matricial de diseño propio, además tenemos conectado un demultiplexor
74LS138 que se encargara de habilitar las compuertas tres estados 74125, que
habilitan o deshabilitan las conexiones seriales del módulo principal a cada uno de
los módulos, además este módulo contiene dos zócalos uno para la interconexión
entre la fuente y el modulo principal “J3”, así como otro zócalo para la conexión de
este módulo con el circuito de paciente “J4”.
Fig. 2.11 Esquema del módulo Principal
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Partiendo del esquema mostrado realizamos el diseño del PCB
correspondiente.
Fig.2.12 Esquema del PCB para el módulo Principal
2.4. SIMULACIONES
Utilizando la herramienta Proteus se han podido realizar simulaciones del
funcionamiento del equipo por partes, omitiendo los módulos en los que se ha
trabajado con elementos que no constan en las librerías de dicho programa.
La etapa de alimentación se presenta a continuación, no se contempla el
transformador inicial ya que este es un elemento no simulable. Se reemplaza el
transformador por dos fuentes de corriente alterna de 28 V, y se observan los
niveles de tensión a la salida. Cada osciloscopio virtual tiene dos canales y se
observan los niveles constantes de +5, +12, -12 y +24 Vdc.
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Fig2.13. Simulación de la etapa de alimentación
La simulación del Modulo TENS esta caracterizada por la forma de onda que
se obtiene a la salida y por la frecuencia de los pulsos, como se puede observar a
continuación:
FIG 2.14 Simulación modulo TENS
El modulo EMS al igual que el TENS esta carcterizado por la forma de onda
que se obtiene y la frecuencia de los pulsos, por este método se puede ccalibrar los
tiempos con los que trabaja el microcontrolador sin necesidad de cargar el programa
en el elemento antes mencionado.
Amplitud (V/div)
Tiempo
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FIG 2.15 Simulación modulo EMS
La simulación correspondiente al modulo de Iontoforesis constata la corriente
constante que existe entre los electrodos de salida, obteniendo una corriente
constante de 1 a 10 mA con una variación de carga hasta de 1.5K.
FIG 2.16 Simulación modulo de Iontoforesis
El bloque central del equipo, que se encuentra formado por el
microcontrolador principal, fue simulado realizando el interfaz con los modulos
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conectados. Gracias a la posibilidad de cargar los archivos HEX en cada
microcontrolador se pudo confirmar que la comunicación entre pic’s, al igual que la
visualización este correctamente realizada.
Fig2.17. Simulación Bloque Central
Realizando la simulación que se muestra en la imagen anterior se pudo
determinar el correcto funcionamiento del modulo Interferencial, su comunicación
con el bloque principal y con el potenciómetro digital. El modulo IFT completo al
igual que la etapa de salida no presenta simulación debido a que algunos elementos
no se encuentran en las librerías de l software Proteus, como el potenciómetro
digital, el generador de señales XR 2206 y el amplificador TDA2004. En este caso
prescindimos de la misma y se trabajo directamente sobre el tablero de pruebas
2.5. DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL CIRCUITO DE PACIENTE
Este módulo de salida se conecta directamente al módulo principal por medio
del zócalo “ING”, donde vienen las alimentaciones necesarias además la salida de las
formas de onda que ingresan simultáneamente al rele.
Microcontrolador Principal
GLCD 128 x 64
Microcontrolador IFT
Microcontrolador TENS
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En el caso de las terapias de electroanalgesia, muscular e interferencial se habilita
un rele para que las ondas ingresen a un TDA2004 para estabilizar la corriente del
mismo y así poderlo conectar al transformador que nos dará la salida de voltaje, en el
caso de la terapia de iontoforesis se activa el otro rele de habitación que hace que la
salida fluya por otro relé que realizara la inversión de polaridad de los electrodos a la
mitad del tiempo seleccionado, fluyendo una corriente constante por la salida de
corriente.
Fig.2.18 Esquema del módulo de salida del equipo
Partiendo del esquema mostrado realizamos el diseño del PCB correspondiente.
Fig. 2.19 Esquema del PCB del módulo de salida del equipo
2.6. CONSTRUCCION DEL ELECTROESTIMULADOR
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2.6.1. DISEÑO Y CONSTRUCCION DE LA FUENTE DE ALIMENTACION
. Para realizar el diseño de la fuente para nuestro equipo tomamos en cuenta
que los voltajes que necesitamos obtener son de +5, +12, +24, -12, para lo cual
partimos de un transformador de 110VAC a 24VAC, lo rectificamos utilizando un
puente de Graetz, y obtenemos +28 y -28 respectivamente.
Al voltaje positivo obtenido luego de rectificar colocamos un 7824 para
obtener +24VDC, a la salida de este conectamos un 7812 para obtener +12VDC y a
la salida de este colocamos un 7805 para obtener los +5VDC.
Al voltaje negativo le colocamos un 7912 para así obtener los -12VDC,
además a la salida de cada voltaje colocamos condensadores para obtener una señal
totalmente continua, en el caso de nuestro equipo hemos optado por realizar la fuente
de manera separada a los módulos del estimulador para así evitar cualquier tipo de
interferencia que se pueda presentar.
Fig. 2.20 Esquema de la fuente del equipo
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Partiendo del esquema mostrado realizamos el diseño del PCB
correspondiente.
Fig. 2.21 Esquema del PCB de la fuente del equipo
El momento del ensamblaje de la fuente no encontramos ningún problema, ya
que una vez soldados los elementos a la placa, solo se conecto el transformador antes
especificado y pudimos comprobar el prefecto funcionamiento de la fuente.
Una vez comprobado el funcionamiento de nuestra fuente y con el fin de
garantizar la prevención de posibles fallos se colocó disipadores de calor en los
reguladores de voltaje con lo cual dimos por terminado la parte de diseño y
construcción de la fuente de alimentación de nuestro equipo, recalcando que el
objetivo de realizar una fuente separada al equipo era el prevenir posibles
interferencias que esta podría generar en nuestro equipo.
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Fig. 2.22 Estructura interna de la fuente del equipo
Terminada esta parte bautizamos a nuestro proyecto como B & H
MEDIC, y se dieron los últimos retoques para así obtener la fuente totalmente lista, y
poder proceder al ensamblaje de nuestro equipo como tal.
Fig. 2.23 fuente del equipo terminada
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2.6.2. CONSTRUCCION DEL ELECTROESTIMULADOR
Como explicamos antes para poder llegar a este punto hemos pasado por un
proceso muy cuidadoso, el cual comenzó con la prueba en Project Board, para luego
realizar las primeras placas de prueba. Las placas de prueba se realizaron para los
módulos de TENS (fig2.24), EMS (fig 2.25) e Interferencial (fig 2.26), la prueba
para el módulo de Iontoforesis se lo realizó en el Project board, sin haber encontrado
falla alguna por lo que se optó realizar la placa final directamente.
Fig. 2.24 Placa de prueba del módulo TENS Fig. 2.25 Placa de prueba del módulo EMS
Fig. 2.26 Placa de prueba del módulo interferencial.
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Una probadas y corregidos los errores de las placas de prueba se procedió a
realizar las placas definitivas para cada módulo, para así poder comenzar la
construcción del producto final de nuestro equipo que va a constar de 3 pisos
internos donde se ubicarán las placa y los conectores, en el primer piso se encuentra
el módulo principal y el módulo de salida del equipo, así como el transformador para
las terapias de voltaje.
Fig. 2.27 Primer piso de la estructura interna del estimulador.
En el segundo piso de la estructura interna del equipo se colocaron las placas
de cada uno de los módulos que viene incluidos con nuestro equipo.
Fig. 2.28 Segundo piso de la estructura interna del estimulador.
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En el tercer y ultimo piso de la estructura interna del equipo se colocaron los
conectores que permiten la comunicación entre el módulo principal y cada uno de los
módulos de terapias, asi como tiene el espacio para el acoplamiento de futuros
módulos.
Fig. 2.29 Tercer piso de la estructura interna del estimulador.
Luego de esto se procedió a colocar la tapa que contenía el LCD, el teclado y
el regulador de nivel, dando así por terminada la construcción de nuestro equipo B &
H MEDIC.
Fig. 2.30 Equipo B & H MEDIC