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DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 1 Diseño y Desarrollo de un Equipo de Electroterapia Universal Basado en Microcontrolador Díaz Arciniegas Jefferson Javier Universidad de Santander Facultad de Ingeniería Ingeniería Electrónica Bucaramanga 2022 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 2 Diseño y Desarrollo de un Equipo de Electroterapia Universal Basado en Microcontrolador Díaz Arciniegas Jefferson Javier Trabajo de Grado Para Optar por el Título de Ingeniero Electrónico Director Quintero Muñoz Jorge Eduardo Especialista en Telecomunicaciones Universidad de Santander Facultad de Ingeniería Ingeniería de Electrónica Bucaramanga 2022 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 3 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 4 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 5 . DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 6 Agradecimientos Agradecer a mi mamá Florinda Arciniegas García, que con gran sacrificio y esfuerzo me dio la oportunidad de estudiar tan excelente carrera, por el empeño que puso para formar una persona audaz y tenaz para enfrentar y luchar día a día por cumplir las metas propuestas. A mis compañeros de carrera que fueron un apoyo fundamental en todo el proceso de aprendizaje y contribuyeron a mi formación profesional y al trabajo en grupo de forma asertiva respetando opiniones y tomando las mejores decisiones. Al ingeniero Jorge Eduardo Quintero por su colaboración, su paciencia y forma de transmitir los conocimientos y guiarme en todo el proceso de la elaboración del proyecto de grado. A la Universidad De Santander (UDES), por ser parte de mi formación como profesional y a cada uno de los docentes que fueron parte fundamental académicamente y por el acompañamiento en las materias cursadas. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 7 Tabla de Contenido pág. Introducción .................................................................................................................................. 18 1. Formulación del Problema.......................................................................................... 19 1.1 Pregunta Problema ...................................................................................................... 19 2. Objetivos ..................................................................................................................... 20 2.1 Objetivo General......................................................................................................... 20 2.2 Objetivos Específicos ................................................................................................. 20 3. Justificación ................................................................................................................ 21 3.1 Alcance ....................................................................................................................... 22 4. Marco Referencial ...................................................................................................... 23 4.1 Estado del Arte ........................................................................................................... 23 4.2 Marco Conceptual....................................................................................................... 24 4.2.1 Conceptos Básicos. ..................................................................................................... 24 4.2.2 Conceptos Básicos en Electroterapia. ......................................................................... 25 4.2.3 Tipo de Lesiones Musculares. .................................................................................... 26 4.2.4 Fundamentos de Electroterapia. .................................................................................. 30 4.2.4.1 Efectos de las Corrientes Eléctricas. ........................................................................... 35 4.2.4.2 Contradicciones y Precauciones Para las Corrientes Eléctricas. ................................ 37 4.2.4.3 Beneficio de la Electroterapia.. ................................................................................... 41 4.2.5 Elementos Electrónicos Utilizados en el Desarrollo del Proyecto. ............................ 42 4.3 Marco Legal y Regulatorio de los Mantenimientos Preventivos y Correctivos de los Equipos Biomédicos en Colombia ................................................................................................ 47 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 8 5. Desarrollo del Proyecto .............................................................................................. 49 5.1 Condiciones del Diseño .............................................................................................. 49 5.2 Diagrama de Bloques del Equipo de Electroterapia Universal .................................. 49 5.2.1 Descripción de Bloques. ............................................................................................. 50 5.3 Diseño Electrónico...................................................................................................... 51 5.3.1 Generación de Pulsos Monofásicos. ........................................................................... 51 5.3.2 Conformador de Pulsos Bifásicos............................................................................... 53 5.3.3 Funcionamiento Push-Pull. ......................................................................................... 54 5.3.4 Elevador de Tensión. .................................................................................................. 55 5.3.5 Fuentes de Alimentación DC. ..................................................................................... 56 5.4 Programación del Microcontrolador ........................................................................... 56 5.5 Desarrollo del Equipo de Electroterapia Universal .................................................... 59 5.5.1 Tarjeta PCB. ............................................................................................................... 59 5.6 Equipo de Electroterapia Ensamblado ........................................................................ 62 5.7 Costo del Equipo......................................................................................................... 62 6. Pruebas y Resultados .................................................................................................. 64 7. Conclusiones ............................................................................................................... 69 8. Recomendaciones ....................................................................................................... 70 Referencias Bibliográficas ............................................................................................................ 71 Apéndices...................................................................................................................................... 74 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 9 Lista de Figuras pág. Figura 1 Fibras Musculares.......................................................................................................... 27 Figura 2 Contusión Muscular........................................................................................................ 27 Figura 3 Calambre Muscular........................................................................................................ 28 Figura 4 Contractura Muscular ..................................................................................................... 28 Figura 5 Distensión Muscular ......................................................................................................29 Figura 6 Rotura Muscular Completa............................................................................................ 30 Figura 7 Corriente Continua ......................................................................................................... 31 Figura 8 Corriente Alterna ........................................................................................................... 32 Figura 9 Grafica de Corriente Pulsada Monofásica ..................................................................... 32 Figura 10 Gráfica de Corriente Pulsada Bifásica.......................................................................... 33 Figura 11 Grafica de Corriente Bifásica TENS ............................................................................ 34 Figura 12 Corriente EMS Bifásica............................................................................................... 34 Figura 13 Grafica Intensidad vs Tiempo ..................................................................................... 36 Figura 14 Efectos Iónicos de la Estimulación Eléctrica ............................................................... 37 Figura 15 Tipos de Electrodos ...................................................................................................... 38 Figura 16 Estimulación Eléctrica con Agua como Electrodo ....................................................... 39 Figura 17 Efecto de la Separación de los Electrodos.................................................................... 40 Figura 18 Estructura de un Microcontrolador............................................................................... 42 Figura 19 Entradas y Salidas de un ESP32 ................................................................................... 43 Figura 20 Electrodos Autoadhesivos ........................................................................................... 43 Figura 21 Representación Gráfica de un Push - Pull .................................................................... 44 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 10 Figura 22 Amplificador Operacional Integrado............................................................................ 45 Figura 23 Convertidor de Corriente .............................................................................................. 45 Figura 24 Potenciómetro ............................................................................................................... 46 Figura 25 Convertidor DC-DC ..................................................................................................... 46 Figura 26 Diagrama de Diseño .................................................................................................... 50 Figura 27 Conexión de la ESP 32 ................................................................................................. 51 Figura 28 Potenciómetro ............................................................................................................... 52 Figura 29 Como se Conforma la Frecuencia ................................................................................ 52 Figura 30 Amplificador Operacional ........................................................................................... 53 Figura 31 Push – Pull .................................................................................................................... 54 Figura 32 Mosfet IRF 740 y IRF 9640 ........................................................................................ 55 Figura 33 Transformador de Núcleo de Ferrita ............................................................................ 55 Figura 34 Convertidor de Corriente ............................................................................................. 56 Figura 35 Programación................................................................................................................ 56 Figura 36 Programación................................................................................................................ 57 Figura 37 Programación................................................................................................................ 58 Figura 38 Tarjeta PCB Diseñada con Simulador Electrónico ..................................................... 59 Figura 39 Tarjeta PCB Impresa .................................................................................................... 59 Figura 40 Tarjeta Impresa con Elementos Soldados..................................................................... 60 Figura 41 Diseño de Caja de Electroterapia.................................................................................. 60 Figura 42 Caja Impresa en 3D del Prototipo ................................................................................ 61 Figura 43 Diseño de las Perillas e Indicaciones Principales del Prototipo de Electroterapia ....... 61 Figura 44 Equipo Ensamblado ...................................................................................................... 62 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 11 Figura 45 Prueba de Ancho de Pulso ............................................................................................ 64 Figura 46 Prueba Ancho de Pulso................................................................................................. 64 Figura 47 Frecuencia Máxima ...................................................................................................... 65 Figura 48 Prueba de Frecuencia.................................................................................................... 65 Figura 49 T Tiempo de Trabajo .................................................................................................... 66 Figura 50 Tiempo de Descanso..................................................................................................... 66 Figura 51 Tiempo de Trabajo 10/10 ............................................................................................. 67 Figura 52 Tiempo de Descanso 10/10 ......................................................................................... 67 Figura 53 Señales Independientes a la Salida del Microcontrolador ............................................ 68 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 12 Lista de Tablas pág. Tabla 1 Tabla de Estimulación...................................................................................................... 36 Tabla 2 Características Principales de la ESP32........................................................................... 42 Tabla 3 Pines Utilizados del ESP32.............................................................................................. 58 Tabla 4 Costos Físicos .................................................................................................................. 62 Tabla 5 Presupuesto del Recurso Humano Presupuesto del Recurso Humano. .......................... 63 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 13 Lista de Apéndices pág. Apéndice A. Datasheet de los Componentes Electrónicos ........................................................... 74 Apéndice B. TL 082 Amplificador ............................................................................................... 78 Apéndice C. IRF 740 .................................................................................................................... 80 Apéndice D. IRF9640 ................................................................................................................... 81 Apéndice E. Convertidor DC-DC BUCK MP23070N ................................................................. 82 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 14 Resumen Título Diseño y Desarrollo de un Equipo de ElectroterapiaUniversal Basado en Microcontrolador Autor Díaz Arciniegas Jefferson Javier Palabras Clave Electroterapia, TENS, TEMS, Fisioterapia, Microcontrolador Descripción La tecnología día a día se va haciendo más presente en el diario vivir de las personas, en el campo de la salud se han realizado grandes avances y uno de ellos ha sido en las rehabilitación y fortalecimiento muscular, donde por medio de dispositivos electrónicos se han creado diversas formas de relacionar “la estimulación nerviosa y muscular con pulsos eléctricos, los cuales se ha demostrado que tienen una acertada respuesta por parte de las personas que han tomado diferentes estímulos a través de la electroterapia,”(Vinuesa & Vinuesa, 2016) Los cuales presentan costos bastantes elevados en el mercado Colombiano, con la Construcción de un prototipo de un equipo de electroterapia universal basado en microcontrolador se implementó un microcontrolador y su debida programación, el cual será el encargado de generar señales de corriente en diferentes tipos de frecuencias según la intensidad que el profesional (Fisioterapeuta) considere que es necesario. La señal puede ser manejada en pulsos continuos o en trenes de pulsos, donde hay tiempos de trabajo y tiempos de descanso con la finalidad de tener una estimulación constante y eficaz, en el marco teórico se estudió los tipos de corriente y las formas de onda que se adaptan DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 15 los diferentes tipos de músculos que conforman el cuerpo humano. El proyecto se desarrolló en mira de solucionar la adquisición económica los equipos básicos de electroterapia que un fisioterapeuta necesita para ejercer debidamente su profesión. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 16 Abstract Title Design and Development of a Microcontroller-Based Universal Electrotherapy Equipment Author Diaz Arciniegas Jefferson Javier Keywords Electrotherapy, TENS, TEMS, Physiotherapy, Microcontroller Description Technology day by day is becoming more present in the daily life of people, in the field of health great advances have been made and one of them has been in rehabilitation and muscle strengthening, where through electronic devices have been created various ways to relate nerve and muscle stimulation with electrical pulses, which have been shown to have a successful response by people who have taken different stimuli through electrotherapy, which have quite high costs in the Colombian market. With the design and development of a universal electrotherapy equipment based on microcontroller, a microcontroller was implemented and its due programming, which will be in charge of generating current signals in different types of frequencies according to the intensity that the professional (Physiotherapist) considers necessary The signal can be managed in continuous pulses or pulse trains, where there are working times and rest times in order to have a constant and effective stimula tion, in the theoretical framework the types of current and waveforms that adapt to the different types of muscles that DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 17 make up the human body were studied. The project was developed in order to solve and acquire the basic equipment that a physiotherapist needs to practice his profession in a safe way. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 18 Introducción El desarrollo de este proyecto se enfocó en la electroterapia con la implementación de dos tipos de corrientes, con ayuda de varios elementos y circuitos electrónicos, por medio de la acertada programación de un microcontrolador se logró llevar a cabo la creación de una herramienta útil para el campo de la fisioterapia. El prototipo es un medio para crear soluciones y/u optimizar soluciones ya creadas a un bajo costo con características similares a los equipos importados, mediante el uso de la electrónica y buscar formas de aplicación con el fin de reforzar y reunir en un solo grupo parte del conocimiento desarrollado y las habilidades competentes del estudiante para con su carrera que esta por culminar. Por consiguiente, cabe decir que el desarrollo de un equipo de electroterapia universal es un proyecto fuertemente elaborado con la finalidad de obtener por medio de un microcontrolador y su programación, un nuevo instrumento de rehabilitación muscular y nerviosa para los fisioterapeutas y con un correcto empleo se pueden reducir el dolor y el tiempo de recuperación por medios de la estimulación por señales de pulsos. Es de anotar, que Colombia es un país donde existen muchas personas que no tiene el acceso oportuno y necesario a la salud por sus altos costos, en la fisioterapia no es la excepción, la población colombiana tiene muchas personas que presentan limitaciones musculares o nerviosas, el propósito del proyecto es suplir esta necesidad desarrollando un aparato electrónico de bajo costo con características similares a los equipos que tiene un alto costo por ser importados. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 19 1. Formulación del Problema “El mundo de la tecnología ha ido avanzado muy rápido en el campo de la salud, creando nuevas formas de tratar y prevenir enfermedades, en la fisioterapia se implementó la rehabilitación muscular y nerviosa por medio de estimulaciones eléctricas. La electroterapia es una nueva forma que se ha implementado en la rehabilitación muscular que ayuda a combatir y recuperar al cuerpo humano de lesiones y enfermedades nerviosas y musculares, usando corriente eléctrica aplicada de diferentes formas según el profesional que lleve a cabo el tratamiento”(Calvo Soto et al., 2020) Gracias a los nuevos equipos y avances tecnológicos los fisioterapeutas han podido mejorar su calidad de trabajo basándose en nuevas formas de estimulación nerviosa y muscular, la corriente que circula sobre las zonas afectadas donde se varía su frecuencia e intensidad según la necesidad que se requiera en el paciente. Muchas veces los medicamentos y el tratamiento oportuno no están al alcance de todas las personas por falta de la adecuada información y otras por no tener los recursos necesarios para poder suplir las secciones de terapias asignadas o correspondientes a su enfermedad o tipo de dolor que posee. 1.1 Pregunta Problema ¿Cómo Construir un Prototipo funcional de un Equipo de Electroterapia Universal basado en Microcontrolador para la rehabilitación y fortalecimiento muscular y nervioso? DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 20 2. Objetivos 2.1 Objetivo General Construir un prototipo funcional de un equipo de electroterapia universal basado en microcontrolador a bajo costo 2.2 Objetivos Específicos Construir el equipo de electroterapia con las condiciones de diseño dadas. Construir el equipo de electroterapia con conocimientos y materiales vistos en el periodo de la vida universitaria por parte del estudiante. Construir un equipo de electroterapia que sea razonablemente económico, comparado con equipos similares importados. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 21 3. Justificación En el mundo actual existen diversos programas y se han creado nuevas disciplinas deportivas, y estudios científicos han demostrado que el hacer cualquier tipo de actividad física trae grandes beneficios al cuerpo humano, previniendo diversas enfermedades, además de ello mejora el estado anímico y el rendimiento productivo al cual se dedica cada persona. Por tanto, la tecnología no se queda atrás desempeñándose por medio de aplicaciones que funcionan en dispositivos móviles, los cuales hacen parte de nuestro diario vivir, celulares, reloj y cualquier otro dispositivo inteligente puede reproducir aplicaciones para hacer ejercicio para personas de cualquier edad. Cabe aclarar quelas aplicaciones creadas son basadas en una persona promedio produciendo así muchas lesiones deportivas, las cuales se generan al momento de una mala postura o ejecución, también existe la posibilidad de lesión o atrofia muscular por sobre entrenamiento, movimientos de trabajo repetitivo, y es allí donde se debe acudir a terapia física, donde el fisioterapeuta es el encargado de dar un diagnóstico y entra a emplear el dispositivo creado en este proyecto. En vista de que los equipos de electroterapia son de alto costo y se requiere importarlos, el propósito de este proyecto es el diseño y construcción de un prototipo de electroterapia universal, que permita realizar tratamientos de dolor y también fortalecimiento muscular, para lo cual se desarrollara por medio de un microcontrolador y un software capaz de generar pulsos de manera gradual y que sea fácil de controlar para el profesional en fisioterapia que lo esté manipulando, con el fin de tener una solución al alcance de más personas y sea más rápido el proceso de recuperación para el cual se está empleando el equipo de electroterapia. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 22 3.1 Alcance Los límites del proyecto serán marcados por la generación de las formas de ondas y frecuencias limitadas por la aplicación de microcontroladores, aunque esta salvedad puede solucionarse con nuevos diseños más complejos, pero por ahora no necesarios para este diseño. El proyecto está enfocado a los fisioterapeutas y personas que tengan conocimiento respecto a la utilización de la electroterapia como fuente de regeneración y recuperación neuro- muscular. . DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 23 4. Marco Referencial 4.1 Estado del Arte Según investigaciones sobre proyectos similares desarrollados en diferentes lugares se pudo tener en cuenta los siguientes. El proyecto de grado titulado: “Diseño y Construcción de un Dispositivo Fisioterapéutico Para Aplicar Electroterapia y Termoterapia de Manera Simultánea o Independiente y Controlada Durante Procedimientos de Rehabilitación.” Quisieron combinar dos formas de recuperación muscular como es la electroterapia y la termoterapia, donde la termoterapia sirve para mejorar la circulación en los puntos donde se presenta la lesión o el dolor muscular, sus diseñadores combinaron un equipo TEMS y diversas formas de almohadillas con el fin de que el paciente se recupere de manera eficaz, ellos como diseñadores industriales se enfocaron más en las formas de las almohadillas y los puntos donde se ubican los electrodos al momento de que el paciente lo utilice, la parte electrónica fue realizada por una persona externa al proyecto, también realizaron encuestas a profesionales de la salud y personas que presentaban molestias musculares (Flood & I, 2012). En el proyecto titulado “Diseño y Construcción de un Equipo de Corrientes Para la Estimulación Neuro Muscular” desarrollaron y construyeron un equipo de electroterapia con diferentes formas de corriente donde estaban predeterminadas, siendo un equipo desarrollado en un microcontrolador donde se programaron corrientes como lo son las galvánicas, la corriente neo farádica, la corriente bifásica, corriente rusa y la estimulación muscular, las cuales son todas los tipos de corriente que se pueden aplicar al cuerpo humano, según lo requiera con la orden de un profesional en fisioterapia , abarcando en gran parte los tipos de ondas y tiempos de DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 24 recuperación muscular que el cuerpo necesita para poder tener un avance significativo de la mano de la electroterapia (Grado, 2013). El proyecto titulado: “Diseño y Construcción de un Equipo Básico de Electroterapia” se enfocaron en la estimulación nerviosa eléctrica (TENS) por medio de un generador de ondas donde en conjunto con otros dispositivos electrónicos lograron controlar la forma de la corriente y los periodos de trabajo , teniendo como resultado un estimulador básico de electroterapia donde solo existe un rango determinado de trabajo , así mismo es un equipo no portátil y debe ser utilizado por un profesional de fisioterapia, este proyecto fue desarrollado en la Universidad Autónoma de México (Jiménez Romero, Morales Malagón, & Salvador Altamirano, 2008). 4.2 Marco Conceptual 4.2.1 Conceptos Básicos. Electricidad. Es la circulación de la energía por medio de los electrones, donde la corriente es el flujo de electrones cargadas de manera negativa Voltaje. Los electrones se desplazan de la zona de exceso ubicada en el cátodo (–) a la zona de déficit ubicada en el ánodo (+), con tendencia al equilibrio. Esto es importante para conocer que, en las aplicaciones de electroterapia, los electrones siempre parten desde el electrodo negativo (–), lo cual define el sentido de la corriente cuando se aplica una técnica electrónica con una corriente de carácter polar (Advincula Cruz, 2018). Amperio (A). Se refiere al movimiento de un coulomb (C). El amperaje define el rango de fluido de electrones, mientras que el coulomb indica el número de electrones. En fisioterapia, generalmente se trabaja en el orden de los miliamperes (mA). El amperaje la unidad de medida de la corriente (Advincula Cruz, 2018). DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 25 Resistencia eléctrica (R). Freno que opone la materia al movimiento de electrones, al circular por esta (propiedad de la materia, no parámetro de electricidad). Unidad: ohmio (ohm, W). amperio (A) (Advincula Cruz, 2018). Potencia. Capacidad o potencial “acumulado” para realizar un trabajo. Expresa la velocidad con que se realiza un trabajo (velocidad de transformar una energía en otra). Unidad: watt (W). Establece la rapidez con que se suministra energía a un paciente (Advincula Cruz, 2018). Frecuencia. Se refiere a la cantidad de ciclos que ocurren en un segundo. La frecuencia marca pautas en cuanto a la clasificación de las corrientes. Algunos tejidos responden mejor a determinadas frecuencias; así, por ejemplo, con frecuencias mayores que 100 Hz, se logra una estimulación (Advincula Cruz, 2018). Existen tres métodos de aplicación para realizar la electroestimulación, que son: el monopolar, bipolar y estimulación grupos musculares. 4.2.2 Conceptos Básicos en Electroterapia. Estimulación unipolar: Aplicación de corriente con dos electrodos de tamaño distinto, el electrodo activo es pequeño se coloca sobre el punto motor en contacto con la piel después de humedecer con el agua, el electrodo dispersivo o indiferente debe ser lo suficientemente grande como para que no produzca una estimulación alguna y se coloca en una región con poca masa muscular, ejemplo, línea media de la espalda, sacro, codo, etc. Se puede utilizar electrodos puntiformes o de puntero mientras que como electrodo indiferente se suele utilizar electrodos de gran tamaño (Advincula Cruz, 2018). Estimulación bipolar: Los electrodos empleados deben ser del mismo tamaño, por lo que ambos serán activos, se aplican en los extremos del vientre muscular logrando una DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 26 estimulación muscular longitudinal con el fin de acoplar muchas fibras musculares, este método es útil en tratamiento de músculos débiles, cuando la estimulación unipolar requiera de una potencia fuerte, lo que puede producir una dispersión del estímulo a otros músculos vecinos y enmascara la respuesta del musculo tratado. Con este método se localiza el estímulo, evitando la contracción de músculos vecinos (Advincula Cruz, 2018). Estimulación de grupos musculares: Es la estimulación de grupo muscular, colocando un electrodo plano y grande sobre los puntos motores y el otro sobre el tronco nervioso que inerva los músculos, están indicando en músculos de inervación normal. Punto motor: Zonapara la óptima estimulación, músculos esqueléticos donde el nervio motor penetra en el epinicio. Tenemos puntos motores corporales y faciales. Para realizar la electroestimulación se debe de tener en cuenta que El ánodo (+) es el electrodo que produce un menor estímulo y que el cátodo (-) es el electrodo que produce un mayor estimulo, por lo que tiene efectos excitadores más agresivos, en el método monopolar se emplean dos electrodos de diferente tamaño, el electrodo menor se lo llama activo y al electrodo mayor se le llama electrodo indiferente, además es necesario conocer si los músculos que vamos a estimular están inervados o no (Advincula Cruz, 2018). 4.2.3 Tipo de Lesiones Musculares. Lesión muscular: Son las molestias causadas en los músculos por malos movimientos o esfuerzos que desgastan y llevan a un estrés muscular. La unidad estructural básica del musculo es la fibra muscular estriada esquelética. En las fibras musculares encontramos filamentos de actina y miosina.(Musculares & Función, s.f.) Las fibras pueden ser de tipo I o blancas (contracción lenta, metabolismo aeróbico y muy resistentes a la fatiga) y de tipo II o rojas (contracción rápida, muy fatigables). DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 27 Figura 1 Fibras Musculares Nota: El musculo se conforma por fibras musculares rojas y blancas . Tomado de Delfin, B. Fibras Musculares de Contracción Lenta y Rápida. 2018. Lesiones musculares: Afectan a los músculos y pueden producirse por traumatismos directos, sobre esfuerzos, movimientos inadecuados, etc. En cada tipo de deporte hay lesiones más frecuentes que otras, dependiendo de los grupos musculares más exigidos, pero en general cabe diferenciar los siguientes tipos de lesión: Contusión: Se producen por un golpe sobre el músculo y pueden ocasionar, inflamación, dolor y hematoma.(Musculares & Función, s.f.) Figura 2 Contusión Muscular Nota: Se presenta el hematoma en la zona donde se produjo la contusión. Tomado de Neomedica Perú. Qué es una Contusión. s.f. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 28 Calambre: El músculo se contrae de forma súbita y se acorta durante unos instantes, produciendo un intenso dolor que dura unos instantes antes de calmarse, aunque no totalmente.(Musculares & Función, s.f.) Figura 3 Calambre Muscular Nota: Representación gráfica de un calambre muscular Tomado de Newsdigitales. Calambre Muscular. s.f. Contractura: En este caso la contracción repentina del músculo se mantiene en el tiempo, causando dolor y limitando el movimiento.(Musculares & Función, s.f.) Figura 4 Contractura Muscular Nota: Representación gráfica de una contractura muscular. Tomado de Hernán. Contractura Muscular: qué es y Cómo Prevenirla. 2022. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 29 Distensión: También se denomina hiperextensión o elongación muscular. Se genera cuando el músculo se estira más de lo que puede abarcar. Causa un dolor difuso que perdura en el tiempo.(Musculares & Función, n.d.) Figura 5 Distensión Muscular Nota: Representación gráfica de una distención. Tomado de Vorvick. Clinical Associate Professor, Department of Family Medicine, UW Medicine, School of Medicine. 2021. Rotura fibrilar o desgarro muscular: Se rompen una o varias fibras del tejido muscular y su gravedad depende de la extensión de la lesión y de su duración. El dolor es agudo y muy localizado, aunque los más graves causan la inmovilidad inmediata del músculo (Musculares & Función, s.f.). Rotura muscular completa: El músculo se rompe completamente. El dolor es intenso y se siente la imposibilidad de mover el músculo, causando la inmovilidad.(Musculares & Función, s.f.) DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 30 Figura 6 Rotura Muscular Completa Nota: Representación gráfica de roturas musculares. Tomado de Kinetica Fisioterapia Avanzada y Pilates . s.f. La contracción puede ser: Isométrica: contracción sin movimiento articular. Concéntrica: Contracción en sentido del movimiento, produce acortamiento. Excéntrica: Contracción contra el sentido del movimiento, produce alargamiento. 4.2.4 Fundamentos de Electroterapia. La electroterapia se aplica en procesos dolorosos, inflamatorios musculoesqueléticos y nerviosos periféricos, así como en atrofias y lesiones musculares y parálisis. Existe la posibilidad de aplicarla combinada con la ultrasonoterapia. La electroterapia es una prescripción médica y es aplicada por un fisioterapeuta o bien una técnica de tratamiento aplicada a manos de un kinesiólogo (Thom, 2005). Dispositivos, ondas y parámetros de la corriente eléctrica: Los aparatos de estimulación utilizados para aplicar corriente sobre una zona en especifica del cuerpo están controlados por una fuente de poder y sus respectivos controles que nos ayudan a ajustar determinadas características , donde los estimuladores pueden ser portátiles con pilas recargables o con cable de alimentación conectado directamente al toma corriente ,los DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 31 parámetros a controlar son la frecuencia , el ancho de pulso, la intensidad de corriente y determinar las ráfagas de corriente o si será de manera continua (Cameron, s.f.). Onda: Es una forma de representar de manera gráfica la forma de corriente eléctrica, donde se presenta en un plano cartesiano donde el eje x representa el tiempo y el eje y representa la forma de flujo de la corriente.(Cameron, s.f.) Las ondas se clasifican en tres tipos: Corriente continua. Corriente alterna. Corrientes pulsadas. La corriente continua tiene un flujo continuo de electrones atreves del tiempo hacia una misma dirección. Figura 7 Corriente Continua Nota: Gráfica de corriente continúa en el tiempo. Tomado de Cameron. Agentes físicos en rehabilitación. s.f. Corriente alterna: Este tipo de corriente tiene un flujo bidireccional continuo, en el que el flujo de corriente tiene polaridad positiva y negativa, oscila entre las dos polaridades, es usada en la electroterapia como una forma de estimulación muscular y controlar el dolor.(Cameron, s.f.) DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 32 Figura 8 Corriente Alterna Nota: Gráfica de corriente alterna en el tiempo. Tomado de Cameron. Agentes físicos en rehabilitación. s.f. Corrientes pulsadas: Es un tipo de corriente con un flujo interrumpido, donde hay una serie de pulsos donde no hay corriente, este tipo de corriente puede fluir en un solo sentido y se le denomina corriente punzada monofásica, normalmente en la electroterapia es empleada para la cicatrización tisular y tratar el edema agudo .O puede fluir en dos sentidos que se denomina corriente pulsada bifásica se utilizan en tracciones musculares y controlar el dolor, donde las formas de ondas en sus dos polaridades son simétricas.(Cameron, s.f.) Figura 9 Grafica de Corriente Pulsada Monofásica Nota: Gráfica de corriente monofásica pulsada. Tomado de Cameron. Agentes físicos en rehabilitación. s.f. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 33 Figura 10 Gráfica de Corriente Pulsada Bifásica Nota: Representación el tiempo de corriente pulsada bifásica. Tomado de Cameron. Agentes físicos en rehabilitación. s.f. TENS: El cuerpo tiene como mecanismo de alerta producir dolor para darnos a entender que tenemos algún tipo de molestia o lesión y puede que el dolor limite los movimientos en la vida cotidiana de la persona que lo posee, los profesionales de la salud han creado una alternativa de Electro Estimulación Nerviosa Transcutánea (TENS), la cual actúa directamente sobre la zona afectada, la estimulación de las fibras nerviosas superficiales ( TENS de alta frecuencia) o estimulación de fibras nerviosas del musculo (TENS de baja frecuencia).El método MELAZCK y WALL, consiste en la estimulación nerviosa de fibras aferentes que inhiben el dolor que se trasporte a la medula espinal, estas fibras tienen un umbral de estimulación que pueden ser activadas a una frecuencia entre 50 a 100 Hz, donde se pueden producir contracciones al musculo. En un 60% se considera que la electroestimulación reduce los diversos tipos de dolores cuando el dolor proviene de articulaciones.(Rodríguez & Moldes, 2017) DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 34 Figura 11 Grafica de Corriente Bifásica TENS Nota: Representación de la corriente bifásica en el tiempo. Tomado de Electroterapia. Corrientes usadas en electroterapia. 2022. EMS: La corriente empleada estimula el musculo con el fin de producir una contracción muscular con el objetivo de fortalecer músculos, se produce una inversión en las fibras musculares enfocadas al musculo a trabajar, se utilizan por lo general de 70 a 250 Hz, donde hay intervalos de relajación del musculo y otro periodo de trabajo, la corriente EMS es utilizada por los deportistas principalmente para fortalecer o acelerar el proceso de recuperación de lesiones.(Rodríguez & Moldes, 2017) Figura 12 Corriente EMS Bifásica Nota: Demostración gráfica de una corriente EMS bifásica. Tomado de Miranda Fisioterapia. 2020 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 35 4.2.4.1 Efectos de las Corrientes Eléctricas. Estimulación de los potenciales de acción en los nervios: El potencial de acción es la unidad del sistema nervioso, donde el tipo de corriente debe tener un rango mínimo de amplitud y de tiempo para poder lograr una estimulación nerviosa normal mente un potencial de acción dura de 1 a 5 milisegundos y el periodo donde se activa se llama periodo refractario absoluto, donde la corriente se propaga por medio del axón del nervio hasta llegar al nervio sensitivo de la medula espinal, produciendo así contracciones musculares y un pequeño hormigueo cuando se estimula un nervio sensitivo (Cameron, s.f.). Curva de intensidad /tiempo: Para producir un Potencial de acción se necesita una intensidad de corriente en un periodo de tiempo, depende del tipo de nervio que queremos estimular, la curva de intensidad y tiempo (IT) (Fuerza y duración) de la corriente con la duración del pulso es la base para producir el estímulo. Las corrientes y pulsos pequeños se utilizan para estimular nervios sensitivos, y las corrientes de alta frecuencia y más duraderas son empleadas para la estimulación de los nervios motores, con amplitudes mayores se logran estimular las fibras C y A δ que trasmiten el dolor (Cameron, s.f.). El potencial de acción se produce en el nervio cuando pasa el umbral, el aumento de la amplitud de la corriente o en la frecuencia no hace que el potencial de acción sea más grande, para que se produzca un potencial de acción se hace necesario subir la corriente rápidamente, de lo contrario el nervio se va acomodando al estímulo anulando así el potencial de acción.(Cameron, s.f.) DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 36 Figura 13 Grafica Intensidad vs Tiempo Nota: Grafica de intensidad de dolor en el tiempo. Tomado de Cameron. Agentes físicos en rehabilitación.s.f. Tabla 1 Tabla de Estimulación Tipo de estimulación Tiempo de estimulación Estimulación sensitiva 50 a 100 µs Contracción muscular 150 a 350 µs Músculos pequeños 100 a 125 µs Contracción músculos desnervados + 10 ms Nota: Estimulación y el tiempo de activación de los músculos. Despolarización muscular directa: La estimulación directa hace que el musculo inervados se contraigan cuando hay un potencial de acción alcanza el nervio motor. Efectos iónicos de las corrientes eléctricas: En la mayoría de los efectos eléctricos en el campo de la salud se utilizan corrientes bifásicas, es decir que no dejan carga en el tejido donde se aplica, por tanto, no tiene efectos iónicos. En el caso contrario cuando la corriente es monofásica se utilizan ocasionalmente dejan cargas netas sobre la zona donde se hace la DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 37 estimulación la cual puede producir efectos iónicos, el cátodo que es el electrono negativo atrae los iones cargados de forma positiva , mientras que el ánodo atrae los iones con cargas negativas, los efectos iónicos también son empleados en el campo de la electroterapia y sirven como desinflamatorio y también ayudan a cicatrizar más rápidos los tejidos (Cameron, s.f.). Figura 14 Efectos Iónicos de la Estimulación Eléctrica Nota: Representación gráfica de la circulación de corriente por medios de los electrodos en el cuerpo humano . Tomado de Cameron. Agentes físicos en rehabilitación. s.f. 4.2.4.2 Contradicciones y Precauciones Para las Corrientes Eléctricas. Marcapasos cardiacos a demanda, desfibrilador o arritmia inestable. Zonas con trombosis arterial. Embarazo. Las personas que presentan algunas de las situaciones anteriores se debe evitar en lo posible aplicar electroterapia sobre las zonas donde se encuentra afectado , las personas con marcapasos es recomendable evitar la electroterapia en el área cervical, el hombro y la zona lumbar superior ya que puede que altere el funcionamiento adecuado del marcapasos , para las persona con trombosis arterial o tromboflebitis no se debe aplicar corriente ya que corre el riesgo que se liberen más émbolos debido a que la corriente hace que aumente la circulación. La zona DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 38 pélvica, abdominal durante el embarazo no es recomendado aplicar corriente, no hay estudios que certifiquen de qué manera puede afectar a la persona o el feto (Cameron, s.f.). Tumores malignos: Con los tumores es probable que al aumentar el flujo de sangre haga que el tumor crezca de una manera más rápida.(Electrodos, s.f.) Irritación cutánea o heridas abiertas: No se debe aplicar en zonas donde la piel este expuesta con herida abierta, puede contraer infecciones y la piel tiene más sensibilidad con la corriente.(Electrodos, s.f.) Tipos de electrodos: Los electrodos son una interfase entre el paciente y el estimulador, actualmente hay electrodos desechables y son los más utilizados, los cuales tiene un gel autoadhesivo que ayuda y actúa como conductor y hace que haya menos impedancia entre el electrodo y la piel.(Electrodos, s.f.) También existen electrodos de goma de carbono los cuales no son autoadhesivos y deben ponerlos con esparadrapo. Algunos pacientes pueden presentar alergias o irritación transcutánea debido al tipo de gel y el tipo de piel y hay uno electrodos para piel sensible. Figura 15 Tipos de Electrodos Nota: Formas de electrodos comerciales. Tomado de Electroestimulación. Electroterapia. Electroestimulación. EMC - Kinesiterapia – Medicina Física. s.f. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 39 La elección de la forma del electrodo y del tamaño depende de la zona donde se va a aplicar la corriente. El agua también se puede utilizar de manera de electrodo porque es un buen conductor (Cameron, s.f.). Figura 16 Estimulación Eléctrica con Agua como Electrodo Nota: Forma de utilizar el agua como conductor de corriente. Tomado de Cameron. Agentes físicos en rehabilitación.s.f. Colocación de los electrodos: La corriente debe liberarse de forma homogénea y para ellos los electrodos deben colocarse sin ningún dobles y que el gel autoadhesivo este en todo el electrodo en la misma cantidad , colocar de forma errónea los electrodos pueden producir irritación y quemaduras molestas para el paciente, no se deben colocar directamente sobre superficies óseas, la distancia a la que se encuentran influyen en el flujo y la resistencia a la corriente que genera la piel y el musculo dado así la corriente viaja de manera más superficialcuando los electrodos está más cerca y cuando están más separados la corriente tiene mayor profundidad (Cameron, s.f.). Permitiendo tener el control de la intensidad de corriente que se le aplica al paciente y la forma como la corriente estimula el musculo teniendo en cuenta la posición y la distancia entre los electrodos autoadhesivos. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 40 Figura 17 Efecto de la Separación de los Electrodos Nota: Intensidad de corriente según la distancia entre los dos electrodos . Tomado de Cameron. Agentes físicos en rehabilitación.s.f. Se debe tener en cuenta al momento de aplicar electroterapia la zona a tratar, la posición del paciente, la colocación y el tamaño de los electrodos, parámetros de estimulación específicos y la respuesta del paciente al tratamiento. Figura 18 Posición y Ubicación de los Electrodos en el Cuerpo Nota: Tipos de electrodos y su correcta ubicación para la electroterapia. Tomado de Estarguapas. Guía electroestimulación. s.f. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 41 Las personas que utilizan la electroterapia como forma de recuperación o por tratamiento médico debe saber cómo posicionar asertivamente los electrodos y el tamaño de los electrodos con el fin de que la estimulación la tome la zona afectada y no comprometa músculos externos que pueden producir dolores a futuro o perjudicar el tiempo de recuperación, teniendo en cuenta el motivo por el cual se aplica la electroterapia, ya sea de modo de recuperación muscular o como forma de fortalecimiento muscular. 4.2.4.3 Beneficio de la Electroterapia. Los pacientes que utilizan la electroterapia como tratamiento de recuperación tiene una recuperación mucho más rápida y trae beneficio. 1. Control sobre el manejo del dolor. Esta terapia representa una excelente alternativa para quienes padecen dolor crónico y se mantienen bajo la toma de medicamentos calmantes. Es no invasiva, no crea adicción, no tóxica y mejora la calidad de vida del paciente. 2. Prevención de la atrofia muscular. Cuando un músculo es inmovilizado a consecuencia de alguna enfermedad o lesión, esta situación puede desencadenar en una atrofia muscular. La atrofia conlleva a la rigidez, dolor y desgaste de la musculatura. Mediante la electroterapia y su técnica de Estimulación Muscular Eléctrica (EMS) se estimula la contracción de los músculos. Y a través de la técnica de Estimulación Nerviosa Eléctrica Transcutánea (TENS) se logra la disminución del dolor vinculado a la atrofia. 3. Efecto sanador a través de la circulación sanguínea: el aumento en la circulación del flujo sanguíneo crea un efecto regenerador y sanador en el organismo. La sangre oxigenada transporta mayores nutrientes a las células beneficiando la regeneración de los tejidos dañados, y por ende se incrementa la capacidad orgánica en la curación de heridas. Mediante una buena circulación se eliminan las perjudiciales toxinas, estimulando el funcionamiento de un cuerpo más saludable (Electroestimulación, E.) DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 42 4.2.5 Elementos Electrónicos Utilizados en el Desarrollo del Proyecto. Microcontrolador: es un circuito integrado que está compuesto por una unidad de procesamiento (CPU), unidades de memoria, puntos de entrada y salidas con el fin de interactuar y formar así una minicomputadora de menor escala utilizando un lenguaje de programación para su debido funcionamiento, sus entradas y salidas pueden estar conectadas a sensores y actuadores del microcontrolador con la finalidad de cumplir una sola tarea para o cual fue programado (Peña, 2008). Figura 18 Estructura de un Microcontrolador Nota: Descripción gráfica del funcionamiento de un microcontrolador. Tomado de Peña.D.N. Microcontroladores: Arquitectura, programación y aplicación. 2008. De roda la familia de microcontroladores que existen para el desarrollo del proyecto se escogió la ESP32 la cual tiene las siguientes características principales. Tabla 2 Características Principales de la ESP32 Característica Descripción Procesador principal Tensilica Xtensal LX6 de 32 bits WI-FI 802.11 b/g/n/e/i(802.11n 2.4Ghz hasta 150 Mbit/s) Bluetooth v4.2 BR / EDR y Bluetooth Low Energy (BLE) Frecuencia de Clock Programable, hasta 240MHz. Rendimiento Hasta 600DMIPS. ROM 448KB, para arranque y funciones básicas SRAM 520KiB, para datos e instrucciones Nota: Descripción de las principales características y su funcionamiento de una ESP32. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 43 Figura 19 Entradas y Salidas de un ESP32 Nota: Tipos de entradas y salidas de una ESP32. Tomado de Bruno Saravia, AR. Esp32 Node Mcu. Microelectrónica Componentes Srl. 2019. Resistencias: Son un elemento electrónico que limita el paso de corriente, es utilizada en los circuitos con el fin de controlar el flujo de corriente o limitarlo para proteger otros dispositivos electrónicos. Electrodos Autoadhesivos: Este tipo de electrodo es el más común y más fácil de utilizar ya tiene el gel conductor en su adhesivo, su estructura es resistente y flexible (Electrodos, D., n.d.). Figura 20 Electrodos Autoadhesivos Nota: Electrodos de electroterapia autoadhesivos . Tomado de IV Medical. Productos. s.f. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 44 Transformador: Es un dispositivo que puede modificar la corriente eléctrica con una tensión determinada en otro tipo de corriente con diferente tipo de tensión (Alvarez, 2009). Amplificadores push – pull: Este amplificador se llama amplificador contra fásico o Push – Pull, pues utiliza 2 grupos de transistores. Cada grupo se encarga de amplificar una sola fase de la onda de entrada. Un grupo es de color amarillo y el otro es de color verde. Cuando un grupo entra en funcionamiento el otro entra está en corte y viceversa. Un amplificador emisor común se utiliza para amplificar señales pequeñas. En esta configuración la tensión de la señal de salida tiene prácticamente la misma amplitud que la de la señal de entrada (ganancia unitaria) y tienen la misma fase. Cuando la señal de entrada es grande y lo que se desea es ampliar la capacidad de entrega de corriente, se utiliza un amplificador contra fásico o push – pull. (Amplificador de potencia). El amplificador que se muestra en el siguiente gráfico está constituido por dos transistores. Uno NPN y otro PNP de las mismas características (Caseres, 2010). Figura 21 Representación Gráfica de un Push - Pull Nota: Montaje esquemático de un circuito push- pull. Tomado de Caseres, C. y Bautista, G. Amplificador Push Pull o en Contrafase Sena Ceet : Mantenimiento Electrónico E Instrumental Industrial. 2010. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 45 Integrado amplificador: Los amplificadores operacionales tienen la función de controlar por medio de diferentes operaciones matemáticas, donde se tiene mínimo dos señales de entrada y por medio de operaciones matemáticas se realiza el control de la señal de salida, para el desarrollo del proyecto de escogió la referencia TL 082 que es un tipo de amplificador sumador (Salazar Gomez, 2008). Figura 22 Amplificador Operacional Integrado Nota: Imagen de un circuito amplificador operacional. Tomado de Camarillo, A. ¿Qué es un amplificador operacional?. 330 ohms. 2020. Cargadores para la alimentación del dispositivo y el amplificador: Cargadores de 12 voltios, los cuales ya vienen fabricados y son convertidores de corriente de 120 voltios a 12 voltios los cuales por medio de un pequeño transformador logra hacer la conversión. Figura 23 Convertidor de Corriente Nota: Estructura externa e interna de un cargador de 12 voltios . Tomado de Pacifiko. Cargador. 2022. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 46 Potenciómetro:Son un elemento electrónico que tiene internamente una resistencia variable, la cual controla el paso de corriente de manera manual por medio de una perilla. Figura 24 Potenciómetro Nota: Imagen de un potenciómetro en su estructura externa. Tomado de Wikipedia. Potenciómetro 2022. Diodos LED: Son bombillos que tiene un bajo consumo de voltaje y se iluminan en el caso de este proyecto como un indicador del tipo de corriente se está utilizando en el momento. Convertidor DC-DC BUCK MP23070N: Con un amplio rango de voltaje de entrada de 6V a 40V, el convertidor reductor puede ajustar con precisión el voltaje y la corriente de salida. Figura 25 Convertidor DC-DC Nota: Estructura externa de un convertidor Dc-Dc . Tomado de Amazon. Asdf586io10pcs MP2307 Super Mini 3A DC-DC Convertidor Step Down Buck Power Module Chip. 2022. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 47 4.3 Marco Legal y Regulatorio de los Mantenimientos Preventivos y Correctivos de los Equipos Biomédicos en Colombia En Colombia el reglamento del instituto nacional de vigilancia de medicamentos y alimentos (INVIMA) referente a la seguridad eléctrica en equipos electro médicos no es suficiente, por lo cual el instituto colombiano de normas técnicas y certificación (INCONTEC) adopto las normas internacionales NTC-60601-1. El paso de la corriente a través del cuerpo puede causar daños si su magnitud es lo suficientemente grande o de larga duración para estimular el sistema nervioso o una gran masa muscular. El macroshock ocurre cuando la corriente fluye por una zona amplia de piel, pasando por el corazón al pasar de una parte del cuerpo a otra El microshok ocurre cuando la corriente fluye en una pequeña zona de la piel y existen electrodos conectados directamente al corazón permitiendo la circulación de corriente por el miocardio. Protocolo de medición de las pruebas de seguridad eléctrica. 1. Verificar las condiciones de temperatura (23 C+- 5 C) y la humedad relativa (40- 60%) 2. Verificar la clasificación de DBP, para realizar solamente las mediciones correspondientes según las condiciones de falla que apliquen y determinar la forma de realizar las conexiones, en especial en lo referente a equipos con partes aplicables 3. En el analizar seleccionar la norma IEC 60601-1 por medio del interruptor de carga y realizar las mediciones citadas a continuación: DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 48 4. Tensión de red: esta prueba mide el voltaje RMS en la red de alimentación del DBP, se realiza conectando el analizador a la red sin el DBP y con el mando de selección de pruebas en mains vol (VAC), el analizador encontrara el valor encontrado. 5. Resistencia a tierra: esta prueba mide la impedancia entre el punto equipotencial del equipo y las partes conductoras expuestas del equipo que están en contacto con la tierra de protección de este. 6. Corriente de fugo auxiliar de paciente: esta prueba mide la corriente que fluye entre una parte aplicada seleccionada y el terminal. Esta prueba se realiza para cada una de las partes aplicables que tenga el equipo 7. Corriente auxiliar de paciente: esta prueba mide la corriente a través de cada parte aplicada o conductor, y la combinación de dichas partes, esta prueba es exigible solamente en partes aplicadas. Adicionalmente se debe realizar toda la documentación de resultados y trazabilidad de las pruebas realizadas de acuerdo con los documentos que cada laboratorio determine (RETIE, 2013). DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 49 5. Desarrollo del Proyecto Todo el desarrollo y las pruebas se llevaron a cabo en el laboratorio de ingeniería electrónica de la Universidad de Santander, hizo necesario la utilización de osciloscopio para observar medidas como lo son las frecuencias, el ancho de pulso, el voltaje que se estaba manejando para así poder tener un control y corregir de forma adecuada la programación, multímetros y demás elementos para poder tener en cuenta la impedancia y los márgenes de error debido a la manipulación humana, se encontrarán los diseños implementados del prototipo y el software que se desarrolló. 5.1 Condiciones del Diseño Se establecieron las condiciones de diseño para el desarrollo del prototipo que son las siguientes. Una perilla que controle el rango de la corriente debe ser de 0 a 100 mA pico. Una perilla que controle el ancho de pulso que va desde 100µs a 1000µs. Una perilla que controle la frecuencia de los pulsos de 1 pps a 250 pps. Un botón de selección entre EMS y TENS La forma de onda será bifásica simétrica. Un botón para seleccionar el tiempo de trabajo y de descanso que serán dos 4/12 (segundos/segundos) y 10/10 (segundos/segundos) para corrientes de fortalecimiento muscular (EMS) 5.2 Diagrama de Bloques del Equipo de Electroterapia Universal Diagrama de bloques donde se describe la transformación de la señal desde el punto donde se crea y todo su proceso antes de ser apta para que la señal actúe de manera electro terapéutica y se transporta por medio de electrodos de electro estimulación DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 50 Figura 26 Diagrama de Diseño Nota: Diagrama de bloques del funcionamiento del equipo de electroterapia 5.2.1 Descripción de Bloques. Generador de pulsos monofásicos: El microcontrolador utilizado es el encargado por medio de la programación previa de generar pulsos monofásicos, con la selección de TENS o EMS y el control por parte de las perillas para tener dominio sobre la frecuencia y el ancho del pulso. Conformador de pulsos bifásicos: Por medio de un amplificador operacional sumador, se tienen dos señales de entrada las cuales son señales bifásicas que están desfasadas una respecto a la otra y una señal de salida, lo cual nos da como resultado una onda bifásica. Amplificador de corriente: El Push – pull nos ayuda a amplificar la señal de corriente a la salida del amplificador operacional por medio de dos transistores, uno tipo NPN y otro tipo PNP. Elevador de tensión: La salida del push – pull se conecta a un trasformador, que tiene dos devanados, donde el primario tiene un embobinado de 10 espiras y el embobinado del segundario tiene un total de 150 espiras con núcleo de ferrita. Fuentes de alimentación DC: Se tuvieron en cuenta dos cargadores que actúan como fuentes de alimentación conmutadas (±12V) y un convertidor dc -dc que reduce el voltaje de uno de los cargadores de 12v a 3.3 v que sirven para alimentar la tarjeta ESP 32. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 51 5.3 Diseño Electrónico 5.3.1 Generación de Pulsos Monofásicos. Inicialmente por cuestiones de diseño y de tamaño de los elementos electrónicos empleados, se empezó a desarrollar la programación en un microcontrolador como lo fue el Arduino nano y el Arduino uno, que son los más conocidos y por tanto los más comerciales , pero se presentaron fallas a nivel del desarrollo de la programación , ya que los anteriores microcontroladores empleados no tenían la capacidad de procesar de manera continua el control de la frecuencia y el del pulso de las ondas monofásicas, con la ayuda del microcontrolador ESP32 se lleva a cabo la programación el cual tiene como entrada el tipo de corriente (EMS TENS), la frecuencia, el ancho de pulso y en el caso de la corriente EMS el tipo de tren de pulso a utilizar. Como salida la ESP 32 genera dos señales monofásicas positivas con las condiciones que se dieron en la entrada del microcontrolador. Figura 27 Conexión de la ESP 32 Nota: Tarjeta ESP32 con las entradas y salidas utilizadas en la programación. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 52 Figura 28 Potenciómetro Nota: Muestra de un potenciómetro. Tomado de Ferretrónica. 2022. Los potenciómetros que se utilizaronen el desarrollo del proyecto fueron de 5 K cada uno regulan la frecuencia y el ancho del pulso y la intensidad de corriente pico que se tiene a la salida del prototipo funcional. Donde la frecuencia se describe de la siguiente manera. Y el tiempo de fase o ancho de pulso: 100 µs ≤ Figura 29 Como se Conforma la Frecuencia Nota: Explicación gráfica del control de la frecuenta con el ancho de pulso. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 53 Donde Tf es controlada por el potenciómetro, al ser una señal bifásica simétrica, la señal es igual la parte positiva y la negativa y se expresa de la siguiente manera. 5.3.2 Conformador de Pulsos Bifásicos. Una vez generadas las señales monofásicas de los pulsos provenientes del Microcontrolador ESP32, se conectan a las entradas de un amplificador operacional sumador el cual esta alimentado por dos cargadores los cuales tienen una salida de 12 voltios positivos y 12 voltios negativos, para obtener a la salida la onda bifásica requerida para la electroestimulación neuromuscular. Figura 30 Amplificador Operacional Nota: Composición del amplificador operacional. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 54 Donde: V0: La salida de amplificador V1: La primera señal de entrada V2: La segunda señal de entrada 5.3.3 Funcionamiento Push-Pull. Figura 31 Push – Pull Nota: Montaje en proteus de un circuito Push – Pull. El funcionamiento del amplificador de corriente push – pull se basa en dos transistores MOSFET, uno de ellos canal N (IRF 740) y otro canal P (RIF 9640) los cuales trabajan como interruptores. El MOSFET canal N amplifica la corriente de los pulsos positivos y el de canal P, amplifica la corriente de los pulsos negativos. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 55 Figura 32 Mosfet IRF 740 y IRF 9640 Nota: Estructura interna de los mosfet, canal n y canal p. 5.3.4 Elevador de Tensión. La salida del push – pull se conecta a un trasformador de pulsos con núcleo de ferrita, que trabaja como elevador de tensión. El bobinado primario es de 10 espiras y el secundario tiene un total de 100 espiras con un núcleo de ferrita que nos brinda propiedades acertadas para lo que se requiere, para obtener una relación de espiras de 1:10, el transformador el cual se embobino en el laboratorio de ingeniería electrónica bajo la supervisión del director del proyecto y se realizaron las pruebas correspondientes para verificar su respectivo funcionamiento. Figura 33 Transformador de Núcleo de Ferrita Nota: Ilustración de un transformador de núcleo de ferrita. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 56 5.3.5 Fuentes de Alimentación DC. Cargadores para la alimentación del dispositivo y el amplificador: Cargadores de 12 voltios, los cuales son convertidores de corriente de 120 voltios AC a 12 voltios DC, en el desarrollo del proyecto se evidencio que al momento de sacar los cargadores de su caja protectora dejaban de funcionar correctamente, por lo cual se hizo necesario tenerlos aislados en una caja plástica aparte de la tarjeta PCB impresa. Figura 34 Convertidor de Corriente Nota: Cargadores que actúan como fuente de alimentación. Tomado de MercadoLibre. 2022. 5.4 Programación del Microcontrolador Con base en estas fórmulas se desarrolló el código de programación: Figura 35 Programación DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 57 Figura 36 Programación DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 58 Figura 37 Programación Nota: Programación de la ESP32 en el programa Arduino. Tabla 3 Pines Utilizados del ESP32 Pin Entradas y salidas Nombre Función 33 INPUT TON Ancho de pulso 32 INPUT FREC Frecuencia 26 INPUT TREN Trenes de pulso 27 INPUT SEL Selección Tens o EMS 23 OUPUT SNEG señal 1 22 OUPUT SPOS señal 2 2 OUPUT L1010 tren de trabajo 10/50 12 OUPUT L412 tren de trabajo 4/12 4 OUPUT LEMS Led EMS 5 OUPUT LTENS Led Tens GND Tierra 30 VIN VOLTAJE DE ENTRADA 1 3V3 ALIMENTACION Nota: Puertos utilizados como entradas y salidas para la programación. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 59 5.5 Desarrollo del Equipo de Electroterapia Universal 5.5.1 Tarjeta PCB. El diseño y desarrollo de la tarjeta PCB se realizó en un software llamado EAGLE, que es un programa de automatización que permite diseñar placas de circuitos impresos con los diagramas esquemáticos con sus componentes electrónicos y sus rutas en la placa a crear. Figura 38 Tarjeta PCB Diseñada con Simulador Electrónico Nota: Esquema de la tarjeta PCB. La tarjeta creada en el programa EAGLE es una tarjeta que incluye resistencias, transistores, el convertidor de 12 voltios a 3.3 voltios que alimenta el microcontrolador ESP32, el transformador de núcleo de ferrita con sus respectivos caminos impresos en la placa. Figura 39 Tarjeta PCB Impresa Nota: Imagen del circuito impreso real (Fuente propia) DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 60 La tarjeta una vez impresa se muestra desde la parte posterior donde se observan los caminos impresos y sus respectivas conexiones con los campos requeridos para soldar las resistencias, el transformador, transistores, el OPAM y la ESP 32. Figura 40 Tarjeta Impresa con Elementos Soldados Nota: Tarjeta PCB con componentes soldados . La vista desde la parte superior se muestra la tarjeta soldada con los elementos electrónicos, se tuvo en cuenta que en el caso de los circuitos integrados son sensibles a los cambios de corriente por lo cual se puso una base como método de precaución y cambio del amplificador operacional y de ESP 32, los demás elementos se soldaron y quedaron fijos, además de ello las salidas de los LEDs se utilizaron cables para adaptarlos a la caja los cuales nos sirven como forma de señalización en la elección del tipo de corriente y el tren de pulso elegido . Figura 41 Diseño de Caja de Electroterapia Nota: Simulación de caja a utilizar en el prototipo. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 61 El diseño de la caja fue mandado a realizar por personas externas al proyecto que tiene experiencia en la construcción de las mismas par así reducir tiempos y llevar a cabo de manera segura el prototipo. Figura 42 Caja Impresa en 3D del Prototipo Nota: Caja impresa en material de polímero de maíz. Se pensó en un diseño cómodo y portátil para que el prototipo sea mejor aceptado en el campo comercial, donde se pudiera contener de forma organizada y segura los elementos electrónicos que la conforman, como lo son los cargadores, y el circuito impreso, y además de ello se adaptaron las perillas para controlar su funcionamiento de una manera más fácil para el profesional en fisioterapia que lo esté utilizando. Figura 43 Diseño de las Perillas e Indicaciones Principales del Prototipo de Electroterapia Nota: Perillas del panel frontal del prototipo. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 62 Se eligió la primera opción ya que es un color agradable de ver y para el campo de la salud se manejan tonos claros para los dispositivos que se pueden controlar de manera manual. 5.6 Equipo de Electroterapia Ensamblado Figura 44 Equipo Ensamblado Nota: Imagen de prototipo ensamblado. El equipo ya montado dentro de la caja se observa en la imagen, con sus respectivas perillas, los LEDs son de color verde, siendo un prototipo portable y cómodo de transportar. 5.7 Costo del Equipo A continuación, mostramos una tabla detallada con los elementos electrónicos que se utilizaron en el desarrollo del proyecto. Tabla 4 Costos Físicos Detalle Cantidad Costo Unitario Costo Total ESP 32 1 32.000 32.000 Resistencias 14 100 1400 AmplificadorTL 072 1 4.000 4000 IRF 740 1 5.000 5000 DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 63 Tabla 4 (Continuación) Detalle Cantidad Costo Unitario Costo Total IRF 9640 1 4.500 4500 LED 4 300 1200 Electrodos 2 50.000 50.000 Jumpers 16 8.000 8.000 Jack 1 1.000 1.000 Plug 1 1.000 1.000 Potenciómetro 3 1.000 3.000 Caja de diseño 1 30.000 Cargador 2 7000 14.000 Convertidos Dc a Dc 1 8.000 8.000 Total 163.100 Nota: Tabla de elementos y presupuestos. El recurso humano para este proyecto estuvo conformado por el director del proyecto Ingeniero Jorge Eduardo Quintero (83.866 $/hora), y el estudiante ($/h salario minino). Tabla 5 Presupuesto del Recurso Humano Presupuesto del Recurso Humano. Recurso humano Valor/Hora Horas por semana Valor/Mes Valor 4 meses Ing. Jorge Eduardo Quintero 83.866 1 335.464 1.341.856 Jefferson Javier Díaz Arciniegas 4.055 20 324.400 1.297.600 Total 659.864 2.638.912 Nota: Recursos humanos utilizados en horas laborales . DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 64 6. Pruebas y Resultados A continuación, se muestra evidencia de que el equipo cumple con las especificaciones técnicas de diseño establecidas anteriormente. Ancho de pulso máximo: El ancho de pulso máximo en las especificaciones es de 1000µs y en las pruebas del laboratorio se evidencio un valor de 1000µs. Figura 45 Prueba de Ancho de Pulso Nota: Ancho de pulso máximo. Ancho de pulso mínimo: en las especificaciones técnicas el ancho de pulso mínimo es de 100µs, en las pruebas tomadas en el laboratorio de electrónica se evidencio un ancho de pulso mínimo de 92.00µs. Figura 46 Prueba Ancho de Pulso Nota: Ancho de pulso mínimo. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 65 Frecuencia Máxima: En la salida del osciloscopio se evidencio que en la frecuencia máxima se logró el parámetro establecido, de 250 Hz Figura 47 Frecuencia Máxima Nota: Se muestra el resultado de la frecuencia máxima del osciloscopio. Frecuencia Mínima: La frecuencia en las especificaciones técnicas se pedía que fuera de 1 Hz, y efectivamente se logró llegar a una frecuencia mínima de 1.008 Hz como se muestra en la imagen tomada del osciloscopio. Figura 48 Prueba de Frecuencia Nota: Frecuencia mínima tomada del prototipo. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 66 Para la aplicación en modo TEMS se probaron los tiempos de trabajo. En el tipo de estimulación TEMS la electroterapia tiene un tiempo de trabajo y un tiempo de descanso, en las condiciones de diseño se establecieron dos rangos los cuales son 4/12, que consiste en 4 segundos de trabajo y 12 de descanso. Figura 49 T Tiempo de Trabajo Nota: Se muestra el tiempo de trabajo de 4 segundos. Figura 50 Tiempo de Descanso Nota: Tiempo de descanso establecido. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 67 La siguiente condición era de tiempo 10/50, que consiste en 10 segundos de trabajo y 50 de descanso. Figura 51 Tiempo de Trabajo 10/10 Nota: Tiempo de trabajo 10 segundos, tomada del osciloscopio del laboratorio. Figura 52 Tiempo de Descanso 10/10 Nota: Tiempo de descanso 10/10, prueba en el laboratorio de la universidad. Además de probar los tiempos, los anchos de pulso también se tomaron evidencias de las dos señales de forma independientes con el fin de probar la señal este desfasada con respecto a la otra señal como se ve en la imagen. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 68 Figura 53 Señales Independientes a la Salida del Microcontrolador Nota: Prueba de desfase de la señal 1 respecto a la señal 2 sin alteración en la frecuencia. En la imagen se observa las señales monofásicas que se generan en el microcontrolador las cuales se encuentras desfasadas una respecto a la otra con el fin que cuando se unan en el circuito amplificador operacional la señal sea una onda bifásica simétrica. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 69 7. Conclusiones Se construyó un prototipo funcional de un equipo de electroterapia para aplicaciones de tratamiento del dolor y para el fortalecimiento muscular El diseño y construcción del prototipo funcional de electroterapia universal basado en microcontrolador con un circuito basados en temas vistos en la universidad de Santander, como lo fueron circuitos amplificadores y de potencia, y programación en microcontroladores Se desarrolló un equipo de electroterapia universal económico, comparado con equipos similares importados. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 70 8. Recomendaciones Como parte de continuar desarrollando el prototipo funcional de electroterapia universal basado en microcontrolador se pueden implementar: Nuevos trenes de pulso que tengan tiempos de trabajo más prolongados, con el fin de tener mayor variedad en la forma de tratar la estimulación electro terapéutica. Se recomienda establecer periodos de trabajo, por lapsos de tiempo 10, 20 y 30 minutos, ya sean en corriente EMS o TENS Por medio de un display se podría ver la frecuencia, la intensidad de corriente y el ancho de pulso generando, en el que está trabajando el prototipo. Implementar dos salidas de electrodos, para que el prototipo funcione para dos estimulaciones deferentes. Para hacer del prototipo 100% portable se puede adaptar baterías recargables. DISEÑO Y DESARROLLO DE UN EQUIPO ELECTROTERAPIA 71 Referencias Bibliográficas Advincula Cruz, L. (2018). Electroterapia en fortalecimiento muscular. http://repositorio.uigv.edu.pe/bitstream/handle/20.500.11818/3978/TRAB.SUF.PROF_A DVINCULACRUZ%2CLuz.pdf?sequence=2&isAllowed=y . Alvarez, J. (2009). Introducción Transformador monofásico Transformador ideal en vacío. Transformadore, 1-38. Amazon. (2022). 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