Diseño, desarrollo y evaluación de un estimulador eléctrico para

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Diseño, desarrollo y evaluación de un
estimulador eléctrico para estudios
neurofisiológicos.
Fernando M. Zunino, Sergio O. Escobar, Alejandro M. Massafra, Claudia E. Bonell y Carolina B.
Tabernig
Facultad de Ingeniería, Bioingeniería, Universidad Nacional de Entre Ríos
lirins@bioingenieria.edu.ar
Resumen— Muchos protocolos de investigación que se
emplean en estudios neurofisiológicos exigen contar con
estimuladores eléctricos de prestaciones especiales los cuales
no están disponibles en el mercado nacional. En función de
esto, este trabajo describe el diseño y desarrollo de un
estimulador eléctrico multipropósito, el cual posee dos salidas
de estimulación cuyos parámetros pueden ser configurados en
un amplio rango de valores y con posibilidad de actuar en
forma sincronizada. Este estimulador será utilizado en su
primera aplicación para el estudio del reflejo de Hoffmann.
El estimulador desarrollado es comandado por el usuario
mediante una interfaz de display y teclado. Puede generar
pulsos de estímulos de corriente constante monofásicos o
bifásicos. Sus salidas pueden actuar en forma independiente
entre ellas activadas por teclado o actuar en forma
sincronizada activadas por un dispositivo externo o por
teclado. Cada salida brinda cuatro modalidades de
estimulación diferentes. Los parámetros más importantes que
se pueden controlar son el ancho del pulso, la frecuencia de
estimulación, la intensidad del estímulo y el tiempo de retardo
del disparo.
La evaluación preliminar del funcionamiento del equipo se
realizó en laboratorio, simulando la impedancia biológica con
distintos valores de resistencia. Se probaron todos los modos
de estimulación en las dos salidas. Se evaluaron los rangos de
los distintos parámetros del estimulo, además se calculó el
porcentaje de desviación de la corriente de salida para cada
paso de intensidad ante una variación de la impedancia de
carga de la salida.
Los parámetros y prestaciones del equipo relevados en
laboratorio cumplieron las premisas de diseño, logrando que
el estimulador desarrollado sea muy versátil tanto para el
estudio del reflejo Hoffman como para otros fines.
Palabras clave— estimulador eléctrico, reflejo de
Hoffmann.
I. INTRODUCCIÓN
L
as dificultades en el control motor voluntario son
secuelas comunes posteriores a los daños medulares y
cerebrales, producidos por accidentes cerebro
vasculares, traumas, tumores y otras disfunciones de la
neurona motora superior. La gran diversidad de técnicas de
rehabilitación existentes dificulta la valoración objetiva de
los efectos de cada una sobre los avances logrados. Más
aún, no se conocen con exactitud las razones de estas
mejoras siendo probable que se deban a cambios plásticos a
nivel espinal y/o cerebral. El reflejo de Hoffmann o reflejo
H es una de las herramientas de exploración
neurofisiológica que puede emplearse para valorar estos
cambios plásticos. Es un reflejo medular evocado por
medio de la estimulación eléctrica de un nervio mixto y
registrado por electromiografía. Es considerado el
equivalente eléctrico del reflejo miotático [1]. Esta
respuesta refleja, cuantificada en términos de la amplitud de
la onda H, se ve modificada por diferentes mecanismos
neuronales e información proveniente de los distintos
centros. Es así que muchos de los protocolos de
experimentación que emplean el reflejo H evalúan la forma
de interacción de las vías que confluyen a este circuito
reflejo mediante la utilización de otros estímulos eléctricos
denominados estímulos condicionantes, sincronizados y
secuenciados con el estímulo eléctrico que evoca el reflejo
H [1], [2], [3]. Un esquema de las condiciones de registro
del reflejo H puede observarse en la Fig.1.
Fig. 1: Esquema de las condiciones de registro del reflejo H
Estas condiciones experimentales exigen estimuladores
especiales, con al menos dos salidas de estimulación,
flexibles en la programación de las mismas y con la
posibilidad de sincronizarlas tanto para la evocación del
reflejo como para producir el estimulo condicionante. Los
estimuladores eléctricos provistos por la industria nacional
no ofrecen las prestaciones antes mencionadas, en
particular la posibilidad de sincronismo [4][5]. En función
de esto, en este trabajo se presenta el diseño,
implementación y evaluación de un estimulador para
evocación del reflejo de Hoffmann con el fin de ser
utilizado conjuntamente con estímulos eléctricos
condicionantes en estudios de exploración neurofisiológica.
II. REQUERIMIENTOS DE DISEÑO
Se definieron como requerimientos de diseño que el
equipo brinde dos salidas de estimulación eléctrica, con la
posibilidad de sincronizar el disparo de ambas y de
configurar los distintos parámetros que son de interés para
esta aplicación. Además deberá brindar estímulos
monofásicos de polaridad seleccionable positiva o negativa;
o estímulos bifásicos compuestos por pulsos de
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estimulación positivos y negativos. En ambos casos los
estímulos deberán ser pulsos rectangulares de corriente
constante.
Los valores máximos y mínimos de los parámetros que
determinan los pulsos de estimulación se definieron de la
siguiente manera:
• Tiempo de retardo de la inicialización del
estímulo de 50 µs a 200 ms.
• Ancho de pulso de 100 µs a 200 ms.
• Intensidad del estimulo de 0.5 mA a 100 mA.
• Frecuencia del estímulo de 0,1 pps a 200 pps.
Para estímulos bifásicos, además de los parámetros
anteriores, se requirió que el tiempo entre pulsos (positivos
y negativos) sea configurable de100 µs a 200 ms. Se
estableció la necesidad de realizar distintas modalidades de
estimulación definiéndose cuatros modos diferentes:
1. Pulso simple: realización de un único estímulo.
2. Estimulación continua: mantenimiento de la
estimulación a la frecuencia configurada hasta que la
misma sea detenida.
3. Ciclo de trabajo: el periodo de estimulación es
dividido en dos etapas, una de estimulación continua y
otra de descanso en donde no se realiza estimulación,
pudiendo ser configurado en las siguientes relaciones
entre tiempo de estimulación y tiempo de descanso: 4/4
seg., 4/8 seg. 4/12 seg.
4. Tren de pulsos: se estimula a la frecuencia
configurada hasta completarse un número determinado
de estímulos comprendido entre 2 y 250.
III. DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO
El equipo diseñado está formado por cuatro bloques,
como se esquematiza en la Fig. 2, los cuales se describen a
continuación:
Fig. 2: Diagrama en bloque del equipo
Bloque de alimentación.
Todo el equipo está alimentado por un transformador
doblemente aislado. Este transformador alimenta una fuente
de bajo voltaje, constituida por un puente de diodos y un
circuito compuesto por tres reguladores de tensión que
brindan tres salidas de tensión continua distintas.
Otra salida del transformador principal alimenta la
fuente de alto voltaje, la misma se encuentra conectada a
dos transformadores que elevan el voltaje a 180 V. La
salida de cada uno de estos transformadores es rectificada y
estabilizada. Cada fuente entrega una tensión continua que
alimenta el bloque de salida (salida 1 y 2).
Bloque de comando y control
Este bloque está constituido esencialmente por un
microcontrolador 16F877A de Microchip (MCC), el cual
genera todas las señales de comando y control. Es el
encargado de realizar la interfaz con el usuario visualizando
todos los parámetros por medio de un display LCD de
veinte caracteres y cuatro líneas. Este bloque también
controla un teclado que permite la configuración de los
parámetros, forma y modos de estimulación. Determina el
inicio o fin de la estimulación a través del teclado o por una
señal externa (en la configuración de disparo externo).
Cuando se modifica la configuración de estimulación, el
MCC transmite los nuevos parámetros hacia el bloque de
generación de pulsos. La transmisión de estos datos se
realiza enviando dos palabras de 8 bit por cada parámetro,
utilizando el protocolo I2C, para el cual el modulo de
transmisión I2C del MCC se configura como maestro a una
tasa de transmisión de 100 Kbit/seg.
El MCC realiza el control de la polaridad de los
estímulos por medio de dos multiplexores que se
encuentran en el bloque de generación de pulsos detallado
mas adelante.
Mediante una base de tiempo generada por medio de la
interrupción de un temporizador del MCC se controlan los
tiempos entre pulsos y la frecuencia de la estimulación
bifásica y los tiempos relacionados a los modos ciclo de
trabajo de la forma bifásica y monofásica. A través de dos
salidas digitales se envía la orden de comienzo o de
finalización de la estimulación al próximo bloque.
Por medio de dos leds, que se corresponden con cada
salida de estimulación, se muestra el estado de activación
en el que se encuentran.
Un conector de entrada dispuesto en el lateral del
gabinete está conectado a una de las entradas digitales del
MCC, y por medio de ésta se realiza el disparo de
sincronismo externo cuando se encuentra configurado el
equipo para actuar de esta manera.
Bloque generador de pulsos.
Este bloque se divide en dos etapas idénticas, etapa
generadora A (EGA) y etapa Generadora B (EGB). Cada
etapa contiene un microcontrolador 16F819 de Microchip
(MGP), que realiza el comando de la misma. A su vez
ambas etapas reciben del bloque de comando y control la
siguiente información:
• Modos de Estimulación: pulso simple, estimulación
continua o tren de pulsos.
• Parámetros de la estimulación: Ancho del pulso,
amplitud del pulso, frecuencia de estimulación,
tiempo de retardo, numero de pulsos de estimulación
(en modo tren de pulsos), polaridad de la
estimulación.
• Comienzo y finalización de la estimulación.
El MGP de cada etapa se encuentra configurado en modo
esclavo para el protocolo I2C, y se diferencian la EGA de la
EGB por su dirección de transmisión. Por medio de los
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temporizadores del MGP se realiza el control de los
tiempos correspondientes al ancho de pulso, tiempo de
retardo y periodo de pulsos.
Los pulsos generados por el MGP ingresan a un
amplificador inversor de atenuación controlada, el cual está
formado por un conversor analógico a digital
DAC0832LCN, y un amplificador operacional de bajo
ruido y gran ancho de banda en configuración inversora.
Mediante esta implementación el MGP controla la
atenuación en 255 pasos a través del conversor digital a
analógico. El pulso analógico de salida ingresa a un
segundo amplificador operacional, que permite realizar una
calibración tanto en amplitud como en nivel antes de su
ingreso al bloque de salida. La EGA y la EGB contienen
ambas un multiplexor analógico doble 4 a 1, controlado
digitalmente como se mencionó antes por la etapa de
comando y control, los cuales reciben en sus entradas
analógicas las salidas del segundo amplificador de la EGA
y EGB. Las dos salidas de cada multiplexor se comunican
con el bloque de salida como se ilustra en la Fig. 3.
Fig. 4: Esquema de la fuente de corriente.
que permiten aislar ambos bloques y mediante la selección
de las entradas de los multiplexores, se determina la
polaridad del pulso de salida. De manera que, si el
estimulador está configurado en forma de estimulación
monofásica, ambas etapas actúan de forma independiente.
Cuando el estimulador se encuentra en forma de
estimulación bifásica, la etapa EGA se utiliza para generar
el pulso positivo de estimulación y la salida de la EGB
realiza la generación del pulso negativo. De esta manera se
obtiene el mismo estimulo bifásico tanto en la salida 1
como en la salida 2, en el cual pueden modificarse los
tiempos en alto así como también la amplitud del pulso
positivo y negativo en forma independiente.
IV. EVALUACIÓN
Fig. 3: Diagrama simplificado del bloque generador de pulsos.
Bloque de salida
Este bloque está constituido por dos fuentes de corriente
constante correspondientes a las salidas 1 y 2 del
estimulador. Todo el bloque se alimenta de las dos fuentes
de alto voltaje de 180 V (una para cada salida).
El circuito electrónico de cada una de las fuentes de
corrientes está formado básicamente por dos ramas de tres
transistores cada una, tal como puede observarse en la Fig.
4.
En cada rama dos transistores trabajan como fuente de
corriente en configuración emisor común y son los que
generan a la salida alta impedancia cuando no se
encuentran excitados, mientras que el tercer transistor actúa
como controlador de corriente de los otros dos. De acuerdo
a cuál de los dos transistores se active, se obtiene un pulso
de corriente de polaridad positiva o negativa, respecto a los
contactos de los electrodos.
Los pulsos que provienen del bloque generador de pulsos
se convierten a pulsos de corrientes, de polaridad positiva o
negativa, en función de la entrada de la fuente de corriente
seleccionada. Las dos salidas de los multiplexores de la
EGA y la EGB se conectan a las entradas de los transistores
de las fuentes de corrientes de la salida 1 y de la salida 2
respectivamente, a través de optoaisladores de alto voltaje
La evaluación preliminar del funcionamiento del equipo
se realizó en laboratorio, registrando las salidas del equipo
con un osciloscopio digital y simulando la impedancia
biológica con tres valores de resistencia de carga (500,
1200 y 1800 ohm). Se probaron todos los modos de
estimulación en las dos salidas para estímulos monofásicos
y bifásicos.
Se midió el tiempo máximo de subida de los pulsos,
definiéndose el mismo como el tiempo transcurrido hasta
alcanzar el 80% de la máxima intensidad y se registraron
las desviaciones de los tiempos configurados.
Se evaluaron los rangos y la magnitud de los pasos de los
distintos parámetros de estímulo y se calculó el porcentaje
de desviación de la corriente de salida para cada paso de
intensidad ante una variación de la impedancia de carga de
la salida.
V. RESULTADOS
Se verificó la sincronización de las dos salidas de
estimulación, lográndose defasajes de tiempo entre las
mismas desde 10 µs hasta 200 ms. Se obtuvieron pulsos de
estimulación a corriente constante monofásicos y bifásicos
configurables en el rango de valores establecido en las
condiciones de diseño.
Los pulsos presentaron un tiempo máximo de subida de
20 µs; con una intensidad variable desde 0.2 mA hasta los
100 mA y una desviación de +/- 10% ante las distintas
cargas. Se observó una buena linealidad de la corriente de
salida en función de los pasos de intensidad configurados,
tal como puede apreciarse en la Fig. 5.
Se obtuvo un error máximo del 0.5% para los valores de
frecuencia de los pulsos monofásicos y bifásicos. Las
desviaciones máximas obtenidas para el tiempo en alto de
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los pulsos fue del 2% para tiempos en el orden de los
milisegundos y de 5% para el orden de los microsegundos.
Fig.7: Salida de estimulación bifásica.
Los distintos bloques del equipo diseñado fueron
montados en un gabinete cuya fotografía puede observarse
en la Fig. 8.
Fig. 5: Corriente de salida en función de los pasos de intensidad para
distintas cargas.
En la tabla I se resumen los rangos de los parámetros de
tiempo de los estímulos obtenidos a la salida de
estimulación
TABLA I
TABLA DE RANGOS Y PASOS DE LOS PARÁMETROS DE ESTIMULO
OBTENIDOS EN LAS SALIDAS.
Fig.8: Imagen del equipo con la conexión a electrodos
VI. DISCUSIÓN Y CONCLUSION.
Durante un ensayo de funcionamiento durante un
periodo prolongado se verificó pequeñas variaciones en la
intensidad de los estímulos.
A modo de ejemplo, en la Fig. 6 se muestra una
fotografía de una pantalla de osciloscopio donde se observa
una de las salidas del equipo configurada en forma
monofásica y modo continúo de polaridad positiva. En la
Fig. 7 se muestra la salida configurada en forma bifásica.
En ambas figuras la frecuencia de estimulación es de 50
Hz. ante una carga de 1200 ohm.
Fig. 6: Salida de estimulación monofásica.
Un estimulador eléctrico bicanal para la evocación del
reflejo de Hoffmann ha sido diseñado, montado y evaluado.
El equipo es comandado por el usuario mediante una
interfaz de display y teclado. Puede generar pulsos de
estímulos de corriente constante monofásicos o bifásicos.
Sus salidas en forma monofásica pueden ser independientes
o sincronizadas, activadas por teclado o por un dispositivo
externo. Cada salida brinda cuatro modalidades de
estimulación diferentes. Permite configurar en un amplio
rango el ancho del pulso, la frecuencia de estimulación, la
intensidad del estímulo y el tiempo de retardo del disparo.
La posibilidad de configurar el tiempo de desfasaje entre
ambas salidas cuando actúan sincronizadas, permite contar
con los dos estímulos eléctricos necesarios para estudios
neurofisiológicos basados en el reflejo de Hoffmann. De
esta manera se puede generar el estímulo que evoca al
propio reflejo y el estímulo condicionante [3].
En general, los parámetros de los estímulos relevados a
la salida del equipo mostraron que se han alcanzado los
requerimientos de diseño propuestos. Si bien los 20 µseg.
logrados como tiempo de subida de los pulsos evita el
desencadenamiento del proceso de acomodación de las
fibras nerviosas; en etapas posteriores de optimización del
diseño, podrían reducirse de manera de que no excedan el
10% del menor ancho de pulso disponible. El amplio rango
de intensidades permite obtener curvas de reclutamiento y
facilita la adaptación de los estímulos a la sensibilidad de
las distintas personas. La fuente de corriente constante
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diseñada logra mantener las condiciones de estimulación a
pesar de los cambios de la impedancia en la interfaz
electrodo/piel. Por otro lado, la alta impedancia obtenida a
las salidas, minimiza el drenaje de corriente entre los
electrodos cuando éstos no están activos. Las distintas
modalidades de estimulación y la activación de las salidas
en forma independiente, permiten emplear el estimulador
tanto para estudios de neurofisiología como para
rehabilitación [6]. Mediante el sincronismo externo el
estimulador puede ser disparado por otros dispositivos,
como por ejemplo, un equipo de adquisición o mediante
una PC, facilitando la realización de registros sincronizados
con el estimulo. Un paso en diseños posteriores podría
consistir en comandar y configurar el equipo por la PC
encargada de la adquisición.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
M. Cerrato, C. Bonell, C. Tabernig. “Factores que afectan el reflejo
de Hoffmann en su uso como herramienta de exploración
neurofisiológica”. Revista de Neurología, pp 354-360, vol. 41, nro.
6, agosto 2005.
E. Pierrot-Deseilligny, D. Mazevet, “The monosynaptic reflex: a tool
to investigate motor control in humans. Interest and limits”,
Neurophysiol Clin., vol. 30,pp. 67-80, 2000.
E. P. Zehr, “Considerations for use of the Hoffmann reflex in
exercise studies”, Eur J Appl Physiol; vol. 86, pp.455-68, 2002.
TEXEL disponible en www.texel.com.ar Junio 2006
CEC disponible en http://cec.com.ar/pub/homepage.php Junio 2006
K. W. Horch, G. S. Dhillon “Neuroprosthetics Theory and Practice”
Series on Bioingineering and Biomedical Engineering – Vol 2,
World Scientific Publishing Co, 2004.