EQUIPO PARA ADQUISICIÓNDE SEÑALESDE ELECfROCONDUCCIÓN

EN EL SISTEMANERVIOSO P:ERl::FÉRIco EN HUMANOS.

DISEÑoy CONSTRUCCIÓN

LEONARDO CORDERO CARRILLOIngeniero Electrónico UIS

leoncord@yahoo.com

CARLOS HUMBERTO ESPARZA FRANCOIngeniero Electrónico UIS

carlosesfra@yahoo.es

DIEGO ROLANDO MAHECHA CAPACHOIngeniero Electrónico UIS

diego@wissenblitz,com

JAIME GUILLERMO BARRERO PÉREZProfesor Asociado Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones

Universidad Industrial de Santanderjbarrero@uis.edu.co

ESPERANZAHERRERA VILLABONAProfesora Asociada Escuela de Fisioterapia

Universidad Industrial de Santandereshevi@uis.edu.co

RESUMEN

Un examen de electroconducción consiste en la medición de la velocidad de respuesta de los nerviosperiféricos, ante un estimulo eléctrico de alto voltaje y corto duración. La respuesta a este estimulopuede ser un potencial de acción nervioso sensitivo compuesto o potencial de acción nervioso motorcompuesto. Es asíquepara realizar un estudio de electroconduccián es necesarioregistrary visualizareste tipo de potenciales de acción. El NCV2003 es un dispositivo diseñado para este propósito,contiene un estimulador, un sensor de temperatura y un sistema de adquisición de señales. La señalcapturada se digitaliza con una resolución de 16 bits Y es llevada a un computador que visualizaresultados como la temperatura, la latencia, amplitudy velocidadde conducción nerviosa delpaciente.Con los resultados obtenidos, se genera un reporte con el cual el especialista que está realizando elestudio, puede realizar con facilidad un diagnostico del paciente.

PALABRAS CLAVE: Electroconducción nerviosa, sistema nervioso periférico, potencial de acción,latencia, velocidad de conducción nerviosa.

INTRODUCCIÓN

Las afecciones nerviosas, en especial en los nerviosperiféricos, sonun problema que puede afectar a cualquierpersona, biensea por un accidente o por seruna enfermedadcongéuita. La manera óptima de determinar este tipo de

problemas es por medio de un examen deelectrodiagnóstico, el cual consiste en dos exámenesdiferentes que son: el examen de electromiografia y elexamen de electroconducción.

UIS Ingenierías, Volumen 3, No.l, pags. 9-20, Julio 2004; Facultad de Ingenierias Fisicomecánicas, UIS

10 REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERíAS FISICOMECÁNICAS

Este último consiste en el análisis de las amplitades de lospotenciales de acción y de las velocidades de conducciónnerviosa, tanto en. fibras motoras como en fibras sensitivasde los distintos nervios periféricos. Estas amplitades yvelocidades de conducción se pueden estudiarpreviamente, para así determinar ciertos rangos normalesen una región, dentro de los cuales se puede afIrmar quelos nervios periféricos se encuentran en perfecto estado.

Conociendo la importancia del estudio de laelectroconducción nerviosa en el diagnóstico; pronósticoy evaluación de patologías del sistema nervioso periférico,la Escuela de Fisioterapia de la Universidad Industrialde Santander propuso el trabajo de investigación"Detenninación de valores nonnales de electroconducciónen los nervios mediano, cubital, radial, sural, peroneo ytibial posterior en personas normales con edades entrelos 18 y 27 años en el área metropolitana deBucaramanga", el cual pennite establecer parámetros deelectroconducción que servirán de apoyo a futurasinvestigaciones en este campo. El éxito de estos estudiosdepende en granparte de las técnicas y equipos empleadospara la realización de pruebas y toma de registros.

Por lo planteado anteriormente surgió la necesidad deconstruir un equipo de bajo costo, capaz de adquirir)visualizar, almacenar y analizar datos de velocidad yamplitud de las señales de e1ectroconducción nerviosamotora y sensitiva en el sistema nervioso periférico enhumanos, empleando un computador que facilite elposterior análisis de los registros tomados.

ELECTROCONDUCCIÓN NERV10SA

La electroconducción nerviosa es el análisis de laspropiedades de transmisión eléctrica de los nervios, estetipo de transmisión se realiza en dos tipos de fibras, sensitivasy motoras, las cuales requieren diferentes -parámetros paraser analizadas; para entender como se realiza esta medición,es necesario conocer el funcionaniiento del sistema nerviosoperiférico, iniciando desde su estructora fundamental bastallegar a la más compleja.

Electrofisiología Básica

La célula conslitaye la estructura básica y funcional delcuerpo humano, mantiene IDla organización individualbásica; Para mantener sus funciones vitales, la célulanecesita interactuar activamente con su ambiente externoe interuo a través de la membrana celular, que le penníte el

intercambio de sustancias y nutrientes para mantener sumetabolismo, así como el desec~o de algunos productosde su función interna.

La célula como unidad de conducción eléctrica.

Sobre la base de su comportamiento eléctrico se puedendiferenciar dos tipos celulares: células excitables y célulasno excitables.

En las células excitables el potencial de membrana sufreimportantes variaciones periódicas asociadas a la funcióncelular. Las células nerviosa y muscular, son de este tipo,en enas se producen cambios cíclicos y rápidos del potencialde membrana. El fenómeno de excitación eléctrica secaracteriza por la aparición de IDl cambio de conductancia(permeabilidad) para algunos de los iones involucrados enel potencial de membrana.

La membrana celular cumple tres funciones básicas:

Mantener, establecer, controlar o variar la concentraciónde electrólitos, no electrólitos o agua en la célula; realizadamediante diferentes mecanismos de intercanlbio,transducción de señales y favorecer ciertas interaccionesmoleculares, actuando como un catalizador.

Anatomía y fisiología de los nervios periféricos.

Dos Iipos principales de células forman el sistema nervioso,las neuronas y las células gliales (neuroglia). Las neuronasson células excitables que conducen los impulsos que bacenposible todas las funciones del sistema nervioso. En otraspalabras, forman el "alambrado" de los circuitos deinformación del sistema nervioso. Por otra parte, la neurogliao células glia1es no conducen infonnación ellas mismas, peroapoyan de diversas maneras la función de las neuronas. Lasneuronas teInUnan en dendritas y axones; la unión de muchastenninaciones conforma los nervios. Las fibras que formanlos nervios pueden ser mie1ínicas o amielínicas.

El tronco nervioso está formado por fibras nerviosasgrandes, denominadas fIbras mielínícas yunnúmero mayorde fibras más pequeñas denominadas amielinícas, las cualessuperan en casi el doble la cantidad de fIbras mielinícas deltronco nervioso.

La fIbra mielíníca típiCa, está formada porunnúc1eo centralque es el axón y la membrana del axón que es la verdaderamembrana conductora delpotencial de acción. La velocidad

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de propagación de los potenciales de acción en las fibrasmielinizadas es mayor debido a que los potenciales sepropagan a través de los nodos de Ranvier ubicados a lolargo del axón y no a través de todo el axón, disminuyendoasí el recorrido efectivo del potencial de acción.

Las fibras nerviosas pueden ser efectoras o motoras deconducción centrífuga, las cuales transmiten los impulsosdesde el neuroeje basta los órganos periféricos, estas fibraspueden ser somáticas si están destinadas a los músculosvoluntarios, o viscerales cuando inervan a los músculosinvoluntarios o las glándulas. Las fibras aferentes osensitivas, son de conducción centrípeta y recogen losestímulos de diferente naturaleza de la periferia,transmitiéndolos al sistema nervioso central.

El sistema nervioso periférico es un complejo de estructurasnerviosas formado por los nervios simados en la regiónexterna del sistema nervioso central. Estos pueden sercraneales (originados en el encéfalo) o raquídeos(originados en la médula). Los nervios raquídeos cumplenfunciones sensitivas y motoras; en tanto que los nerviosmotores llevan información a los músculos estriados y alos músculos controlados por el sistema autónomo, comoel músculo liso y el cardiaco.

Potencial de acción unitario.

El potencial de acción se encarga de producir impulsosnerviosos, que trasladan información proveniente delsistema nervíoso. Son cambios abruptos del potencial demembrana en reposo que se asemejan a pulsos; seconducen a 10 largo de los nervios empleando tiempos detransmisión que van desde algunas diezmilésimas desegundo, a unas cuantas milésimas.

Un potencial de acción puede ser causado por diversosfactores que alteren el estado de reposo en la membrana;éstos pueden ser estímulos eléctricos, químicos omecánicos. Los potenciales pueden ser locales, es decir nopropagados, o propagados, que son potenciales de accióno impulsos nerviosos.

Las fases en que se divide el potencial de acción son: elestado de reposo, la despolarización, la repolarización y lahiperpolarización; ligadas con los cambios rápidos delpotencial de membrana.

La despolarización es la pérdida repentina del potencialnormalmente negativo en el interior de la fibra. Esocasionado por el aumento transitorio de la permeabilidad

al sodio, como respuesta a un estímulo de excitación de lacélula que ocasiona la apertura de canales de compuertade voltaje especificos para el ión.

La fase de repolarización es el estado del potencial de acciónque sepresenta inmediatamente después de ladespolarización;en élla membrana se bace impermeable al sodio.

La hiperpolarización es el lento retorno de los canales depotasio a su estado de inactivación, lo que permite que elpotasio continúe saliendo de la célula (en condicionesmayores a las normales), ocasionando que el gradiente depotencial en la membrana siga disminuyendo incluso pordebajo del potencial de reposo inicial.

Figura. 1. Génesis del potencial de acción. A; estado de reposo. B; fasede despolarización. C; fase de repolarización. D; hiperpolarización.Herrera Villabona, Esperanza. Conferencia, "Bases fisiológicas para eluso de la corriente eléctrica". Bucaramanga. Julio 24/2002.

SISTEMAS DE ELECTROESTIMULACIÓN

En la actualidad existe una gran variedad de sistemas parala electroestimulación, con diversas característicaseléctricas en las señales que producen el estimulo y el grannúmero de aplicaciones que brindan; para comprendermejor las características de los equipos se agruparán de lasiguiente forma:

Clasificación por su composición electrónica.

Externos invasivos: formados por un componenteelectrónico externo y un electrodo de aguja el cual penetraen la piel y aplica el estimulo.

1 Z REVISTA DE LA FACUU"AD DE INGENIERIAS FISICOMECÁNICAS

Externos no invasív()s: laestimulaciónen sistemas no invasivostiene como característica fundamental que tanto el componenteelectrónico, así como los electrodos son de uso externo, siendolos más utilizados los electrodos de tipo superficial Ag-AgClespeciales para este tipo de trabajo sobre la piel

Completamente implantables: en estos el equipo está ensu totalidad puesto sobre la piel y desde allí se genera laseñal de estimulación.

Clasificación según los efectos en el organismo.

Las clasificaciones de las señales de estimulación debido alos efectos que causan en el organismo se pueden dividiren señales que producen efectos electroquímicos, efectosmotores sobre nervio y músculo, efectos sensitivos sobrenervio sensitivo, efectos por aporte energético para mejoradel metabolismo.

Clasificación por frecuencias.

En la fisioterapia generalmente se emplean corrientesdenominadas radiaciones no ionizantes, cuyo límite seencuentra en las radiaciones ultravioletas de tipo B delespectro electromagnético. Toman diversos valores y sedividen en baja frecuencia (de O a 1000Hz), medianafrecuencia (de 1000 a 500kHz comúnmente tomada desde2000 a 10kHz)y alta frecuencia de 500kHzbasta el límite delos ultravioletas de tipo B y C.

Clasificación debido a la forma de onda de lacorriente.

La clasificación debido a la forma de onda de la corriente,cuenta con un rango diverso de ondas con las cuales esposible estimular el organismo tales como: flujo constantey flujo interrumpido con polaridad mantenida, flujoconstante y polaridad invertida, flujo interrumpido conpolaridad invertida e interrumpida, moduladas enfrecuencia, moduladas en amplitud entre otras.

ESTUDIOS DE CONDUCCIÓN

El registro de los potenciales de las fibras mixtas se realizaen fibras motoras y en fibras sensitivas del nervio mixto,este tipo de estudios se realiza por medio de métodosindirectos y directos respectivamente.

Estudios de conducción nerviosa sensorial (PANS).

Los estudios de conducción nerviosa sensitiva midenla conducción de los impulsos nerviosos a lo largo delos nervios sensitivos. El método rutinario para lamedición de la velocidad de conducción en las fibrasnerviosas sensitivas, tiene presente el diámetro delnervio a probarse [1]. Para realizar este tipo de estudiodel PANC existen dos métodos: ortodrómico yantidrómico.

En el método ortodrómico el registro se hace en un sitioproximal y la estimulación en el extremo distal del nervio;el término ortodrómico se refiere a la dirección en queviaja el impulso nervioso durante el estudio de laconducción nerviosa, que coincide con la dirección deconducción fisiológica [2], [3].

Para el caso de la conducción antidrómica la localizaciónde los electrodos de estimu1ación y registro debeinvertirse; el término antidrómico se refiere a la conducciónque se realiza en sentido contrario a la conducciónfisiológica del nervio. La conducción antidrómica comométodo de registro, presenta al parecer algunasdesventajas como la distorsión de la onda, la disminuciónde la amplitud y la activación simultánea de fibras motorasy sensoriales. Los potenciales registrados desde lasuperficie corporal se obtienen a través de un medioconductor de volumen. Por tanto, en este tipo de registrosla disposición de los electrodos determina la forma de laonda y su signo; de acuerdo con la disposición de loselectrodos pueden realizarse registros bipolares omonopolarcs. [2], [3], [4].

Figura.l. Prueba de conducción nerviosa Tomado de http://MEDLINEplus Enciclopedia Médica Prueba de conducciónnemosa.htm Febrero 27/2003.

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Estudios de conducción nerviosa motora(PAMC).

En este se estudia la conducción del impulsonervioso en las fibras motoras del nervio. Con el finde ignorar el tiempo de retraso en la conducción dela placa motora se realiza un estudio distal y otroproximal.

El registro distal se realiza por medio del métodovientre muscular-tendón, en donde se ubican loselectrodos de registro en el músculo "blanco 1/ y seestimula el nervio en un punto distal. Por otro lado,para el registro del segmento proximal, se realiza laestimulación en un punto proximal del nervio motor;en este caso la ubicación de los electrodos deregistro conserva la misma disposición que en el casodistal. En ambos casos hay que realizar unaobservación detallada en la contracción muscular,porque una respuesta no esperada, significa que seha realizado una estimulación errÓnea [5], [6].

Parámetros obtenidos del estudio deconducción nerviosa motora [5J,[6J.

Latencia. La latencia es el tiempo que transcurre entreel estimulo y la respuesta del nervio. En los estudiosde nervios motores, esta latencia incluye el tiempo deconducción nerviosa y el tiempo de transmisiónneuromuscular, ver Figura 3. Dado que en este caso serealizan dos estudios: distal y proximal, como resultadose calculan las latencias correspondientes (latenciadistal: DLAT y latencia proximal: PLAT). Para ignorarel retraso de conducción de la placa motora se calculala velocidad de conducción dividiendo la distancia entreel electrodo de estimulación distal y proximal por ladiferencia de latencias distal y proximal.

Amplitud. La amplitud (AMPL) de un potencialevocado, depende del número de axones que conduzcanel impulso desde el punto de estimulación y delvolumen muscular, es medida desde la base hasta lacresta del pico positivo (Figura 3).

Duración. La duración (DUR) refleja la sincroniaen la descarga de las fibras musculares individuales.Su medición puede obtenerse desde el inicio delpico negativo hasta la finalización del positivo,Figura. 3.

LATENCIA

Figura.3. Componentes del PAMC Tomada de httpJ/www.med.ege.edu.tr/norolbil/2000/NBD10900.html. Junio de 2003 [7].

Velocidad de conducción. Para el cálculo de la velocidadde conducción (SVe) de las fibras sensitivas solo serequiere realizar un estudio del segmento distal del nerviosensitivo, en tanto que para el estudio de conducción delas fibras motoras se precisa un estudio del segmento distaly otro proximal, por las razones ya expuestas. En el últimocaso se calcula la velocidad de conducción motora (CVM),dividiendo la distancia entre los dos puntos de estimulación,por la diferencia entre las latencias distal y proximal.

CVM = Dist.Elect.Estim (1)

(LATp,"x - LATd,,,)

SVC = Dist.Elect.Estim.y.Reg (2)

LAT

Al calcular la CVM, se está observando la reacción de losaxones motores más rápidos que participan en el proceso.El resultado obtenido es variable según la temperaturacorporal de la persona.

En al mayoría de estudios de conducción nerviosa el rangonormal está detenninado por el intervalo correspondientea 2 desviaciones estándarZ ; al tomar como referencia dosdesviaciones estándar los valores individuales que caenen este rango son e195% de las muestras, en otras palabrastodos los valores comprendidos en este intervalo sonconsiderados nonnales. El valor obtenido también se tieneen cuenta como factor de exclusión de datos susceptiblesde error de obtención o de anormalidad del nervio [1].

2 El parámetro correspondiente a desviación estándar determina decómo se distribuyen los valores individuales alrededor del valor medio.

14 REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERíAS FISICOMECANICAS

MEDICIÓN DE SEÑALES BIOLOGICAS

En el registro de biopotenciales hay que tener en cuentaque las señales obtenidas pueden diferir un poco entreellas debido a diversos factores que cambian los resultadosobtenidos, no todas las veces es atribuible al ruido, este esun factor fundamental pero no el único, otras factores queafectan los sistemas de medida son por ejemplo el tipo demedición que realice el equipo, el método que se utilicepara el tratamiento de la señal, los elementos utilizados enla transducción, entre otros.

Categorías en la Medición de Señales Biomédicas

Existen tres categorías principales en la medición de señalesbiomédicas: la directa, la indirecta y la nula. Losinstrumentos electrónicos están basados en estas trescategorías.

Medición directa: es la que se realiza al tomaren el objetoa ser medido y compararlo con el medidor estándar paradicho procedimiento de medida. Es decir, si por ejemplo sedesea cortar un pedazo de cable coaxial de 24cms esnecesario compararlo con un objeto de medida, en nuestrocaso una regla, en la cual se encuentra representada launidad de medida estandarizada para la longitud.

Medición indirecta: como su nombre 10 indica no se realizadirectamente sobre el objeto a medir, si no que existe algúncomponente que separa los instrumentos de medida del objetoa mediry se hace necesario realizar la medición conjugándolacon factores o constantes que representen el medio que limitanla medición directa. Aunque este tipo de medición es muyutilizada se encuentra en un segundo plano desde punto devista de una medición exacta Pero en cambio se encuentra enprimer lugar cuando los métodos directos son dificiles derealizar o sonpe1igrosos. Un ejemplo de esto serla la mediciónde lapresión sangninea la cual se realiza por método indirectotomando como base, los sonidos Korotkoff que estáncorrelacionados conla presión arterial saoguinea sistólica (ps)y la diastólica (Pd). El método directo en este caso puede sermas preciso pero es un método peligroso debido a que es unprocedimiento quirúrgico invasivo [8].

Medición nula: este tipo de medición es útil cuando lafuente de referencia es desconocida, se realiza cuando porcomparación se desea calibrar una fuente a un valordesconocido, este procedimiento se lleva a cabo por mediodel ajuste de la fuente calibrar hasta que la diferencia de lasdos sea cero. Para realizar este procedimiento es necesarioutilizar un comparador que tenga la capacidad de verificar

que las dos fuentes se encuentran a igual voltaje; elgalvanómetro con centro-cero es el más indicado en esteprocedimiento.

lliRDWARE

El eqnipo de adquisición de señales de electroconducciónse divide en dos etapas principales, la ETAPA deadquisición la cual trabaja a una resolución de 16 bits y latarjeta de estimulación la cual proporciona un estímulomáximo de 500V a un paciente. La taljeta de adquisiciónacondiciona la señal de tal fOnTIa que entrega un valorpico máximo de 10 V, aprovechando así el rango deconversión de -lO a + lO V del conversor AJD conresolución de 16 bits. Por otra parte, el equipo cuenta conun módulo para el registro de la temperatura corporal. Elancho de banda del sistema esta comprendido en un rangode señales de 0.03Hz hasta 5kHz. En la Figura 4 se muestrael diagrama de bloques.

Figura. 4. Diagrama de bloques del sistema.

Etapa de Adquisición

En el diseño se optó porlarea1ización de dos tujetas, laprimeraes la encargada del acondicionamiento de las señales análogas(señal de electroconducción y registro de temperatura), estatarjeta de adquisición de señales contiene las etapas deprearnplificación, aislamiento, filtrado y amplificación. Lasegunda taJjeta es la encargada de digitalizar las señales pormedio de un conversor aruíJogo-digital con resolución de 16bits y enviarlas al puerto paralelo del computador, ademásajusta la ganancia del amplificador de instrumentación congananciaprogramable (pGA204AP).

La adquisición de la señal de electroconducción se realiza pormedio de tres electrodos no invassivos. (de tipo superficíal).Se seleccionarOI1los electrodos de tipo superficial para noincomodar alpaciente en e1momento derea1izar los exámenes.

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La conexión de la señal del paciente al equipo se realiza pormedio de cables especiahnente apantallados, los cnales evitano minimizan, toda clase de interferencia electromagnéticaque se pueda presentar debido a ruido externo.

El nivel de continua que presentan los electrodos debido alpotencial de semicelda, es eliminado pormedio de filtros activosde segundo orden con un solo amplificador de la familia SAB(Bicuadrados de amplificador individual), conocidos comocircuitos sallen-key, como se nmestra enla Figura S [9].

El filtro diseñado tiene impedancia de entrada alta en elrango de frecuencias que comprende el ancho de bandadel equipo, el valor esta en este tipo de filtros esaproximadamente igual al valor de Iaresistencia RI (4S0KQ).

Comparada con la de la pie~ la impedancia de entrada de estefiltro es alta ypor lo tanto la caída de tensión que se presenta enla piel es ptácticamente cero, de esta manera se asegura que laspequeñas señales registradas por los electrodos no seanafectadas por efectos de carga de las etapas de amplificación.

I OP~4131PJ

+ +

I...

., C2 .2Vout

"--l- " ¿-

Cl

+ 0--11-Vin

--'--

Figura. 5. Filtro de segundo orden con un amplificador, usando unared T en puente.

amplificadores de instrumentación son los elementos másútiles para esta aplicación, gracias a que las impedanciasde cada una de las entradas es mny alta sin importar laganancia, además, esta se puede controlar por medio deuna sola resistencia 10 que 10 hace muy versátil, sinembargo, la característica más importante que presentanestos circuitos es que su salída no depende del voltajecomún en las entradas, únicamente depende del voltajediferencíal en sus entradas.

La etapa de preamplificación de la señal está constituida porlo tanto, por un an1plificador de instrumentación que cUU1jllelos requerimientos necesarios para este tipo de aplicaciones.El amplificador de instrumentación idóneo para estaaplicación es el INAI14AP, cuyas características mássobresalíentes son: alta impedancia de entrada (101°0 116pF),tanto en modo común como en modo diferencial, el rechazoen modo común mínimo de 106dB Ytipico de llOdB conganancias mayores a 100, ancho de banda (-3dB) congananciade 200 ignal a 9kHz, rapidez de respuesta de 0.6 V/J-lS, nivelde offiet en la salídamenor a SOJ-lVyelrnido a baja frecuenciaque es aproximadamente de 0.4 J-lVp-p medido desde 0.1 Hzhasta 10Hz, uno de los menores qne se presentan en estaclase de circuitos integrados. Al ser extremadamente alta laimpedancia de entrada, la corriente en las entradas delan1plificador son menores de ± I nA. La etapa de adquisiciónesta acoplada en cascada con la de prean1plificación.La etapade prean1plíficacióntoma la señal diferencial proveniente delos filtros y la an1plífica doscientas (200) veces.

Para el caso de un potencial de acción muscular compuesto(PAMC), en donde las an1plítudes son aproximadamente20mV se logra una preamplíficación qne genera una señal de4 voltios. La señal prean1plíficada se amplificará nuevamenteen proporción de 3, para lograr así aprovechar el rangomáximo de conversión (-10 a 10V) del conversor análogo/digitalAD7S07 usado posterionnente, la Figura 6 muestra laconexión entre adquisición ypreamplificación.

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"_.

El circuito integrado utilizado para los filtros es el amplificadoroperacional OPA413 1, por las características que presentacomo: alta in1jledancia a la entrada (1010 lllpF en mododiferencial y 1012 11 3pF en modo común), alto rechazo enmodo común (SOdB), ruido en baja frecuencia pequeño(2InVNHz a 10Hz) y bajo voltaje de offset a la salida(7SOJ-lVmáx), además por tener entradas FET el consumo decorriente a la entrada es de SO pA como máximo.

En este tipo de aplicaciones es común encontrar señalesde mny peqneña amplitud que solo pueden ser medidas y

amplificadas de manera diferencial, por esta razón los Figura. 6. Adquisición y Preamplificación de la sel1al.

Preamplificación de la Selial.

16 REVISTA DE LA FACU¡;rAD DE INGENIERIAS FISICOMECANICAS

+

Etapa de aislamiento.

Como la señal adquirida debe ser llevada a un computador,es necesario asegurar la integridad del paciente contrachoques eléctricos, esto se logra ntilizando elIS0122JP dela Burr Brown. Este circuito es un amplificador deaislamiento con dos puertos aislados, entrada y salida, ysus especificaciones son las siguientes: aislamiento de 1500V rms continuos, error de linealidad máximo de ± 0,02%,rechazo en modo de aislamiento de 140 dE, rapidez derespuesta de (SR) de 2 V/flS, voltaje de offset a la entradade 20mV típico y 50 kHz de ancho de banda, la conexión delcircuito se muestra en la Figura 7.

Filtrado.

En la etapa de aislamiento se genera una componente decontinua inherente al offset del amplificador de aislamiento,que es de 20 mV máximo según especificaciones delfabricante. Esta componente de continua no presentainconvenientes para la señal motora registrada, casocontrario ocurre en el registro de la señal sensitiva, endonde cualquier componente de continua que aparezca,por muy pequeña que esta sea, satura el sistema debido alalto grado de amplificación que se debe usar, pues unpotencial de acción nervioso sensitivo tiene una amplitudde microvoltios.

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Figura. 7. Conexión del aislador ISO 122JP.

Advirtiendo este problema, se utilizó nuevamente el filtropasa altos con frecuencia de corte de O.OIHz diseñadoanteriormente. Al acoplar en cascada este segundo filtropasa altos, la frecuencia de corte bajo [mal deja de ser 0.01Hz, no obstante, esta se ve afectada en un factor muypequeño según la fórmula que se muestra a continuación.El efecto en la frecuencia de corte debido al acople encascada de los filtros se muestra en la Figura 8 [9].

(3)

Donde FCL es la frecuencia de corte bajo, FCl es lafrecuencia de corte bajo de los filtros y N es el número defiltros acoplados.

En este punto y según la fórmula, la frecuencia de cortebajo, a la salida del segundo filtro pasa altos es 0.0155Hz.Este filtro pasa altos se acopla con un filtro pasa bajosde cuarto orden, para eliminar componentes de altafrecuencia que no representan interés alguno para elestudio, pero que pueden ocasionar la aparición dealiasing en el momento de digitalizar la señal. Lafrecuencia de corte alto del filtro pasa bajos implementadoes de 5KHz.

Para implementar el filtro de cuarto orden, se usaron unpar de f1ltros activos universales UAF42AP-ND de la Burr­Brown. La ventaja que presentan estos circuitosintegrados es que contiene capacitares internos de1 009pF con tolerancia de 0.5%. Otras bondades que presentaeste circuito integrado son: su rapidez de respuesta (SR)de 10 V/flS, un ancho de banda de 100 KHz y la muy bajacorriente de entrada debida a las entradas FET de losamplificadores.

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Figura. 8. Respuestas en frecuencia de un filtro pasa altos y dosconectados en cascada respectivamente. Comparación.Simulación en Circuit Maker 2000.

Con la realización de diversas pruebas, la mejor topologiapara la aplicación es un filtro Chebyshev, donde el criteriode selección fue la rapidez de respuesta del f¡J.tro en labanda de transición. En la Figura 9 se presenta la etapa def1ltrado.

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Figura. 9. Etapa de filtrado de la señ.a1.

Amplificación de la señal.

Esta etapa está constituida por dos amplificadores deinstrumentación que en conjunto entregan un máximo deamplificación de trescientos (300). El amplificador deinstrumentación de gananciaprogramable PGA204 de laBurr­Brown amplifica la señal 100 veces si es de tipo sensitiva opresenta ganancia unitaria si la señal es motora. En el PGA204se pueden seleccionar 4 diferentes tipos de ganancia (1,10,100 Y 1000), sin embargo solo son usadas dos de estas.

El circuito inlplementado para ajustar la ganancia es elmostrado en la Figura 10.

Sensor de Temperatura

La etapa demediciónde temperaturase implementa conel sensorde temperatura IM35DZ, el cual presenta una salida de voltajelineal proporcional a la temperatnra en grados centígrados.

El sensor presenta una alta precisión, maneja un rango detemperaturas entre -55°C a 150°C; la temperatura se indicaa la salida del circuito integrado por medio de tensionesque varían 10mV a razón de cada grado 1°C.

Figura. 10. Etapa de amplificación programable.

Conversión de la Señal

La entrada del conversor es multiplexada para realizar lasconversiones de temperatura y señal respectivamente. Lasseñales de entrada analógicas, se encuentran limitadas enun rango de·10V a +10y, los valores de entrada se logran alconfigurar el hardware del conversor con característicasque se ajustan a los requerimientos en la entrada, la Figura11 ilustra la aplicación usada, el uso de esta configuracióna su vez permite la calibración de la señal.

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Figura. n. Esquema para la conexión de los pines de entrada delconversor AID.

La salida de datos del conversor AID se realiza en formaparalela y es controlada por el software de adquisicióndesarrollado en LabVIEW; en el programa se realizan lassecuencias para la conversión.

La comunicación con el computador se realiza a través delpuerto paralelo, para utilizar con este periférico se trabajocon Lah VIEW, a través del modo de operación SPP(standardparallelpor!), el cual permite el manejo de datosen forma bidireccional.

Etapa de Electroestimulación

Esta formada por dos subetapas; la prinlera es la encargadade la generación de pulsos, los cuales son producidos porun circuito monoestable; la segunda es la encargada de laamplificación, constituida por una fase de potencia y untransformador trabajando como elevador de tensión.La estimulación se realiza pormedio de pulsos monofásicos,los cuales se originarán por medio del circuito integradomonoestable HEF 4538, encargado de generar los pulsos deestimu1ación, el ancho del pulso de estimu1ación es de 100flS.

1 B REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERíAS FI51CDMECÁNICAS

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Figura. 13. Panel de control "datos paciente".

Una vez registrados los datos del paciente, se inicia laadquisición de las señales digitalizadas que se visualizaranen el panel de captura mostrado en la Figura 14.

El software desarrollado, presenta un panelprincipal el cual brinda acceso a diversas opcionescomo: registro del paciente, captura de la señal,generar reporte, filtrado de la señal, mostrar reporte,opciones de configuración del sistema, créditos ysalir de programa. El panel principal se muestra enla Figura 12.

En la amplificación de potencia se emplea un transformadorelevador de tensión DC-DC con núcleo de ferrita y unarelación de ganancia 1:100 (NI=20, N2~2000) el cualaumenta la tensión en un rango de OV a 500V.

La visualización de la señal de conducción nerviosaperiférica se realiza a través del software de capturadesarrollado en Lab VIEW®. La herramienta virtualdesarrollada en Lab VIEW ® pernúte recrear ambientesde fácil interpretación y manejo, por parte del personalespecializado, encargado de la realización del examende velocidad de conducción nerviosa; como Figura. 12. Panel principal del programa.complemento a la toma de señales nerviosas; se creóun sistema de simulación de señales motoras ysensitivas, que sirve como herramienta deentrenamiento, para la enseñanza de las característicasde la conducción nerviosa.

SOFTWARE

Estos datos se almacenan, para luego ser colocados en elreporte fmal.

El panel de control pernúte realizar unregistro detallado delpaciente y de los parámetros del tipo de examen a practicar,como se muestra en la Figura 13.

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Figura. 14. Panel de captura.

La señal se filtra digitahnente, para eliminar la componentede 60hz, ruido introducido por la red eléctrica,

EQUIPO PARA ADQUISICIÓN DEsEÑALES DE ELECTROCONDUCCIÓN EN ELSISTEMA NERVIOSO PERIFÉRICO EN HUMANOS 1 9OISEÑOYCONSTRUCCIÓN. GRUPDCEMDS.

SEÑALES DE ELECTROCONDUCaÓN NERVIOSA

La Figura IS muestIapotenciales de acciónnerviosos motores,del nervio mediano estimulado ensus puntosproximal ydistal,tomados en el brazo izqnierdo de una persona diestra sana.

Figura. 15. Reporte de una señal nerviosa motora de nerviomediano.

CONCLUSIONES y OBSERVACIONES

Con el desarrollo del equipo de adquisición de señalesde electroconduccián en el sistema nervioso periférico"NCV2003", se puso a disposición de la Escuela deFisioterapia una alternativa para continuar con eldesarrollo del proyecto de investigaciónIIEstandarización de parámetros de electroconducciónen los nervios mediano, cubital, radial, sural, peronéoy tibial posterior en personas normales mayores de 18años ll en el área metropolitana de Bucaramanga. Juntocon el desarrollo del equipo se anexo una herramientapara simulación de señales nerviosas, que sirve deayuda en la enseñanza de las principales característicasque presentan la señal motora y la señal sensitiva, asícomo la de incentivar en el avance investigativo en laUniversidad Industrial de Santander.

El NCV2003 cuenta con herramientas como la generaciónde reportes, la medición de temperatura corporal delpaciente, la captura de los daos generados por elequipo y la estimulación nerviosa, que suministra unpulso de amplitud variable entre 1OO-SOO voltios y unacorriente máxima de 1SIllA (la corriente se ve afectadapor la impedancia qne presente la piel del paciente), elvalor de la amplitud se debe a la necesidad de evaluarpacientes sanos (100-300V) y pacientes con algúngrado de lesión (200-S00V).

Para minimizar los efectos a causa de ruido, se debetener especial cuidado en la colocación de loselectrodos factor que va ha tener gran incidencia a lahora de la medición, en donde se requiere una adecuadalimpieza de la zona de colocación, entrenamiento parala colocación de los mismos, para no estimular en formaincorrecta el nervio.

Al trabajar con equipos de adquisición de señalesbiológicas es necesario adquirir el mayor número demuestras con la mayor fiabilidad con que se puedacontar, el NCV2003 tiene la capacidad de capturar 17S00muestras por segundo (en promedio) a una resoluciónde 16bits, estos valores garantizan que la señalcapturada sea una señal óptima para la realización deestudios de conducción nerviosa.

El software del NCV 2003 compilado se graba en elcomputador del consultorio en donde va ha quedar elequipo. En el van a quedar los registros de los reportesrealizados, los archivos se guardan en formatosdiversos según prefiera el examinador (html, excel yword) ; en la etapa previa se manejó una opción degenerar un reporte en excel con la utilización de macros,pero se descartó debido a que cada reporte ocupabamayor espacio en disco. El reporte generado contieneinformación de la señal nerviosa (valor conducción,amplitud, latencia y temperatura), además contiene losdatos del paciente, la fecha del reporte y la gráfica dela señal evaluada.

Dentro del software se utilizaron herramientas quepermitieron reducir el tamaño de la aplicación como lavariable global que permite al sistema reducir tiempo ytamaño, en la utilización de recursos como en el manejode datos y procesos internos. También se acondicionóel sistema para que trabajara en todos los ambientes deWindows (9S, 98, 2000, Me, NT, y XP), ya que XPnormalmente restringe el acceso a puertos; esto selogro al utilizar la libreria dinámica input. dll, queacondiciona las peticiones de puerto acorde con lasúltimas versiones de Windows. El software vienediseñado de forma amigable, en donde el usuario delsistema realiza de forma ordenada y segura laadquisición de la señal de electroconducción en elsistema nervioso periférico.

RECOMENDACIONES

Se recomienda fijar la frecuencia de cünverSlOnmediante un reloj externo, para asegurar la independencia

ZlJ REVISTA DE LA FACULJ"AD DE INGENIERíAS FISICOMECÁNICAS

de la frecuencia de muestreo del NCV2003 de lascaracterístícas dei computador. Por otra parte se recomíendaincorporar al equípo un sistema de autocalibración, aplicandouna señal conocida y de muy baja amplitud.

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