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Cuaderno de Prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III...

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Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III

Cuaderno de Prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Para la carrera de Ingeniería Biomédica en la UPIBI De acuerdo al Plan de Estudios del 2009

Elaborado y desarrollado por: M. en C. Lilia Maricela Padrón Morales

Con la colaboración de: M. en C. José Luis Hernández Zamora Ing. Rosa María Ocampo Romo

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Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III

Contenido Introducción………………………………………………………………… 2 Práctica 1 ESTIMULADOR ANALGÉSICO ...................................................................... 4

Práctica 2

SIMULADOR DE ECG……………………...………………………………..…. 14

Práctica 3 MARCAPASOS POR INHIBICIÓN MARCAPASOS VENTRICULAR EXCITATORIO........................................... 20

Práctica 4 BOMBA DE CIRCULACIÓN CONTROL DE FLUJO PARA

BOMBA PERISTÁLTICA…………………………………………………………………….… 32

Práctica 5 DESFIBRILADOR CARDIACO DE DESCARGA CAPACITIVA DE ONDA SENOIDAL AMORTIGUADA CON CARDIOVERSIÓN ……………………………………………………………..………… 42

Práctica 6 ELECTROCAUTERIO MONOPOLAR…………………………………………………….… 57

Práctica 7 TRANSMISIÓN ULTRASONICA DETECTAR EL PULSO O LATIDO CAROTÍDEO CON UN MICROFONO DE CRISTAL PIEZOELÉCTRICO ..................................... 67

Práctica 8 RESPIRADORES Y VENTILADORES MEDICION DE LA FRECUENCIA RESPIRATORIA HACIENDO USO DE UN TERMISTOR………….…………………………………………….…76

Conclusiones…………………………………………………………………………………. 80 Bibliografía………………………………………………………………………………………81 Anexos ……………………………………………………………………………..………….… 83 Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN

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INTRODUCCIÓN El presente cuaderno de prácticas de laboratorio, está apegado al programa de estudios de la Unidad de Aprendizaje de Bioinstrumentación III, materia de tipo teórico práctico del séptimo semestre que forma parte del plan de estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica que se imparte en la UPIBI, por ser alumnos de últimos semestres se supone que cuentan con bases sólidas de electrónica, sistemas analógicos y sistemas digitales pues previamente han cursado y aprobado estas materias correspondientes del plan de estudios por tal motivo, se trabaja mucho en base a los diagramas a bloques de los equipos médicos dejando libertad al alumno sobre la selección de los C.I. necesarios para desarrollar la práctica, siempre y cuando logren el objetivo esperado. Este cuaderno de prácticas se ha convertido en una excelente herramienta didáctica para orientar a los alumnos de la carrera de Ingeniería Biomédica dentro de la escuela ya que les permite integrar los conocimientos y fundamentos teóricos de los instrumentos médicos y los transductores para desarrollar sus habilidades prácticas al trabajar en el diseño de prototipos sencillos con fines didácticos de instrumentos biomédicos, su mantenimiento y calibración. Se tratan aplicaciones de la electrónica al campo de la instrumentación médica, cada una de las prácticas presentadas dentro de este cuaderno de fue seleccionada y adaptada para su uso seguro dentro del laboratorio de Bioinstrumentación III, cada una cuenta con fundamentos teóricos sólidos de respaldo que sirven de apoyo para la integración del conocimiento del alumno, en muchas de las prácticas se requirió además de que el alumno hiciese adaptaciones y modificaciones para el uso médico de transductores y servomecanismos conseguidos comercialmente en el mercado de la electrónica. En este manual es interesante además , las etapas analógicas y las de acoplo analógico digital, y en la etapa digital los alumnos cuentan con la libertad de utilizar una gran variedad de dispositivos electrónicos Timers, circuitos TTL, CMOS (hardware digital), PLA y PLD’s (dispositivos lógicos programables o hardware con software digital), microcontroladores PIC’s o microprocesadores o computadoras personales, en el caso de estos últimos se deberá de incluir el programa desarrollado además del diagrama electrónico y de cableado de sus circuitos y los métodos de acople a la computadora a través del dispositivo que se adapta al puerto de entrada RS232 o USB. Para facilitar el cableado correcto de sus prácticas, el alumno deberá contar con las hojas de especificaciones técnicas de los C.I. utilizados en el desarrollo de su práctica. El profesor al entregar la práctica, aporta algunas ideas acerca del diseño pero aclara a los alumnos que ellos tienen libertad de utilizar los C.I. que ellos deseen de acuerdo a su presupuesto, conocimientos y materiales de trabajo disponibles, siempre y cuando documenten de forma adecuada su trabajo y logren el objetivo planteado y los resultados esperados. La duración de cada una de las prácticas es de 2 a 3 sesiones de laboratorio de 3 horas c/u, que se llevan a cabo de forma semanal y el desarrollo de c/u de ellas requiere de trabajo previo de los alumnos en cuanto a la investigación teórica y el desarrollo y cálculos del diseño que presentará en el laboratorio, el laboratorio cuenta con osciloscopio, fuentes y generadores de funciones. El equipo presentará su diseño en socket Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN

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Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III experimental (protoboard) y en los casos en que sea necesario pasará el diseño a circuito impreso. Los alumnos traerán los transductores o harán adaptación de transductores electrónicos para su uso médico. El trabajo de cada una de las prácticas se realiza en equipos de máximo 3 o 4 personas c/u. Una vez realizada cada una de las prácticas y presentada funcionando a los profesores, el equipo tendrá la obligación de entregar un reporte escrito de la misma, que deberá tener Objetivo, fundamentación teórica (desarrollada por los alumnos en base a la introducción de cada práctica dada por el profesor y a su investigación propia), metodología de trabajo, resultados obtenidos, análisis de los resultados, conclusiones y bibliografía. Se califica tanto la funcionalidad como la asistencia, participación y el reporte escrito de forma individual y colectiva.

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PRACTICA I ESTIMULADOR ANALGÉSICO Objetivo General: Identificar y explicar las características y aplicaciones de los electroestimuladores musculares analgésicos de propósito general y de uso en rehabilitación muscular. Objetivo particular: Diseñar y construir un estimulador analgésico con la forma de onda siguiente: Ancho de pulso 200 µs

100 V

-30 V

Figura 1.1 Formas de onda obtenidas del circuito Y las siguientes características: • • • •

Frecuencias fijas: 2, 20, 40, 80, 120 Hz. Modulación en Frecuencia Modulación en Ancho de Pulso Trenes de Pulsos

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Amplitud positiva de 0 a 100 Volts Corriente de 0.001 a 0.06 Amperes Ancho de Pulso Máximo 200 µs Carga Virtual: 500 Ω Puede utilizar componentes discretos o microcontrolador La etapa de potencia no debe deformar la forma de onda.

Introducción El temor de la cultura occidental hacia las agujas y las posibilidades de la electrónica favorecieron el desarrollo de lo que hoy conocemos como electroestimulación. Esta nueva técnica utiliza impulsos eléctricos controlados (en lugar de agujas) que dice servir para paliar dolores, tonificar y fortalecer músculos y para liberar los reductores naturales del dolor y la inflamación. La electroestimulación viene empleándose, desde hace mucho tiempo, por algunas personas que creen que puede ayudar en rehabilitación, en las patologías musculares más comunes, dicen que previene la atrofia muscular, que relaja las contracturas y que ayuda al aumento de la fuerza para la estabilidad articular, entre otras cosas. La estimulación eléctrica con electrodos de superficie a través de la piel mediante equipos portátiles viene aplicándose con éxito en la medicina tradicional desde hace muchos años para el tratamiento del dolor (TENS) y la recuperación muscular (EMS). A diario nos enfrentamos con situaciones cargadas de ansiedad, tensión y nerviosismos que nos agotan físicamente y que hasta pueden provocarnos pequeñas lesiones orgánicas que, cuando las advertimos, ya se han declarado y requieren de una atención médica especializada. Y son muchos los que creen que con el uso de un electroestimulador, como el que se presenta a continuación, se podrá disfrutar de una relajación que, con el tiempo, se transformará en un mejor rendimiento físico diario y en una ayuda para gozar de una vida más plena. Descripción del circuito electrónico La energía necesaria para hacer funcionar el equipo se obtiene a partir de 4 baterías doble A (AA). El diseño se basa en un circuito integrado 556 (dos 555 en un mismo encapsulado) donde uno de ellos trabaja a una baja frecuencia de entre 2 Hz y 100 Hz, y su régimen de trabajo es ajustado por P1. El otro oscilador lo hace a una frecuencia mayor, que es la necesaria para generar la conmutación a través de T1 y así obtener la elevación de tensión en la salida. Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN

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Figura 1.2 Circuito propuesto del electroestimulador analgésico Los componentes C5, C6 y D1 se encargan de transformar la señal pulsante de salida en una forma de onda lo más parecida posible a una onda senoidal pura. Por su parte, R8 y P2 se encargan de ajustar el nivel de tensión de salida a niveles variables entre 20 y 100 Volts @ 10 mA de drenaje de corriente máxima. Por lo tanto, tenemos un oscilador fijo que funciona a unos 500 Hz (este valor no es crítico) y otro que lo habilita a una frecuencia variable según el ajuste de P1. Tr1 es un transformador de audio 8 Omh - 1KOhm y donde su primario (1KOhm) debe utilizarse como salida. A este tipo de transformadores se los suele utilizar en los circuitos cerrados de música funcional. Para finalizar la construcción de nuestro electroestimulador debemos considerar los elementos que colocaremos en los electrodos de salida: los más habituales son las almohadillas autoadhesivas utilizadas en electromedicina y que se pueden adquirir fácilmente en cualquier farmacia u ortopedia. Estos electrodos son muy cómodos de utilizar, ya que no requieren bandas elásticas para su fijación en el paciente y no necesitan cuidados especiales ya que la mayoría son desechables o descartables.

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Ejemplo de electrodos Fáciles de colocar y quitar Al ser autoadhesivos impiden contagio

descartables cualquier

Fig. 1.3 colocación de los electrodos del estimulador analgésico

La frecuencia, dosis e intensidad deberán ser especificadas por un profesional. Como orientación genérica podemos afirmar que las frecuencias entre 80 y 100 Hz. tienen mayor efecto analgésico que aquellas que las superan. Por su parte, las frecuencias que oscilan entre 20 Hz y 70 Hz están orientadas a los entrenamientos musculares para lograr una buena tonificación y modelado de la zona de aplicación. Por debajo de los 20 Hz, los efectos logrados son descontracturantes y, a su vez, mejoran la circulación sanguínea favoreciendo la oxigenación de la sangre y la creación de nuevos capilares. El tiempo de duración del tratamiento será el aconsejado por un profesional. En la mayoría de los casos, los tiempos oscilan entre los 15 y los 30 minutos. Por último, la amplitud de la tensión de salida ajustable por P2 deberá adecuarse según la sensibilidad del paciente y, al igual que en el caso anterior, siguiendo los consejos de un profesional para no provocar lesiones. Contraindicaciones El uso de los electroestimuladores está contraindicado en las siguientes situaciones o zonas del cuerpo:       

Enfermedades graves Fiebre superior a 38° Enfermedades infecciosas Cáncer Embarazo Enfermedades cardíacas Tumores en el aparato digestivo

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Dolores de Cabeza Problemas graves en las articulaciones Pacientes que deban hacer reposo Pacientes considerados por el fisioterapeuta profesional no aptos para el uso de electroestimuladores.

Este tipo de circuitos es delicado si no se toman las medidas de precaución necesarias, la idea es un generador de pulsos (oscilador astable) de corta duración, estos pulsos van a un transformador de voltaje colocado al revés, es decir la salida original del transformador o secundario va a la salida del oscilador (un 555 en este caso) como esta en reversa el transformador elevará el voltaje en el sentido inverso, es decir si ponemos un transformador 220/6 voltios al revés la nueva relación será 6/220 es decir unas 40 veces estos pulsos de alto voltaje pero baja corriente son los que hacen contraer al músculo y es el principio de funcionamiento de estos aparatos, los electrodos que pueden ser un par de discos de metal, o los adhesivos desechables de plata/cloruro de plata, no deben ir directamente a la piel porque pueden irritar y dejar marcas, generalmente se le pone una crema o gel electrolítico a base de agua o se les recubre con pequeñas esponjas humedecidas en la crema o gel electrolítico, este es un circuito elemental, la prueba se hace sobre un brazo para ver las reacciones, pero eso si por seguridad, NUNCA utilizar un adaptador de voltaje para alimentarlo, solo usarlo con las pilas.



Figura 1.4 Etapa de Potencia del electroestimulador analgésico Partes: P1______________4K7 Potentiometro Linear (Controla la intensidad o amplificadortud del pulso,comenzar de cero e ir aumentndo) R1____________180K 1/4W Resistor R2______________1K8 1/4W Resistor (Cambiando R2 de 5,6K ohm a

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Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III 10K maximo se tienen pulsos mas fuertes) R3______________2K2 1/4W Resistor R4____________100R 1/4W Resistor C1____________100nF 63V Polyester Capacitor C2____________100΅F 25V Electrolytic Capacitor D1______________LED Red . D2___________1N4007 1000V 1A Diodo Q1,Q2_________BC327 45V 800mA PNP Transistor IC1____________555 Timer IC T1_____________220V Primario, 12V Secondario 3 voltos transformadorrmer SW1____________SPST Switch (viene con P1) B1_____________3V Bateria (2 pilas 1.5V AA or AAA en serie) Aqui hay otra variante , sin utilizar transformadores de voltaje solo un transformador de salida de audio es decir el transformador que adapta la salida de los transistores a las bocinas en un amplificador de audio

Figura 1.5 Etapa de potencia del electroestimulador analgésico con LM 555

Si es la toma el valor de 4 - 8 ohm de las bocinas se obtiene unos 100 voltios pulsantes que cosquillean pero no hacen daño , es importante recalcar que esto da un voltaje no letal siempre que se alimente con pilas y se tenga cuidado , el potenciómetro en serie con las placas de salida atenua el voltaje para irlo

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Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III incrementando en intensidad , el potenció metro en serie con la base limita la corriente de base para tener mayor o menor amplificación.

Fig. 1.6 Diseño completo de un electroestimulador

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Resultados obtenidos. Vpp Voltaje mínimo

1.8V

Voltaje máximo

50V

Voltaje en pilas

5.15V

Corriente

214mA

máxima Corriente

5mA

mínima Transformador

12V-500mA

Frecuencia

3.44Hz

Fig. 1.7 Diseño de electroestimulador EMS, colocación de los electrodos y tabla de resultados obtenidos por equipo de: Azcona Arrieta Aída, Cerón Ortiz Juan Luis, Duarte Sánchez Miguel y Peña Victoria Berenice Lab.BioIII UPIBI-IPN Ago-dic2011 Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN

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Fig 1.8 Otras formas de onda generadas con los electroestimuladores EMS y TENS Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Biomédica UPIBI-IPN

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Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III Las pruebas de funcionalidad se dan en cuanto al armado del circuito, la verificación del funcionamiento correcto con la ayuda del osciloscopio y multímetros, y la prueba del circuito colocando dos electrodos de Ag/AgCl tipo ECG desechables en la posición apropiada en un músculo flexor Biceps o radial de la extremidad superior que se colocará en postura relajada, y realizando la conexión de las salidas del equipo con caimanes, el alumno que lo pruebe estará con los ojos cubiertos y lo que se verificará es el logro de la contracción involuntaria del músculo Biceps o los dedos índice y pulgar de la mano en el caso de que los electrodos estén colocados en el músculo radial.

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Cuaderno de prácticas de Laboratorio de Bioinstrumentación III PRÁCTICA 2 SIMULADOR DE ECG Objetivo General: diseñar un simulador de señal de ECG con chips y circuitos electrónicos discretos como diodos, transistores, opams, resistencias y capacitores . Objetivo particular: Crear un dispositivo simulador de señal ECG funcional, esta señal servirá de base para desarrollar posteriormente prácticas de instrumentación biomédica como un marcapasos por inhibición, y para probar un desfibrilador con cardioversión este simulador deberá ser capaz de presentar señal ECG normal y con arritmias.

Figura 2.1 Forma de presentar el simulador ECG diseñado

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Figura 2.2 señal de ECG con arritmia.

Antecedentes Teóricos El origen del simulador se debe a sugerencias a través de varios años,de participantes en talleres de interpretación de arritmias cardíacas. Numerosos participantes notaron que usando un simulador con un monitor cardíaco era una manera muy efectiva de aprender las diferentes arritmias del corazón-una experiencia muy similar a la realidad sin poner en riesgo la salud o la vida de ningún paciente. Aunque hay muchos centros hospitalarios que poseen simuladores, la mayoría del personal de enfermería y paramédicos no tienen acceso a estos costosos equipos(simuladores entre $3000 y $5000 y los monitores entre $10000 y 20000 dólares). La red ya tiene numerosos sitios que se dedican a ofertar módulos de textos de ECG. Recientemente , con la llegada de versiones avanzadas de Flash es que se ha podido crear un simulador disponible en la red que reúna ciertas condiciones: rápida descarga(menos de 200 K de tamaño) interactividad avanzada sin ficheros de gran tamaño - utilizable en varias plataformas(Flash está disponible para Windows, Mac y Unix) inclusión de sonido y animación con ficheros pequeños - utilización de ...