Dispozitiv de Stimulare Electrica Pentru Tesutul Muscular In Procedurile de Recuperare Medicala

Medicina

Dispozitiv de Stimulare Electrica Pentru Tesutul Muscular In Procedurile de Recuperare Medicala

Byadmin ianuarie 1, 2024

Dispozitiv de stimulare electrică pentru țesutul muscular în procedurile de recuperare medicală

CUPRINS:

Introducere

Capitolul 1 – Electrostimulatorul. Generalități

Capitolul 2 – Noțiuni teoretice despre nerv si mușchi

2.1. Potențiale de membrană și potențiale de acțiune

2.1.1. Potențiale membranare de difuziune

2.1.2. Potențialul membranar de repaus al nervilor

2.1.3. Potențialul de acțiune al nervului

2.1.4. Canalele de sodiu și de potasiu dependente de voltaj

2.1.5. Canalul de sodiu voltaj-dependent

2.1.6. Canalul de potasiu voltaj-dependent

2.1.7. Rolul altor ioni în timpul potențialului de acțiune

2.1.8 Inițierea potențialului de actiune

2.1.9. Restabilirea gradientelor de sodiu și potasiu după trecerea potențialelor de acțiune. Importanța energiei metabolice

2.1.10. Transmiterea semnalelor în trunchiurile nervoase

2.1.11. Excitatia – Modul de producere al unui potențial de acțiune

2.2. Anatomia fiziologică și contracția mușchiului scheletic 2.2.1 Fibra musculară scheletică

2.2.2. Sarcolema

2.2.3. Miofibrilele filamentele de actină și miozină

2.2.4. Sarcoplasma

2.3. Mecanismul molecular al contracției

2.3.1. Mecanismul glisant al contracției

2.3.2. Caracteristicile moleculare ale filamentelor contractile

2.3.3. Interacțiunea dintre filamentele de miozină, actină și ionii de calciu, pentru producerea contracției

2.3.4. Inițierea contracției musculare: cuplajul excitație – contracție

2.3.5. Potențialul de acțiune al mușchiului

2.3.6. Excitația nervoasă a fibrei musculare scheletice

2.3.7. Raspândirea potențialului de acțiune spre interiorul fibrei musculare pe calea sistemului de tubi transversali

2.3.8. Eliberarea ionilor de calciu din reticulul sarcoplasmatic

2.3.9. Eficiența contracției musculare

2.3.10. Caracteristicile contracției musculare unice (secusa)

2.4. Mecanica mușchiului scheletic

2.5. Transmiterea impulsurilor de la nervi la fibrele musculare scheletice – jonctiunea neuromusculară

Capitolul 3 – Cmponente principale utilizate pentru realizarea electrostimulatorului muscular

3.1. Regulatorul de comutare MC34063

3.2. Regulator de tensiune LM7805

3.3. Sursa de curent LM334Z

3.4. Microcontrolerul PIC18F4550

3.5. Tranzistor MOSFET

3.6. Oscilator cu cristal de cuarț

Capitolul 4 – Descrierea realizarii practice a electrostimulatorului muscular

4.1. Conceptul Pinguino

4.2 Placa de stimulator

Capitolul 5 – Software de comandă si control

Concluzii

Bibliografie

Anexa 1

Anexa 2

Anexa 3

Anexa 4

LISTA ACRONIME:

ADN = Acid dezoxiribonucleic;

ADP = Adenozin difosfat;

ARN = Acid ribonucleic;

ATP = Adenozin trifosfat;

BOR = Brown-Out Reset;

CMOS = Complementary Metal-Oxid Semiconductor;

EEPROM = Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory;

EMS = Electrical Muscle Stimulation;

FTDI = Future Technology Devices International;

HLVD = High-Low Voltage Detector;

HVIC = High Voltage Integrated Circuit;

IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor (Tranzistor bipolar cu poarta izolată);

MCLR = Master Clear;

MOSFET = Metal-Oxid Semiconductor Field Effect Transistor (Tranzistor cu efect de câmp Metal-Oxid Semiconductor);

MSSP = Master Synchronous Serial Port;

OST = Oscillator Start-up Timer;

POR = Power-On Reset;

PWM = Pulse Width Modulation;

PWRT = Power-up Timer;

USART = Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter;

WDT = Watchdog Timer;

INTRODUCERE

Am ales aceasta temă deoarece domeniul electronică medicală este foarte necesar pentru sănătatea oamenilor, în continuă dezvoltare și am ales să fac un dispozitiv de stimulare electrică deoarece este foarte folositor și cu o gama mare de utilizatori, cum ar fi: sportivi de performanta, persoane cu deficiente motorii precum si persoane interesate de tonifierea sau relaxarea muschilor.

Principalul avantaj al electrostimulării îl reprezintă faptul că este o tehnică ușoară de a ajuta corpul uman să se mențina într-o stare sănătoasă.

Terapia prin stimularea electrică a țesutului muscular are ca obiectiv contracția mușchiului sub influența unor tensiuni și curenți de diverse forme de undă, frecvențe și amplitudini, în vederea recuperărilor medicale sau a antrenării mușchiului.

Impulsurile sunt generate de către un dispozitiv electric și sunt transmise la mușchi prin intermediul unor electrozi special plasați pe piele pentru partea musculară vizată.

Această tehnică este folosită în special în doua mari domenii: sportiv și medical.

În domeniul sportiv electrostimularea este folosită, atât pentru recuperările sportivilor în urma unor accidente, cât și pentru antrenarea sau tonifierea maselor musculare ale acestora.

În domeniul medical, stimularea electricã este folositã pentru recuperarea mușchilor scheletici în urma unor accidente, operații, pareze etc. Prin acest proces mușchii sunt reabilitați, sistemul nervos central se recuperează și crește nivelul de mișcare.

Intentionez sa fac un stimulator electric (EMS – Electrical Muscle Stimulation) portabil, cu posibilitatea varierii parametrilor impulsurilor, pentru folosirea în scopuri terapeutice și pentru tonifierea sau menținerea musculaturii.

In continuarea proiectului sunt prezentate in detaliu: noțiuni generale despre electrostimulatorul muscular (Capitolul 1), noțiunile teoretice medicale despre nerv, mușchi și efectele contracției musculare (Capitulul 2), componentele hardware folosite la proiectarea dispozitivului electric pentru stimularea musculara (Capitolul 3), funcționarea stimulatorului electric proiectat și programul rulat de microcontroler (Capitolul 4).

CAPITOLUL 1: STIMULAREA ELECTRICĂ. GENERALITAȚI.

Prin stimularea electrică a celulelor și tesuturilor se studiaza comportarea acestora sub influența unor tensiuni și curenți de diverse forme de undă, frecvențe etc.

Potențialul de repaus:

Cu ajutorul relației Nernst din termodinamica, stabilim cantitativ potențialul electric ce apare de o parte si de cealalta parte a membranei cu caracteristici selective față de ioni, când există un gradient chimic ionic:

V = 61,6 lg [mV]

C = gradientul de concentrație al ionilor de potasiu si sodiu.

De aici rezultă potențialul Nernst pentru ionii de sodiu VNa = -62 mV, negativ în interiorul celulei față de exterior si potentialul Nernst pentru ionii de potasiu VK = 91 mV, pozitiv în interiorul celulei față de exterior.

Fig. 1.1. Circuitul electric echivalent al unei membrane in starea de repaus [2]

RK = rezistența membranei celulei stimulate față de ionii de potasiu;

RNa = rezistența membranei celulei stimulate față de ionii de sodiu;

C = capacitatea electrică echivalentă a membranei pe unitate de suprafață (C= 1….10µF/cm2);

Având valorile rezistențelor RK = 1kΩ , RNa = 150kΩ , iar curentul total prin membrană in starea de repaus este nul, rezulta valoarea potențialului de repaus al celulei U = – 90 mV.

Potențialul de repaus variază între 40 mV și 110 mV în funcție de celule.

Potențialul de actiune:

Atunci cand celula este stimulată electric, permeabilitatea membranei față de ionii de sodiu se schimbă, iar permeabilitatea față de ionii de potasiu ramane neschimbată față de starea de repaus. Cu alte cuvinte, ionii de sodiu din exteriorul celulei pot trece cu usurință spre interiorul celulei, ceea ce duce la schimbarea potențialului celulei față de exterior. Dacă acest potențial atinge o valorea de prag , procesul de trecere a ionilor nu mai este controlat de către stimulul aplicat, ci apare fenomenul de trecere în avalansă.

În circuitul electric echivalent (Fig. 1.2.), schimbarea permeabilitații ionilor de sodiu rezultă printr-o rezistență de valoare redusă față de valoarea avută în starea de repaus (RNa = 380Ω)

Fig. 1.2. Circuitul echivalent al unei membrane în starea de depolarizare maximă [2]

Depolarizarea celulei se stabilizează pentru o durată scurtă când curentul ionic spre interiorul celulei este echilibrat de curentul ionic spre exteriorul celulei (INa + IK = 0). În urma calculelor rezultă valoarea potențialului de depolarizare maximă a celulei Ud = +20 mV.

Fig. 1.3. Potențialul de acțiune al celulei

După depolarizarea completă a celulei, caracteristicile membranei revin la cele din starea de repaus.

Potențialul de acțiune al celulei are loc numai atunci cand stimulul excitator îndeplinește condițiile de amplitudine și durată minimă, prentru a atinge pragul de stimulare.

Modelul Electrod-Electrolit:

Impedanța de sarcină a corpului este reprezentată prin Fig 1.4. unde, R1 este înseriat la un circuitul paralel dintre C și R2 ce reprezinta joncțiunea electrod-piele.

R1 = rezistența pielii

R2 = rezistența interfeței electrod – țesut;

C = capacitatea interfeței electrod – țesut;

Valorile pentru R1,R2 și C variază în funcție de densitatea curentului și forma de undă a stimulului. Alți factori ce afectează parametrii sunt: tipul pielii, compoziția și marimea electrozilor și regiunea corpului.

Datorită sarcinii variabile a corpului, metoda adoptată pentru circuit oferă o gamă largă a schimbarii parametrilor în funcție de cazurile individuale.

Fig. 1.4. Modelul Electrod – Electrolit [3]

Dispozitivele utilizate la stimulare electrică:

„Aparatele de stimulare electrică sunt generatoare de impulsuri de tensiune constantă și/sau curent constant, reglabile in amplitudine (maxim 100V, respectiv 100 mA), durată a impulsului (50µs… 500ms), trenuri de impulsuri cu frecvență reglabilă (0.1Hz…10kHz), impulsuri programate (in amplitudine, durată si interval intre impulsuri).”[2]

CAPITOLUL 2. NOȚIUNI TEORETICE DESPRE NERV SI MUȘCHI

Potențiale de membrană și potențiale de acțiune

Potențialul de membrane (potențialul transmembranar) reprezintă diferența de potențial electric între interiorul și exteriorul unei celule biologice. Acest potențial electric se întâlnește la toate celulele corpului.

Potențiale membranare de difuziune

Existența unui gradient de concentrație ionică de o parte și de alta a unei membrane cu permeabilitate selectivă, poate genera un potențial de membrană. Demonstrăm această teorie pe ofibră nervoasă lipsită de mecanisme de transport, atât pentru potasiu (concentrația la interior foarte mare, iar concentrația la exterior foarte mică), cât și pentru sodiu (concentrație mare la exterior și concentrație mică la interior).

În primul caz se presupune că membrana este permeabilă pentru potasiu dar nu și pentru alți ioni. Ionii de potasiu vor avea tendința de a ieși din celulă, ducând cu ei sarcini pozitive, de unde rezultă că exteriorul membranei devine pozitiv, iar interiorul negativ datorită anionilor care nu pot difuza în afară. În aproximativ o milisecundă, aceste modificări de potențial devin suficient de mari spre a putea contracara continuarea difuziunii spre exterior a potasiului. In fibrele nervoase groase, la mamifere, diferenta de potential necesara atingerii acestui echilibru este de aproximativ 95 mV, cu negativitate la interiorul membranei.

În al doilea caz, urmărim același fenomen descris la punctual anterior,membrana fiind permeabilă pentru sodiuși impermeabilă pentru toți ceilalți ioni,difuzia ionilor de sodiu spre interior determină polarizarea inversă a membranei, cu pozitivitate interioarăși negativitate exterioară. De aceasta dată, pentru fibrele groase de mamifer valoarea potențialului de echilibru va fi de 65 mV.

“Ecuațiile NERNST: Valoarea potențialului transmembranar care previne total fenomenul de difuziune prin membrane în oricare sens, al unui ion, reprezintă potențialul Nernst al acelui ion.

FEM (mV) = +- 61 log (Ci/Ce) (1)

Cu această ecuație calculăm potențialul Nernst al oricărui ion monovalent la temperatura corpului de 37°C. Semnul potențialului este (+) în cazul ionilor negativi și (-) în cazul ionilor pozitivi.”[1]

Potențialul membranar de repaus al nervilor

Potențialul de membrană atunci când fibrele nervoase groase nu transmit semnale nervoase este de aproximativ -90mVgramate (in amplitudine, durată si interval intre impulsuri).”[2]

CAPITOLUL 2. NOȚIUNI TEORETICE DESPRE NERV SI MUȘCHI

Potențiale de membrană și potențiale de acțiune

Potențialul de membrane (potențialul transmembranar) reprezintă diferența de potențial electric între interiorul și exteriorul unei celule biologice. Acest potențial electric se întâlnește la toate celulele corpului.

Potențiale membranare de difuziune

Existența unui gradient de concentrație ionică de o parte și de alta a unei membrane cu permeabilitate selectivă, poate genera un potențial de membrană. Demonstrăm această teorie pe ofibră nervoasă lipsită de mecanisme de transport, atât pentru potasiu (concentrația la interior foarte mare, iar concentrația la exterior foarte mică), cât și pentru sodiu (concentrație mare la exterior și concentrație mică la interior).

În primul caz se presupune că membrana este permeabilă pentru potasiu dar nu și pentru alți ioni. Ionii de potasiu vor avea tendința de a ieși din celulă, ducând cu ei sarcini pozitive, de unde rezultă că exteriorul membranei devine pozitiv, iar interiorul negativ datorită anionilor care nu pot difuza în afară. În aproximativ o milisecundă, aceste modificări de potențial devin suficient de mari spre a putea contracara continuarea difuziunii spre exterior a potasiului. In fibrele nervoase groase, la mamifere, diferenta de potential necesara atingerii acestui echilibru este de aproximativ 95 mV, cu negativitate la interiorul membranei.

În al doilea caz, urmărim același fenomen descris la punctual anterior,membrana fiind permeabilă pentru sodiuși impermeabilă pentru toți ceilalți ioni,difuzia ionilor de sodiu spre interior determină polarizarea inversă a membranei, cu pozitivitate interioarăși negativitate exterioară. De aceasta dată, pentru fibrele groase de mamifer valoarea potențialului de echilibru va fi de 65 mV.

“Ecuațiile NERNST: Valoarea potențialului transmembranar care previne total fenomenul de difuziune prin membrane în oricare sens, al unui ion, reprezintă potențialul Nernst al acelui ion.

FEM (mV) = +- 61 log (Ci/Ce) (1)

Cu această ecuație calculăm potențialul Nernst al oricărui ion monovalent la temperatura corpului de 37°C. Semnul potențialului este (+) în cazul ionilor negativi și (-) în cazul ionilor pozitivi.”[1]

Potențialul membranar de repaus al nervilor

Potențialul de membrană atunci când fibrele nervoase groase nu transmit semnale nervoase este de aproximativ -90mV.

Transportul activ prin membrane al ionilor de sodiu si potasiu ( Pompa sodiu-potasiu)

Toate membranele celulelor corpului au puternice pompe de sodiu – potasiu care pompează continuu ionii de sodiu în afarăși ionii de potasiu în interiorul fibrei. Trei ioni de sodiu sunt dați afară pentru fiecare doi ioni de potasiu transportați înăuntru.

„Această pompă generează mari gradiente de concentrație pentru sodiu și potasiu de o parte și de alta a membranei neuronale în repaus:

Na+(afară) = 142 mEq/L (nr de echivalenti / litru)

Na+(înauntru) = 14 mEq/L

K+(afară) = 4 mEq/L

K+(înauntru) = 140 mEq/L

Există canale de scurgere ce sunt de 100 de ori mai permeabile pentru potasiu decât pentru sodiu.”[1]

Când potențialul de membrană este determinat în întregime de difuziunea de potasiu, valoarea acestuia este -94 mV. În cazul în care potențialul de membrană este determinat de difuziunea atat a potasiului cât și a sodiului, valoarea acestuia este -86mV. Iar în cazul în care potențialul de membrană este determinat,atât de difuziunea sodiului și potasiului, cât si de pomparea acestor doi ioni cu pompa sodiu-potasiu (-4mV), valoarea acestuia este -90mV.

Potențialul de acțiune al nervului

Semnalele nervoase sunt transmise prin intermediul potențialelor de acțiune, care rezultă din variații rapide ale potențialului de membrană. Potențialul de acțiune începe cu transferul de sarcini pozitive spre interiorul membranei (potențial de membrană pozitiv) și sfârsește cu revenirea sarcinilor pozitive la exteriorul membranei ( potențial de membranănegativ).

Pentru a conduce impulsul nervos, potențialul de acțiune se deplaseazăîn lungul fibrei nervoase până la capătul acesteia.

Fazele succesive ale potențialului de acțiune:

Faza de repaus: membrana este “polarizată” din cauza mărimii potențialului său negativ.

Faza de depolarizare: membrana devine foarte permeabilă pentru ionii de sodiu. Starea “polarizată” normală (-90mV) se pierde, potențialul de membrană crescând rapid, apropiindu-se de zero, iar în cazul fibrelor nervoase groase iași valori pozitive.

Faza de repolarizare: după câteva zecimi de milisecundă de la creșterea permeabilității membranei pentru ionii de sodiu, canalele de sodiu încep să se închidă în timp ce canalele de potasiu se deschid. Se produce difuziunea spre exterior a ionilor de potasiu ce restabilește potențialul membranar normal de repaus.

Canalele de sodiu și de potasiu dependente de voltaj

Canalul de sodiu voltaj-dependent stă la baza depolarizării și repolarizării membranei nervului în timpul potențialului de acțiune. În același timp, canalul de potasiu voltaj-dependent ajută la accelerarea repolarizării membranei.Activitatea acestor canale se însumează cu activitatea pompelor Na-K și cea a canalelor de scurgere Na-K.

Canalul de sodiu voltaj-dependent

Acest canal posedă două porți, una în partea exterioară numită poarta de activare, iar cealaltăîn partea interioară, numită poarta de inactivare. În starea normală de repaus a membranei (potențialul = -90mV), poarta de activare este închisă, împiedicând pătrunderea sodiului în interiorul fibrei. În același timp, poarta de inactivare este deschisă, dar nu influențează momentan mișcarea ionilor de sodiu.

Când potențialul de membrană devine mai puțin negativ decât în starea normală de repaus și atinge valoarea între -70 si -50mV, poarta de activare se deschide.

În acest timp, permeabilitatea pentru ionii de sodiu crește de 500 până la 5000 de ori. Odată cu deschiderea porții de activare, poarta de inactivare începe să se închidă. Din cauza vitezei modificării conformaționale, poarta de inactivare se închide după trecerea catorva zecimi de milisecundă după ce canalul de sodiu a stat deschis.

În acest moment, potențialul de membrană tinde înapoi spre starea normală de repaus în cursul procesului de repolarizare.

Poarta de inactivare nu se redeschide până când potențialul de membrană nu revine la valori apropiate de potențialul de repaus.

Canalul de potasiu voltaj-dependent

În timpul stării de repaus, poarta canalului de potasiu este închisă iar ionii de potasiu nu pot părăsi celula prin acest canal. Când potențialul de membrană crește de la -90mV spre 0mV, variația de voltaj produce o modificareconformațională care deschide lent poarta permițând creșterea difuziunii în afară a potasiului.

Datorită mecanismului mai lent al acestei porți, deschiderea ei începe în momentul în care canalele de sodiu încep să se închidă ( scăderea intrării sodiului se întamplă concomitent cu creșterea ieșirii potasiului).

Acest fapt duce la accelerarea repolarizării și recuperarea potențialului membranar de repaus în cateva zecimi de milisecundă.

Rolul altor ioni în timpul potențialului de acțiune[1]

Cu toate că ionii de sodiu și potasiu sunt cei mai importanți în potențialul de acțiune mai existăși alte categorii de ioni ce trebuie luați în considerare:

Sarcinile negative nedifuzabile (anionii) din interiorul axonului

Este vorba în special de molecule proteice, numeroși compuși organici ai fosforului, sulfului etc. Din cauză că acești anioni nu pot părăsi celula, orice deficit în ioni pozitivi la interior va lăsa un exces de ioni negativi ce nu pot traversa membrana. Acest lucru duce la negativizarea interiorului membranei.

Ionii de calciu

Aproape toate celulele corpului au în membrane pompe de calciu,similare pompelor de sodiu, ce pompează ioni de calciu afară din celulă, generând un gradient de concentrație al ionilor de calciu de 1/ 10 000, având o concentrație a calciului in citosol de 1*E-07 molar, față de o concentrație externă de 1*E-03 molar.

De asemenea există și canale de calciu dependente de voltaj, cu activare foarte lentă (timp de 10-20 de ori mai lung decât cel al canalului de sodiu).

Aceste canale se găsesc în cantități mari atât în miocard, cât și în mușchiul neted.

În anumite tipuri de mușchi neted, canalele de sodiu lipsesc aproape complet încât activitatea canalelor de calciu generează potențialul de acțiune.

Inițierea potențialului de acțiune

Potențialele de acțiune nu apar atâta timp cât membrana unei fibre nervoase normale nu este perturbată. La apariția unui factor oarecare care determină creșterea potențialului de membrană de la -90mV la zero, la un anumit voltaj încep să se deschidă canalele de sodiu dependente de voltaj. Ca urmare, pornesc fluxuri rapide de ioni de sodiu ce reprezintă un proces de feedback pozitiv.

Canalele de sodiu sunt deschise printr-un mecanism de feedback pozitiv. După câteva zecimi de milisecundă, canalele de sodiu se închid concomitent cu deschiderea canalelor de potasiu ce determină sfârșitul potențialului de acțiune.

Pragul de stimulare este nivelul la care se declanșează potențialul de acțiune, rezultat al creșterii bruște a potențialului de membrană cu 15-30mV.

Restabilirea gradientelor de sodiu și potasiu după trecerea potențialelor de acțiune. Importanța energiei metabolice

Cu fiecare impuls nervos transmis, fibra nervoasă pierde cantități infinitezimale de ioni de potasiu și primește cantități infinitezimale de ioni de sodiu.

Datorită fenomenelor de difuziune a sodiului în fibra nervoasăîn faza de depolarizare și a difuziunii potasiului în afara fibrei nervoase în faza de repolarizare, gradientele de concentrație ale acestor ioni se vor diminua progresiv.

Pentru ca gradientele de concentrație să scadă astfel încât potențialul de acțiune să înceteze, este nevoie de 100.000 – 50.000.000 de impulsuri, fără pauză între ele. Refacerea gradientelor de concentrație se realizează cu ajutorul pompei Na–K .

Transmiterea semnalelor în trunchiurile nervoase

Trunchiul nervos este format din câteva fibre nervoase foarte groase, numite fibre mielinice, ce ocupă cea mai mare parte a secțiunii transversal și din multe fibre subțiri, numite fibre amielinice, situate printre cele groase. Într-un trunchi nervos se găsesc de două ori mai multe fibre amielinice decât cele mielinice.

Axonul este miezul central al fibrei mielinice și este plin cu un lichid intracelular vâscos numit axoplasmă. Împrejurul axonului se află o teacă de mielină ce este întreruptă, la intervale de 1-3 mm, denodurile Ranvier

„Celulele Schwann alcătuiesc teaca de mielină astfel: membrana unei celule Schwann înconjoară axonul, apoi celula Schwann se rotește în jurul axonului de mai multe ori, învelindu-l în mai multe straturi de membrane celulare, o substanță lipidică.

Această substantă descrește fluxul ionic prin membrană de pâna la 5000 de ori deoarece este un excelent izolator. Cu toate acestea, ionii pot difuza cu ușurință prin nodurile Ranvier.De unde rezultă că potențialele de acțiune pot lua naștere numai la nivelul nodurilor.”[1]

Curentul electric este condus din nod în nod cu ajutorul lichidului extracelular și al axoplasmei, excitând nodurile unul după altul. De aici reiese și numele de conducere saltătorie.

Acest fenomen ajută, atât la creșterea vitezei de conducere a impulsului nervos de până la 50 de ori, cât și la conservarea energiei axonului.

Excitatia – Modul de producere al unui potențial de acțiune

Factorii care pot determina deschiderea canalele de sodiu, prin pătrunderea unui număr suficient de ioni de sodiu, declanșând un potențial de acțiune în nerv sau mușchi, pot fi:

Simple perturbații mecanice ale membranei (presiunea mecanică excită terminațiile senzitive din tegumente);

Influențe chimice asupra membranei (neurotransmițătorii chimici asigură transmiterea semnalelor de la un neuron la altul în sistemul nervos central);

Trecerea curentului electric prin membrană (curentul electric asigură transmiterea semnalelor între fibrele musculare cardiace sau intestinale).

Modul uzual de excitare experimentală a mușchiului constăîn aplicarea electricității pe o suprafață prin intermediul a doi electrozi, unul încărcat pozitiv și unul negativ.

Se observă că membrana este stimulată la electrodul negativ, deoarece curentul de sub electrodul negativ reduce voltajul pe fața exterioară a membranei, apropiindu-l de voltajul negativ de la interior.

Astfel, gradientul de voltaj transmembranar scade, activând canalele de sodiu ce determină apariția potențialului de acțiune.

Anatomia fiziologică și contracția mușchiului scheletic

Fibra musculară scheletică

„Mușchiul scheletic este format din numeroase fibre cu diametrele între 10 și 80 microni. Aceste fibre sunt întinse pe toată lungimea mușchiului. Aproape fiecare fibră musculară este inervată separat de către o singură terminație nervoasă, aflatăîn mijlocul fibrei musculare.”[1]

Sarcolema[1]

Sarcolema este o membrană celulară a fibrei musculare. Aceasta este alcătuită dintr-o membrană plasmaticăși un înveliș exterior (alcătuit dintr-un strat polizaharidic) ce conține numeroase fibre subtiri de colagen.

La capetele fibrei musculare, învelișul exterior al sarcolemei fuzionează cu câte o fibră tendinoasă, iar totalitatea fibrelor tendinoase formează tendonul mușchiului.

Miofibrilele filamentele de actină și miozină

Fiecare fibră musculară conține de la câteva sute până la câteva mii de miofibrile. Fiecare miofibrilă este alcatuită din 1500 miofilamente de miozinăși 3000 miofilamente de actină, dispuse paralel una lângă alta. Acestea sunt moleculele proteice mari, polimerizate, responsabile pentru contracția mușchiului.

Pe filamentele de miozină, exceptând zona centrală, se întâlnesc proeminențe mici ce se numesc punți transversale. Interacțiunea dintre punțile transversale și filamentele de actină are ca rezultat contracția musculară. Filamentele de actină se leagă la așa numita banda Z .

De la banda Z pornesc în ambele părți filamente de actină ce pătrund printre filamentele de miozină. Aceste benzi sunt alcătuite din proteine fibrilare și traversează fibra musculară trecând de la o miofibrilă la alta.Porțiunea dintre 2 benzi Z succesive se numeste sarcomer.

Sarcoplasma

În interiorul fibrei musculare, miofibrilele sunt suspendate într-o matrice numită sarcoplasmă, ce conține componenții intracelulari obișnuiti. Lichidul sarcoplasmei contine cantități mari de potasiu, magneziu, fosfați și proteine-enzime. Se mai aflăși un număr impresionant de mitocondrii, dispuse printre miofibrile și paralel cu acestea.

Mecanismul molecular al contracției

Mecanismul glisant al contracției

La sarcomerul contractat filamentele de actină sunt trase printre filamentele de miozină, astfel încât ele se suprapun complet. In acelas timp, benzile Z sunt trase de filamentele de actină până în vecinătatea filamentelor de miozină.

Acest procedeu este precum un mecanism de glisare al filamentelor.

Glisarea filamentelor se produce în urma deplasării unui potențial de acțiune pe suprafața membranei fibrei musculare ce determina eliberarea unor mari cantități de ioni de calciu în sarcoplasma din jurul miofibrilelor. Ionii de calciu activează forțele de interacțiune dintre filamente și declansează contracția.

„Energia necesară continuării procesului contractil provine de la ATP (adenozin trifosfat= este o parte din acizii nucleici ADN și ARN alcătuit din trifosfat, adenină și riboză, reprezentând acumulatorul de energie necesară celulei prin înmagazinarea și conversia energiei celulare după necesitățile metabolice ) care este degradat la ADP (adenozin difosfat).”[1]

Caracteristicile moleculare ale filamentelor contractile

„Filamentul de miozină este alcătuit din cel putin 200 molecule de miozină, fiecare cu o greutate moleculară de aproximativ 480.000.

Molecula de miozină este alcatuită din șase lanțuri polipeptidice : 2 lanțuri grele cu greutatea molecularăde aproximativ 200.000 fiecare și 4 lanțuri ușoare cu greutatea moleculară de aproximativ 20.000 fiecare. „[1]

Cele 2 lanțuri grele sunt împletite în spirală, formând un dublu helix. La unul din extremitățile helixului se găsesc capetele lanțurilor grele, pliate separat și simetric sub forma a doua mase proteice globulare, numite capul miozinei, iar extremitatea alungită a împletiturii helixului se numește coada. Cele 4 lanturi ușoare sunt componenți ai capului miozinei, câte 2 pentru fiecare cap și ajută la controlul funcției capetelor în timpul contracției musculare.

Corpul filamentului de miozină este dat de împletitura cozilor moleculelor de miozină, în timp ce capetele moleculelor atârnăîn afară, pe marginile corpului moleculei. Porțiunile de helix ce se continuă cu cele două capete și se extind pe laturi se numesc punți transversale. Punțile transversale sunt flexibile și permit îndepărtarea sau apropierea capetelor față de corpul filamentului de miozină.

„Lungimea filamentului de miozină este uniformă, aproximativ egală cu 1,6 microni.

Capul miozinei mai are proprietatea de a descompune ATP și să furnizeze energia acestuia, procesului contractil.”[1]

Filamentul de actină este alcătuit din 3 componente proteice: actina, tropomiozina și troponina. Scheletul filamentului este o moleculă proteică bicatenară de actină F. Cele 2 catene sunt împletite într-un helix. De fiecare moleculă de actină este atașată o molecula de ADP ce reprezintă situsurile active ale filamentelor de actină, unde se produce interacțiunea cu punțile transversale ale filamentelor de miozină, rezultând contracția. Fiecare filament de actină are o lungime de 1 micron.

Moleculele de tropomiozina. „Fiecare moleculă de tropomiozină are o greutate moleculară de 70.000 și o lungime de 40 nanomeri.”[1] Ele sunt înfășurate în spirala în jurul helixului moleculei de actină F. În starea de repaus a mușchiului, moleculele de tropomiozină sunt dispuse peste situsurile active ale actinei, împiedicând atracția filamentelor de actină și miozină, care ar duce la contracția fibrei.

Troponina este o moleculă proteică atașatăîn apropierea unuia dintre capetele moleculei de tropomiozină. Troponina este formata din 3 subunități, fiecare cu rolul ei bine definit în controlul contracției musculare: “Troponina I” are o afinitate puternică față de actină iar “Troponina T” are o afinitate pentru tropomiozină. “Troponina C” are afinitate pentru ionii de calciu. Acest complex atașează tropomiozina de actină.

Interacțiunea dintre filamentele de miozină, actină și ionii de calciu, pentru producerea contracției

Un filament pur de actină, se leagă puternic de moleculele de miozină, dar în prezența complexului troponină-tropomiozină, situsurile active ale actinei sunt inhibate sau efectiv acoperite fizic de către un complex ce nu permite producerea legăturii.

În prezența unor mari cantități de ioni de calciu, efectul complexului troponină-tropomiozină este inhibat la rândul său exercitând o tracțiune asupra moleculei de tropomiozină ce va aluneca în profunzimea șanțurilor dintre cele 2 catene de actină. Astfel se produce descoperirea situsurilor active de pe actină, permițând contracția.

Inițierea contracției musculare: cuplajul excitație – contracție

Potențialul de acțiune al fibrei musculare este cel care stă la baza contracției mușchiului scheletic. Acesta generează curenți electrici ce determină eliberarea ionilor de calciu din reticulul sarcoplasmic. Ionii de calciu vor iniția apoi reacțiile chimice ale procesului contractil. Ansamblul proceselor de control a contracției musculare se numește cuplajul excitatie-contracție.

Potențialul de acțiune al mușchiului[1]

Proprietăți cantitative ale potențialelor mușchiului scheletic:

Potentialul membranar de repaus: aproximativ -80mV până la -90mV, la fel ca la fibrele nervoase mielinizate groase.

Durata potențialului de acțiune: 1 până la 5 milisecunde, aproximativ de 5 ori mai mare ca la fibra nervoasă.

Viteza de conducere: 3 până la 5 m/sec

Excitația nervoasă a fibrei musculare scheletice

În condiții normale de funcționare, fibrele musculare scheletice sunt excitate de către fibrele nervoase groase mielitice.Acestea se fixează pe fibrele mușchiului scheletic, la nivelul joncțiunii neuromusculare. Cu exceptia a 2% din fibrele mușchiului, există câte o singură joncțiune neuromusculară pentru fiecare fibră.

Aceasta joncțiune este localizatăîn apropierea mijlocului fibrei, iar potențialul de acțiune se activează de la centru spre cele 2 capete ale fibrei. Această propagare simetrică determina o bună sincronizare a contracției tuturor sarcomerilor.

Raspândirea potențialului de acțiune spre interiorul fibrei musculare pe calea sistemului de tubi transversali

Fibra mușchiului scheletic este atât de groasăîncât curentul electric nu pătrunde pânăîn profunzimea fibrei. Pentru declanșarea contracției, curentul electric trebuie să pătrundă pânăîn vecinătatea fiecarei miofibrile în parte. Acest lucru se realizează prin transmiterea potențialelor de actiune prin tuburile transversale (Tuburile T) ce străbat fibra dintr-o parte la cealalaltă.

Potențialul de acțiune de la nivelul tuburilor T duce la eliberarea ionilor de calciu din reticulul sarcoplasmatic situat în apropierea microfibrilelor și ca urmare, se va declanșa contracția. Acest proces se numește “cuplaj excitație- contracție”.

Tuburile transversale sunt foarte înguste, încep la nivelul membranei celulare și străbat fibra musculară pânăîn partea opusă. Aceste tuburi se ramifică, alcătuind în jurul miofibrilelor un sistem de împletituri și reprezintă prelungiri interne ale membranei celulare externe.

Eliberarea ionilor de calciu din reticulul sarcoplasmatic

O particularitate importantă a reticulului sarcoplasmatic constăîn concentrația foarte mare a ionilor de calciu a acestuia,iar mulți dintre acești ioni sunt eliberați când tubul T adiacent este excitat.Curentul electric al potențialului de acțiune eliberează ionii de calciu din reticulul sarcoplasmic, iar aceștia se leagă puternic de troponina C și declanșează contracția musculară.

Contracția musculară va continua atâta timp cât concentrația ionilor de calciu din lichidul sarcoplasmic (citosol) ramâne mare. În pereții reticulului sarcoplasmic există o pompă activă ce scoate în permanență din citosol ionii de calciu și îi pompează în reticulul sarcoplasmic. Această pompă poate crea un gradient al ionilor de calciu dintre reticul și citosol, de 10.000/1.

De asemenea, în reticul mai există o proteină care este capabilă să lege de 40 de ori mai mult calciu decât cel aflat în stare ionică. Prin urmare, în afara momentului de contracție, concentrația ionilor de calciu din citosol este menținută la valori extrem de joase.

Eficiența contracției musculare[1]

Procentajul din “alimentarea” energetică pe care mușchiul o poate transforma în lucru mecanic muscular, este mai mic de 20-25%, restul se transformăîn căldură. Eficiența slabă este întalnită deoarece jumătate din energia substantelor nutritive se consumă pentru sinteza de ATP și pentru că numai 40-45% din energia ATP poate fi convertităîn lucru mecanic.

Mușchiul lucrează cu eficiența maximă atunci când viteza de contracție este aproximativ 30% din viteza maximă.

Caracteristicile contracției musculare unice (secusa)

Contracția unică (bruscă) ce se obține doar pentru câteva fracțiuni de secundă, poate fi determinată prin stimularea instantanee a nervului motor sau trecând un stimul electric de durată scurtă chiar prin mușchi.

Contractia izometrică este contracția musculară, neînsoțită de scurtare, iar contracția izotonică este contracția însoțită de scurtare, cu păstrarea constantă a tensiunii mușchiului.

Diferențele dintre aceste contracții sunt:

contracția izometrică nu necesită o glisare importantă a miofibrilelor;

în contracțiile izotonice are loc deplasarea unei sarcini, ceea ce implică fenomenul de inerție.

De exemplu, un obiect ce urmează să fie mișcat din loc, trebuie mai întâi accelerat, iar la o viteză anume, sarcina are un moment de forță care va determina continuarea deplasării.

Contracția izotonică necesită un lucru mecanic extern, ceea ce duce la utilizarea unei cantități mai mari de energie, din partea mușchiului. Prin urmare, contracția izotonică va dura mai mult ca cea izometrică.

Mecanica mușchiului scheletic

Unitatea motorie reprezinta totalitatea fibrelor musculare inervate de o singură fibră nervoasă motorie.

Sumația contracțiilor musculare este folositoare pentru o mișcare musculară mai puternicăși mai concertată. „Această sumație poate avea loc prin:

creșterea numărului de unități motorii ce se contractă simultan;

creșterea frecvenței contracțiilor fiecărei unități motorii în parte (tetanizarea).

Intensitatea maxima a contractiei tetanice este de aproximativ 3,5 kg/cm2 mușchi.”[1]

Transmiterea impulsurilor de la nervi la fibrele musculare scheletice – jonctiunea neuromusculară

Fibrele musculare scheletice sunt excitate de fibrele nervoase mielinice groase ce au originea în motoneuroni mari, localizați în coarnele anterioare ale măduvei spinării. Fiecare fibră nervoasă se ramificăși stimulează de la trei până la câteva sute de fibre musculare. Terminația fibrei nervoase face o joncțiune cu fibra musculară, numită joctiunea neuromusculară, localizată aproape de mijlocul fibrei.

Placa motorie reprezintă ansamblul structurat dintre fibra nervoasăși fibra musculară, unde terminațiile nervoase ramificate ale fibrei nervoase intrăîn fibra musculară fără a penetra membrana acesteia (adâncitura sinaptică). Ea este acoperită de una sau mai multe celule Schwann care o izolează față de lichidele înconjuratoare.

„În terminația axonică a fibrei nervoase se află numeroase mitocondrii care furnizează energia necesarăîn special pentru sinteza transmițătorului excitator, acetilcolina, care excită fibra musculară.

Când un impuls nervos ajunge la joncțiunea neuromusculară, se eliberează terminații nervoase, în adâncitura sinaptică, a aproximativ 300 de vezicule cu acetilcolină.

Efectul acestui proces îl reprezintă deschiderea unor canale ce permite curgerea unui număr mare de ioni de sodiu, purtători de sarcini pozitive, către interiorul fibrei musculare. Astfel se generează în interiorul fibrei un potențial, numit potențial local de placă, având valoarea de 50mV pana la 75mV, (negativ la interior), ce inițiază la nivelul fibrei musculare un potențial de acțiune, de unde rezultă contracția musculară. Apoi, acetilcolina este distrusă rapid de către acetilcolinesterază, o enzimă dispusăîntre membrana terminației presinaptice și membrana postsinaptică a fibrei musculare. După înlaturarea acetilcolinei urmează repolarizarea fibrei.”[1]

CAPITOLUL 3: COMPONENTE PRINCIPALE UTILIZATE PENTRU REALIZAREA ELECTROSTIMULATORULUI MUSCULAR

3.1. Regulatorul de comutare MC34063 (Fig. 3.1.):

Fig. 3.1. MC34063

MC34063 este un regulator de comutare proiectat pentru a fi folosit drept convertor dc-dc.

Spre deosebire de un regulator liniar, regulatorul de comutare are un tranzistor de trecere care comută în mod continuu între stările de saturație (on) și de blocare (off), minimizând astfel energia irosită.

Un alt avantaj al regulatoarelor de comutare îl reprezintă atât greutatea cât și dimensiunea acestora, fiind mult mai mici decât cele liniare.

În fig. 3.2. avem diagrama bloc a regulatorului de comutare ce conține: un oscilator „duty cycle” controlat cu un circuit activ de curent limitat, un comparator, un comutator pentru curent ridicat la ieșire

Oscilatorul este compus dintr-o sursă de curent ce încarcăși descarcă condensatorul extern (Ct). În faza de urcare este transmis „1” logic la intrarea porții AND, la punctul A, iar dacă tensiunea de ieșire este sub valoarea nominală, este trimis „1” logic și în punctul B, ceea ce duce la activarea tranzistoarelor.

Când oscilatorul atinge pragul maxim, Ct începe să se descarce (A=0), iar tensiunea de ieșire este peste valoarea nominala (B=0), ceea ce duce la dezactivarea tranzistoarelor.

Caracteristicile regulatorului de comutare MC34063:

tensiunea de intrare 3V-40V;

curentul de ieșire poate ajunge pâna la 1.5A;

tensiunea de ieșire ajustabilă;

frecvența de operare până la 100kHz;

precizie de 2% față de referință.

Fig. 3.2. Diagrama bloc MC34063 [4]

Regulatoarele MC34063 sunt foarte utilizate datorită flexibilității tensiunii de ieșire. Ele pot avea la ieșire o tensiune mai mare (Step-up), mai mică (Step-down) sau de polaritate inversă (voltage-inverting) față de tensiunea de intrare.

În aceasta aplicație este nevoie de un regulator de comutare “Step-up” (Fig. 3.3.)

Fig. 3.3. Schema electrica a regulatorului de comutare“Step-Up” [4]

Mod de funcționare:

Cât timp tranzistorul Q1 esteîn starea “off”(blocare), curentul din inductor este zero, iar tensiunea de ieșire este la valoarea nominală, alimentată doar de condensatorul C0.

În cele din urmă, tensiunea de ieșire va scade sub valoarea nominală, acest lucru fiind sesizat de circuitul de control ce va trece tranzistorul Q1 în starea “on” (saturație). Curentul electric va începe să treacă prin inductor și Q1 până când timpul pentru starea “on” a tranzistorului se va termina, reluându-se astfel ciclul.

Pentru a calcula valorile componentelor alese pentru această aplicație, o să folosesc următoarele formule:

(1)

tON=timpul în care tranzistorul Q1 se aflăîn saturație;

tOff=timpul în care tranzistorul Q1 se aflăîn blocare;

VOUT= tensiunea de ieșire;

VIN= tensiunea de intrare;

VSAT=tensiunea de saturație;

VF= tensiunea de blocare.

(2)

fmin= frecvența minimă

(3)

Ipk(switch)= curentul electric de “peak” de comutare

Iout= curentul electric de ieșire

(4)

Lmin= valoarea minimă a inductanței

(5)

Co= valoarea condensatorului

Vripple(p-p)= tensiunea de riplu (vârf la vârf)

(6)

CT= valoarea condensatorului ce stabilește timpul „on” maxim

(7)

Rsc= valoarea rezistenței pentru limitarea curentului

3.2. Regulator de tensiune LM7805 (Fig. 3.4.)

Fig. 3.4. LM7805[5]

LM7805 este un regulator de tensiune ce are ca scop limitarea tensiunii de intrare într-un circuit. Acesta este util deoarece permite coborarea tensiunii alimentatoarelor la tensiunea dorită (5V) și elimină variațiile tensiunii de intrare, scoțând în mod constant tensiunea pentru care este setat.

Orice regulator de tensiune are nevoie de o tensiune de intrare mai mare decât tensiunea de ieșire. Aceasta diferență se numește cădere minimă de tensiune.

Un regulator liniar de tensiune, conectat la un circuit ce consumă un curent Ic, transformă tensiunea de intrare (Vin) în tensiunea de ieșire (Vout) disipând puterea (P) prin căldură.

P = Ic*(Vin-Vout)

În funcție de aplicații, regulatorul se poate încălzi semnificativ. De aceea este ideal ca Vin sa fie cât mai apropiat de Vout , astfel încât puterea disipată și creșterea de temperatură să fie minime.

Caracteristici:

Curentul de ieșire poate ajunge până la 1A;

Tensiunea de ieșire = 5V;

Protecție la supraîncălzire;

Protecție la scurt-circuit;

Temperatura de operare de la -40 la 125 ° C.

Fig. 3.5. Diagrama bloc LM7805 [5]

Fig. 3.6. Caracteristici electrice [5]

3.3.Sursa de curent LM334Z (Fig. 3.7.)

Fig. 3.7. LM334Z [6]

Caracteristici:

Operează de la 1V la 40V;

Reglarea curentului 0.02%/V;

Programabil de la 1µA la 10mA;

Acuratețe initială ±3%.

LM334Z este o sursă de curent ajustabil cu 3 terminale caracterizat prin intervalul curentului de operare de 10.000 : 1, prin reglarea excelentă a curentului și prin intervalul mare de voltaj de la 1V la 40V. Această componentă nu este conectată la nici o altă sursă de curent. În plus, voltajul aplicat invers, de până la 20V, va trage doar câteva zeci de miliamperi de curent. Acest lucru permite dizpozitivului să fie folosit ca redresor precum și ca sursă de curent în aplicații AC.

Curentul este determinat de o rezistență externă, fără a necesita alte componente.

Fig. 3.8. Diagrama LM334Z [6]

Date tehnice maxime:

Curentul setat la 10mA;

Voltaj direct = 40V;

Voltaj invers = 20V;

Tensiunea de la ADJ la V-= 5V;

Puterea disipată = 400mW;

Temperatura de operare de la -55 C la +125 C.

Fig. 3.9. Caracteristici electrice [6]

In figura 3.10. găsim sursa de curent standard pe care o folosim în această aplicație.

Valoarea curentului ISET se calculează cu formula urmatoare:

(9)

Fig. 3.10. Sursa de curent standard(R=ADJ). [6]

3.4. Microcontrolerul PIC18F4550 (Fig. 3.11):

Fig. 3.11. Microcontrolerul PIC18F4550[9]

Microcontrolerul este un chip ce are integrat un microprocessor (µP), memoria de program, memoria de date și alte interfete de intrare/ieșire sau periferice.

Cele mai întâlnite structuri ale unui µC sunt:

Unitatea centrala de procesare;

Memoria de date volatilă (RAM) sau nevolatilă pentru date și program (Flash, EEPROM);

Convertoare analogic-digitale;

Interfețe seriale;

Porturi digitale/analogice de intrare/ieșire;

Suport pentru programare și depanare

Timere, generatoare de PWM și watchdog;

Descrierea pinilor microcontrolerului PIC18F4550 este prezentată în Anexa 1.

Caracteristicile microcontrolerului PIC18F4550:

Arhitectura Harvard pe 8 biti;

Frecvența de operare = 48MHz DC;

Voltajul de operare = 2V – 5.5V;

Memoria de program = 32768B;

Memoria de program = 16384 instrucțiuni;

Memoria de date = 2048B

Memoria EEPROM de date = 256B ;

Porturi de intrare/ieșire = PORT A,B,C,D,E;

Timere-16b = 4;

Nivele prioritare de întreruperi;

Un modul CCP (Capture/Compare/PWM-Pulse Width Modulation);

Un modul ECCP (Enhanced Capture/Compare/PWM);

Comunicații seriale = MSSP(Master Synchronous Serial Port), Enhanced USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter);

Un modul USB(Universal Serial Bus);

SPP(Streaming Parallel Port);

Modul Analogic/Digital (A/D)-10 biti = 13 canale de intrare;

Comparatoare = 2;

Reset-uri și Întârzieri = POR(Power-On Reset), BOR(Brown-Out Reset), Reset Instruction, Stack Full, Stack Underflow (PWRT, OST), MCLR (Master Clear), WDT(Watchdog Timer);

Detector programabil pentru tensiune scăzută;

Brown-out Reset programabil;

Set de instrucțiuni = 75 sau 83 cu Extended Instruction Set activat;

HLVD(High-Low Voltage Detect);

Pachet de tip PDIP(Plastic Dual In-line Package) de 40 pini.

Fig. 3.12. Schema bloc a microcontrolerului PIC18F4550 [9]

3.5. Tranzistor MOSFET (Metal-Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)

Fig.3.13. Tranzistoare MOS cu canale n si p.[10]

MOSFET este un tranzistor de putere cu efect de câmp cu trei terminale active numite drena(D), sursa(S) și grila/poată(G). Grila este izolată cu un strat de oxid de siliciu astfel, curentul de grilă(IG) este aproape nul, iar curenții de drenă (ID) și sursa (IS) sunt aproape egali.

In afară de cele trei terminale active, mai există un terminal conectat la substratul pe care este construit tranzistorul. Între canal și substrat există o joncțiune, iar sensul acesteia este reprezentat printr-o săgeată. Aceasta joncțiune trebuie să fie mereu invers polarizată.

Funcționarea tranzistorului este controlată cu ajutorul tensiunii de comandă (VGS), aplicatăîntre poartăși sursă, ce comută tranzistorul din starea de blocare în starea de conducție. În această stare se deschide uncanal între drenăși sursăce permite trecerea curentului de drenă.

Dacă tensiunea VGStrece de o tensiune de prag VT, curentul de drenă ID depinde parabolic de VGS (Fig. 3.18), după cum reiese din următoarele formule:

ID = o pentru VGS<VT

ID = K(VGS-VT)2 pentru VGS>VT

K=un parametru al tranzistorului ce se deduce din formula anterioară.

Tranzistorul este activat complet atunci cand ID corespunde cu ID(on) din foile de catalog, iar tensiunea dintre poartăși sursăeste VGS(on).

Fig 3.14. Dependența curentului de drenăîn funcție de tensiunea poartă-sursă.[10]

După cum se observă in figura 3.14, tranzistoarele MOSFET sunt de 2 feluri:

cu canal de tip n, unde tensiunea poartă-sursă trebuie să fie pozitivă;

cu canal de tip p, unde tensiunea de comandă trebuie să fie negativă;

Dacă VDS are valori mici, curentul IDeste aproximativ proporțional cu această tensiune, ceea ce rezultă că tranzistorul se comportă ca un rezistor:

La valori mari ale tensiunii VDS, curentul ID nu mai depinde de tensiunea drenă-sursă, iar ieșirea tranzistorului se comportă ca o sursă de curent controlată de VGS.

3.6. Oscilator cu cristal de cuarț:

Oscilatorul este un circuit electric ce transforma curentul continuu dat de o sursa de alimentare, in semnale periodice de curent alternativ. Oscilatoarele produc aceste oscilatii periodice fara a primi vreun semnal de intrare.

Oscilatoarele controlate cu cuart sunt cele mai utilizate pentru obtinerea unor oscilatii cu frecventa stabila cuprinsa intre 1KHz si 200MHz. Cristalul de cuart are rolul unui rezonator (atunci cand este aplicat un curent continuu cristalului de cuart, acesta vibreaza cu o frecventa ce determina frecventa de functionare a oscilatorului).

În Fig. 3.15 este prezentata schema echivalenta a cristalului de cuart unde:

L = inductanta echivalenta masei;

Cs = capacitatea echivalenta elasticitatii cristalului;

R = rezistenta de pierderi datorita frecarilor din cristal;

Cp = capacitatea dintre electrozii plani intre care se afla cristalul;

Fig. 3.15. Schema electrica echivalenta a cristalului de cuarț[11]

Fig. 3.16. Variatia reactantei in functie de frecventa[11]

Pentru un oscilator cu cristal de cuarț se pot defini următoarele frecvențe:

fr – frecvența de rezonanță = frecvența la care rezonatorul prezintă impedanța rezistivă minimă;

fa – frecvența de antirezonanță = frecvența la care rezonatorul prezintă impedanța rezistivă maximă;

fs – frecvența de rezonanță serie = frecventa pentru care reactanta circuitului RLC se anulează (formula in Fig. 3.16.);

fp – frecvența de rezonanță paralelă = frecvența pentru care reactanța inductanței L este egală cu reactanța capacității rezultate din înserierea capacităților Cs si Cp (formula in Fig. 3.16.);

fm – frecventa la care impedanta rezonatorului este minima;

fn – frecventa la care impedanta rezonatorului este maxima;

In practică se poate considera că fr = fs = fm si fa = fp = fn

În aplicația noastră o să atașăm un oscilator cu cristal de cuarț de 20MHz microcontrolerului PIC18F4550, la pinii OSC1 și OSC2, precum în Fig 3.17.

Fig. 3.17. Osculator cu cristal de cuarț conectat la pinii unui microcontroler [11]

CAPITOLUL 4. DESCRIEREA REALIZARII PRACTICE A ELECTROSTIMULATORULUI MUSCULAR

In Anexele 2 si 3 sunt prezentate schema digitală si schema analogică a electrostimulatorului, iar în continuare găsim descrierea acestora.

4.1. Conceptul Pinguino

Pinguino este o platforma asemanatoare cu Arduino, foarte cunoscuta ca suport pentru electronica prototipuri. Pinguino susține diferite microcontrolere Microchip pe 8 și 32-bit, toate cu suport USB nativ (nu este nevoie de cip FTDI).

Placa vine cu un bootloader USB instalat. Bootloader-ul rulează în interiorul microcontrolerului. El este responsabil pentru transferul aplicației de pe PC în memoria microcontrolerului și predarea controlului la acest program după aceea.

Nu este nevoie de programator (decat prima data, la scrierea bootloader-ului in memoria uC), microcontrolerul poate fi reprogramat pe magistrala USB cu un PC. Familii suportate:

-8-bit: PIC18Fx550, PIC18Fx5K50, PIC18Fx6J50 și PIC18Fx7J53;

-32-bit: PIC32MX MIPS;

Placile Pinguino pot fi folosite in moduri diferite, în funcție de abilitățile si cunostintele software:

– cu limbajul Pinguino (exista un IDE Pinguino cu o sintaxa foarte apropiata de C, foarte intuitiva și aproape compatibila cu limbajul Arduino);

– cu setul de unelte de dezvoltare Microchip MPLAB X IDE;

Pinguino nu este numai o placa de elaborare de prototipuri, este si un mediu integrat de dezvoltare (IDE – Integrated Development Enviroment), care oferă tuturor posibilitatea de a scrie, compila și încărca programe pe o placa Pinguino.

Despre limbajul Pinguino se poate spune ca este foarte asemanator Cu limbajul Arduino. Utilizatorii pot folosi aceleași cuvinte cheie, dar nu pot include biblioteci Arduino în codul lor. Software-ul Pinguino este multi-platforma, putand sa ruleze pe Windows, Linux si Mac OSX.

Pinguino este software open source lansat în conformitate cu termenii GNU GPLv2 (versiune General Public License 2). Placile Pinguino sunt open hardware (se pot folosi si modifica liber, fara licenta).

4.2 Placa de stimulator

Această placă are ca nucleu de dezvoltare un PIC 18F4550. Se poate alimenta prin portul USB in condiții de dezvoltare a programelor și test, dar exista și opțiunea unei surse externe (baterie / acumulatori sau alimentator extern de priză) in utilizarea obișnuită. Configurarea și alegerea uneia dintre alternative se poate face prin intermediul unui jumper. Pentru cazul de utilizare a unei surse externe, există pe placă un led verde, care semnalizează existența tensiunii de +5Vcc, care este realizată cu stabilizatorul LM7805.

Alături de microcontroler există pini de conectare și un led utilizator, legat pe pinul 6 (pinul 6 mai este denumit în interiorul limbajului si USERLED). Led-ul utilizator este foarte util in faza de scriere a primelor programe și este conectat la pinul 6 tot prin intermediul unui jumper. Scoaterea jumper-ului eliberează pinul pentru funcții digitale, astfel se caștigă un pin.

Pe placă exista un display LCD alfanumeric de tipul HD44780 (Hitachi), cel mai cunoscut și utilizat în acest moment.

Pinout-ul LCD 44780 este urmatorul:

– pin 1 – GND;

– pin 2 – Vcc;

– pin 3 – pin de contrast al display-ului (se obține dintr-un divizor intre rezistențele de 20k și 300 ohmi);

– pin 4 – RS (Register Select), este conectat în schema cu pinul 23 al placii Pinguino;

– pin 5 – R/W (Read – 1 logic / #Write – 0 logic), deoarece nu se citește din dispozitiv pinul este pus la masa (GND);

– pin 6 – E (Enable) este conectat cu pinul 24 al placii Pinguino;

– pinii 7 (D0), 8 (D1), 9 (D2), 10 (D3) – conectați la GND, se folosește atacul display-ului LCD pe 4 pini, nu pe 8 (soluție care face economie de pini ai uC);

– pinii 11 (D4), 12 (D5), 13 (D6), 14 (D7) – conectați respectiv la pinii 28, 27, 26, 25 ai placii Pinguino;

– pin 15 – (A – Anod) conectat la Vcc printr-o rezistență de 180 ohmi, la display-urile care au retroluminare;

– pin 16 – (K – Katod) conectat la GND;

Pe placă mai există patru microswitch-uri (SW2, SW3, SW4, SW5) , conectate la pinii cu intrări digitale ai µC Pinguino, având ca scop setarea frecvențelor, duratelor și a factorilor de umplere ai formei de undă necesare electrostimulatorului. Switch-urile sunt denumite UP. DOWN, RIGHT si ENTER, cu ele se va face modificare valorilor, alegerea funcțiilor și defilarea in interiorul meniurilor de utilizare.

Placa analogică va mai conține sursa de tensiune înalta (realizată cu MC 34063 – U3) și driver-ul de poartă MOS realizat cu circuite discrete (U5,U6,Q1). Este nevoie de o sursă de înaltă tensiune (V High – nivelul de ieșire este setat la 80 V prin intermediul potențiometrelor semireglabile P1 si P2).

C9 si C10 (470nF) au rol de filtru pentru sursa de tensiune ridicată. Schema de utilizare a MC 34063 este de tip step-up, transformatorul pe ferită (care are si rol de protecție a componentelor de comandă ale U3) are un raport de transformare de cca. 3:1 (se poate ajunge la cca 90 V amplitudine maximă).

Se utilizează impulsurile de tensiune din primarul transformatorului T1, D1 (1N4148 / 1N4448) este diodă redresoare, iar C12 si ZD1 având rol de stabilizator și filtru. Sursa de curent LM334Z (U4) asigură un curent constant prin setarea rezistenței R20 la valoarea de 27 Ohmi.

In schemă este desenată existența unui singur canal al unitații EMS, extinderea numarului de canale fiind simplu de dedus. Opto-cuplorul U5 are rol de separare galvanică și reprezintă intrarea driver-ului de poartă (gate driver) realizat cu componente discrete. Colectorul tranzistorului opto-cuplorului atacă pinul de RESET al circuitului timer 7555, activând / dezactivând ieșirea OUT (pinul 3 al 7555). Timerul oscilează liber la cca. 70 Khz (stabilită prin rezistoarele R14, R15 și condensatorul C16), asigurând prin circuitul dublor de tensiune (D2, D3, C14, C15) o tensiune de comandă pe poarta Q2 (MOS cu canal N) aproape dublă față de nivelul semnalului de ieșire din µC. Atacul porții se face prin intermediul tranzistorului Q1 (2N3904).

Drena tranzistorului MOS Q2 este legată la tensiunea înaltă (V High), iar către mufa de ieșire la care se pot conecta electrozii plasati pe piele, mai există rezistența R18 si capacitorul C17.

Pe placa digitala exista trei pini de semnal PWM (p10, p11, p12), iar extinderea numarului de canale a unitatii EMS se poate face prin multiplicarea opto-cuploarelor și a circuitelor de comandă pe poartă (gate-driver).

CAPITOLUL 5: SOFTWARE DE COMANDĂ ȘI CONTROL

În acest capitol descriem funcțiile de cod utilizate pentru programarea microcontroler-ului PIC18F4550. Codul propriu-zis se gaseste in Anexa 4.

pinMode(LED1 , OUTPUT); // stabilește modul de funcționare al pinului, configurat ca pin de ieșire;

digitalRead(sw1) // citește valoarea digitală dintr-un dispozitiv (de exeplu, un switch);

digitalWrite(USERLED,HIGH); //scrie valoarea digitală într-un dispozitiv (de exeplu, un led);

lcd.pins(RS,E,D4,D5,D6,D7,0,0,0,0) // configurarea pinilor LCD-ului pentru modul de 4 biți;

lcd.setCursor // plasează cursorul pe caracterul și linia dorita (de exeplu, 00 reprezintă primul caracter de pe prima linie, iar 01 reprezintă primul caracter de pe linia a 2-a;

lcd.begin // setează modul LCD-ului pe care lucrează (de exemplu la lcd.begin(2,0) lucreaza cu 2 linii x 16 caractere, pe matrici de 8×5 pixeli, iar la funcția lcd.begin(2,1) lucrează cu o linie x 16 caractere pe matrici 8×10 pixeli)

u8 val1; // val1 este un octet fără semn (u = unsigned/fara semn) //alte tipuri de variabile: b=binară, o=octală, x=hexa, f=float;

lcd.printf(“var1= %3u”, var1); // 3 reprezintă pe cate cifre poate fi reprezentat numarul, iar u = variabila fara semn;

CONCLUZII

In acest proiect am realizat un dispozitiv de stimulare elecrică a țesutului muscular prin care pot fi controlați ,cu ajutorul potențiometrelor și al butoanelor, urmatorii parametri:

– amplitudinea semnalului;

– frecvența semnalului;

– durata unui impuls;

– factorul de umplere.

Varierea acestor parametri ajuta la stabilirea unui program pentru eficiență maximă a stimularii musculare. Fiecare program in parte este conceput in funcție de nevoile utilizatorului, de exemplu: pentru recuperarea medicală a mușchiului este nevoie de niște valori ale parametrilor, diferite fata de valorile necesare pentru tonifierea mușchiului.

De remarcat faptul că acest aparat nu are ca ținta doar utilizatori precum sportivi sau persoane cu probleme medicale, ci poate fi folosit și de orice alta persoană care dorește menținerea corpului într-o stare activă și sănătoasă.

Aceste tipuri de aparate au evoluat in timp, cele mai performante având mai multe canale de ieșire pentru a stimula concomitent mai multe categorii de mușchi, eficientizând rapiditatea procesului. Insă, această schimbare duce la creșterea considerabilă a dimensiunilor aparatului, nemaiputând fi portabil.

La proiectarea dispozitivului am urmărit să fie portabil și ușor de utilizat. Am realizat acest lucru prin dimensiunile reduse ale aparatului și posibilitatea alimentarii acestuia de la o baterie de 9V, iar utilizarea fiind rezumata la 4 butoane și un potențiometru pentru schimbarea și setarea parametrilor.

Am ales folosirea unui microcontroler deoarece este o implementare mai eficientă față de electrostimulatoarele vechi proiectate doar cu circuite integrate simple. De asemenea, putem beneficia de multiplele funcții ale microcontroler-ului prin programarea acestuia in funcție de obiectivele stabilite. Dezavantajul acestei alegeri il reprezintă creșterea ușoară a costului dispozitivului..

În încheiere, menționez faptul că dispozitivul electric pentru stimularea țesutului muscular pe care l-am proiectat este un aparat cu costuri reduse, portabil, la îndemâna oricărei persoane si cu o gama larga de întrebuințări.

BIBLIOGRAFIE

[1] Arthur C. Guyton “Fiziologie”, editia a 5-a sub redactia Prof. Dr. Radu Carmaciu, Editura Medicala AMALTEA .1996;

[2] Rodica Strungaru “Electronica Medicala”, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti – 1982;

[3]www.ieee.org Michael John McNulty „Design of a Highly Efficient Circuit for Electrical Muscle Stimulation” accesat la data 15.02.2014

[4] Jade Alberkrack “Theory and Applications of the MC34063 Switching Regulator Control Circuits” ON Semiconductor.

[5] http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM7805.pdf (Circuitul integrat LM7805) accesat la data 10.07.2014

[6]http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM334Z.shtml (Sursa de curent LM334Z) accesat la data 16.07.2014

[7] http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2155.pdf (Circuitul integrat IR2155) accesat la data 25.07.2014

[8] http://www.euedia.tuiasi.ro/lab_ep/ep_files/Lucrarea_6_img.pdf accesat la data 30.07.2014

[9] http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39632c.pdf (Microcontrolerul PIC18F4550) accesat la data 02.08.2014

[10] http://www.unibuc.ro/prof/dinca_m/miha-p-dinc-elec-manu-stud/docs/2011/sep/22_12_32_50cap_7_v3.pdf (tranzistoarele MOSFET) accesat la data 09.08.2014

[11] http://www.electronics-tutorials.ws/oscillator/crystal.html (oscilator cu cristal de cuart) accesat la data 13.08.2014

ANEXA 1: Descrierea pinilor microcontrolerului PIC18F4550[9]

ANEXA 2: Schema digitală a electrostimulatorului

ANEXA 3: Schema analogică a electrostimulatorului

ANEXA 4 : Codul de programare al microcontroler-ului

/*––––––––––––––––––

Author: Sohan Andrei

Date: Sun Sep 14 19:56:10 2014

Description: Software pentru aparat de tip EMS

––––––––––––––––––*/

#define swUP 21 // definirea conexiunilor switch-urilor

#define swDO 22

// swUP conectat cu pin21 (Pinguino), swDo cu p21 (Pinguino), etc

#define swLE 9

#define swRI 8

#define out 11 // iesirea digitala pin 11

u8 val1;

// sunt variabile in care transfer ce citesc de pe switch-uri (u8

// inseamna octet fara semn)

u8 val2; // val1 dedicat lui swUP, val2 lui swDO, etc

u8 val3;

u8 val4;

u8 freqVal = 1; // valoarea frecventei

u8 dutyVal = 1;

// valoarea factorului de umplere (valorile 0 / 100 pt duty cycle nu au sens)

u8 perVal = 0; // valoarea perioadei

void setup()

{

//run once:

pinMode(USERLED, OUTPUT);

pinMode(out, OUTPUT); // este introdusa acum!

pinMode(swUP, INPUT);

pinMode(swDO, INPUT);

pinMode(swLE, INPUT);

pinMode(swRI, INPUT);

// initializarea LCD

lcd.pins(23, 24, 28, 27, 26, 25, 0, 0, 0, 0);

lcd.begin(2,0); // precizeaza dotsize-ul (2 linii, matrice de pixeli de 5×8)

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("EMS unit");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("Sohan Andrei");

delay(1000);

lcd.clear();

}

void loop()

{//run repeatedly:

val1 = digitalRead(swUP);

val2 = digitalRead(swDO);

val3 = digitalRead(swLE);

val4 = digitalRead(swRI); // toate switch-urile sunt HIGH, daca le

// apas devin LOW

if(val1 == 1 && val2 == 1 && val3 == 1 && val4 == 1)

{

lcd.clear();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.printf("Frequency: %3uHz", freqVal);

// 3u se refera la 3 cifre rezervate si la valoare fara semn –

// unsigned

lcd.setCursor(0,1); // daca era valoare cu semn era s – signed

lcd.printf("Duty factor: %2u", dutyVal);

// 2 cifre, valoare unsigned

delay(3000);

lcd.clear();

lcd.setCursor(0,1);

lcd.printf("Period: %3us%", perVal);

delay(3000); // 3000 milliseconds = 3 seconds

}

if(val1 == 0 && val2 == 1 && val3 == 1 && val4 == 1)

// seteaza frecventa

{

lcd.clear();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.printf("Frequency: %3uHz", freqVal);

delay(200);

freqVal+=5; // incrementare cu 5

delay(500); // 200 se refera la milisecunde

if(freqVal>=255) freqVal=0; // revine la zero

}

if(val1 == 1 && val2 == 0 && val3 == 1 && val4 == 1)

// seteaza perioada

{

lcd.setCursor(0,0);

lcd.printf("Frequency: %3uHz", freqVal);

lcd.setCursor(0,1);

lcd.printf("Period: %3us", perVal);

delay(200); //*am activat si aici!!!

perVal++;

delay(500);

if(perVal>=240) perVal=0; // maximum 240 secunde = 6 minute!

}

if(val1 == 1 && val2 == 1 && val3 == 0 && val4 == 1)

{

lcd.clear();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.printf("Frequency: %3uHz", freqVal);

lcd.setCursor(0,1);

lcd.printf("Duty factor: %2u", dutyVal);

delay(200); //*am activat si aici!!!

dutyVal++;

delay(500);

if(dutyVal>=100) dutyVal=0;

// ia valori procentuale intre 1… 99

}

if(val1 == 1 && val2 == 1 && val3 == 1 && val4 == 0)

{

lcd.clear();

lcd.home();

lcd.print("Start…");

delay(3000);

//digitalWrite(out, HIGH);

//delay