UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA C.B.1, IZTAPALAPA,

LIC. EN INGENIERIA BIOMEDICA.

SEMINARIO DE PROYECTOS II.

ASESORES :

SALVADOR CARRASCO S.

J

RAMON GONZALEZ CAMARENA. ’ \ lfi596

OSCAR YABE2 SUAREZ.

ALUMNOS : I [DURAND ORTEGA ROBERTO. I ‘i I 13 / Julio /1990. i

URDE MARTINEZ MA. MAGDALENA. I

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U. A N.

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I.- Introducción ......................................... 2

11.- Desarrollo ........................................... 4

B.- Descripción de las etapas de la UP .......... 5 A.- Descripción general del instrumento ......... 4 1.- Discriminador de onda .................. 5 2.- Base de tiempo seleccionable ........... 8 3.- Contadores. decodificadores. memoria y

desplegado ............................. 9

4.- Unidad de control ..................... 11

1.- Módulo de Margaria .................... 16 2.- Módulo de reflejo rotuliano ........... 17 3.- Módulo de tiempo de salto ............. 19

D.- Operación del instrumento .................. 25 1.- Unidad principal (UP) ................. 25 2.- Módulo de Margaria .................... 26 3.- Módulo de reflejo rotuliano ........... 27 4.- Módulo de tiempo de salto ............. 28

C.- Descripción de los módulos ................. 15

111.- Resultados .................................... 30

1V.- Discusión ..................................... 33

V.- Apendice ...................................... 34

VI.- Conclusiones .................................. 35 VI1.- Bibliografía .................................. 36

I

1.0 INTRODUCCIObl

Desde sus inicios, la medicina ha buscado nuevos parámetros y variables fisiológicas que aporten conocimiento, por un lado, del adecuado funcionamiento del cuerpo humano, valores de referencia normales y por el otro, del grado de afectación de las enfermedades. Actualmente los médicos determinan de manera obligada y objetiva algunas de estas variables para establecer el estado de salud de un sujeto. Entre estas se pueden mencionar: frecuencia cardíaca, temperatura, tensión arterial, frecuencia respiratoria, etc. Sin embargo, existen muchas otras variables igualmente importantes que son determinadas subj etivamente como la duración de ref lejos y la respuesta a ciertos estímulos, etc. sin tener índices reales representativos que las cuantifiquen y permitan una comparación con algún patrón característico. Es por esta razón que se han desarrollado dispositivos que permiten medir algunas de ellas con la precisión requerida para hacer de éstos, índices confiables de información.

Un parámetro que no se ha considerado suficientemente ha sido la duración de determinados eventos fisiológicos, que en un momento dado pudieran aportar información clínica relacionada con el estado de salud o enfermedad de un sujeto; hasta el momento existen pocos antecedentes al respecto.

La instrumentación utilizada con este fin no es sencilla y por ello no se encuentra accesible a un primer nivel de atención.

Por esta razón se desea generar un instrumento sencillo 9)ue permita, mediante la temporización de eventos, duantificar algunos fenómenos y estados fisiológicos como tiiempos de reacción neuromuscular, períodos de preeyección +l ventriculo izquierdo, tiempo de espiración, duraci6n de 1 s tres fases de un salto vertical, duración del reflejo r 5 tuliano, etc; y que además aporte un panorama general de

2

las condiciones funcionales de los principales sistemas orgánicos de un sujeto. OBJETIVO. Desarrallar un sistema capaz de medir la duración de eventos fisiol6gicos de una forma confiable y sencilla, implementando para ello una unidad principal que realice la medición de estos tiempos y una serie de módulos que lleven a cabo el control de la medición, en la que cada módulo sea el transductor entre el evento fisiológico que se desea medir y la unidad de medición. Específicamente en este proyecto terminal se desarrollarán tres módulos con los que se medirán los siguientes fenómenos:

- Duración de el reflejo rotuliano. - Duración de las tres fases de un salto vertical. - Tiempo de ascenso en una escalera. Los índices arrojados de las anteriores mediciones se

usarán con fines específicos que se describirdn en el desarrollo de este reporte.

La elección de las variables a temporizar fue sugerida por los asesores, en relación a complementar el desarrollo de proyectos de investigación en marcha.

i

3

11.- DESARROW 1 I

4

Las características que debe reunir el dispositivo son:

B - Precisión y confiabilidad. I

- Seguir el esquema de un sistema módular. - Capacidad de almacenamiento de información. El desarrollo comprende la descripción funcional de

cada uno de los bloques que integran la unidad principal,

- Facilidad de manejo. i

f

así como de las etapas presentes en los distintos módulos.

Am- DESCRIPCION GENBRAL DEL IHSTRmtEbFTO

Comenzaremos por describir la unidad principal, enumerando cada uno de los bloques, siguiendo el orden en que fueron elaborados.

En primer lugar se presenta un diagrama a bloques de la unidad principal, con las interrelaciones entre ellos, para facilitar la comprensión de su funcionamiento integral.

FIG 1. DIAcRAeu A BLoaoES DE WIDU) PRINCIPAL .

Como se puede apreciar en la fig 1, la unidad de control recibe las señales de inicio y paro provenientes de los módulos, mientras que las demás señales son generadas pbr la unidad principal. En base a estas señales, la unidad d control genera los comandos que gobiernan a cada uno de 19s elementos que integran la Unidad Principal (UP). r

4

Los contadores reciben los comandos de reset, habilitación de cuenta y base de tiempo. El resultado de la cuenta es enviado a los latch y retenido por estos al ocurrir un paro de cuenta, al mismo tiempo se lleva a cabo el protocolo de almacenamiento en memoria. Dicho resultado de cuenta se mantiene desplegado mientras no ocurra una nueva señal de paro. Cabe mencionar que en la Unidad de Memoria (üM), las salidas permanecen en alta impedancia durante la escritura, por lo contrario, en la lectura, las salidas del latch permanecen en alta impedancia, y las salidas de la memoria permanecen habilitadas, para evitar conflictos en el bus de datos que llega a los decodificadores. Las salidas de los decodificadores van diréctamente al desplegado de información.

B.- DESCRIPCION DE LAS ETAPAS DE LA UNIDAD PRIMCIBAL

1.0 DISCRIMINAOOR DE ONDA

Esta etapa surge de la necesidad de contar con un dispositivo capaz de identificar una onda en particular de una señal

En este subsistema se realiza la discriminación de cualquier tipo de señal en amplitud, dando como resultado un pulso digital cada vez que una señal cae dentro de un rango de amplitud preseleccionado por el usuario.

que se compone de varias de ellas.

.

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FIG 2. DISCRIIIIIUWR DE QOA.

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-----

El circuito anterior que lleva a cabo la fUncidn descrita, se compone básicamente de dos comparadores y lógica combinacional complementaria. A los comparadores se les define la ventana de discriminación en amplitud para la señal por medio de dos potenciómetros.

Ambos comparadores presentan una configuración similar, basada en el comparador LM311, en los cuales fue necesario ajustar el grado de histéresis ( 4 ) , para lograr un comportamiento óptimo de esta etapa. Cada uno de ellos proporciona niveles de voltaje compatibles con 16gica TTL o CMOS

Estos niveles son utilizados por la lógica combinacional complementaria de esta etapa, que finalmente genera el pulso de detección, cuando en la señal de entrada se encuentra presente una onda con las características en amplitud preseleccionadas en el dispositivo.

Para una mejor comprensión del funcionamiento del circuito se presenta a continuación el diagrama de tiempos del mismo.

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PIG. 3 DIAGRAMA DB( TIEMPOS DEL DISCRIMIEOADOR Da ONDA.

Cada vez que la señal sobrepasa el nivel de referencia bajo (NB), el comparador (1) pasa de +5V a O y permanece así +Sta que la señal cruza nuevamente NB, de la misma manara e$ comparador (2) commlta cuando la señal sobrepasa el nivel

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6

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de referencia alto (NA), un pulso se genera en la salida M

del monoestable cada vez que se presenta un transición negativa en la salida del comparador 1, este pulso es la entrada R del F/F, cuya entrada S es la salida del comparador 2, este genera la salida F, que en una NAND con C1 nos indica con una transición negativa en su salida A

cuando la señal cae dentro de la ventana descrita por NB y NA, finalmente el pulso W del 2 O monoestable se activa con la transición negativa de la señal A.

Los niveles de comparación serán seleccionados por el usuario, desde el panel de control, en todos los casos, mediante la perillas graduadas que corresponden al nivel alto y bajo de la ventana de comparación. Con esto se tiene la libertad de variar el rango de comparación, de acuerdo a las necesidades del usuario-

Lo anterior es de especial ayuda cuando los umbrales de discriminación varían de sujeto a sujeto en un mismo fenómeno .

Una de las finalidades de este subsistema en la unidad principal, es la de proporcionar en futuras aplicaciones una herramienta auxiliar a los diseñadores de módulos de control subsecuentes. Ya que el resultado de la discriminación generado por esta etapa (pulso de detección), puede llegar a alimentar el bloque de control de los contadores, si así se requiere. Contando además con la ventaja de que este subsistema es compatible con lógica TTL o CMOS.

ESPECIFICACIONES DEL CIRCUITO: Rango dinámico de l a ventana : O - 9 V. Duración del pulso de detección: 500 nseg. Estimación del retraso: 50 nseg. Voltaje de alimentación: + 9V, -9V y 5V.

7

Este bloque nos proporciona la frecuencia de reloj para la siguiente etapa (contadores), como se observa en las interrelaciones del diagrama a bloques (fig 1). Esta frecuencia varia de acuerdo al evento o fenómeno que se requiere medir.

Las posibilidades de elección de las frecuencias de reloj en esta etapa, van desde 1Hz hasta lMHz, en múltiplos de 10, lo que permite tener una resolución maxima de 1 microsegundo y una mínima de 1 segundo.

De esta forma en eventos bien caracterizados, la selección de la base de tiempo se efectuar& de manera directa desde el módulo correspondiente; mientras que para eventos no caracterizados el usuario tiene la posibilidad de elegir la base de tiempo que más se ajuste a la precisión deseada.

Esta elección puede realizarse directamente desde el conector principal en el que se encuentran disponibles 5 bases de tiempo diferentes (1 Hz, 10 Hz, 100 Hz, lKHz y 10 KHZ) . I

El circuito consiste de 7 contadores en cascada y un oscilador de alta estabilidad ( 4 ) , controlado por un cristal de cuarzo de 4 MHz.

En esta configuración el primer contador realiza una división por cuatro de la frecuencia base (4 MHz), proporcionada por el oscilador, obteniendose una frecuencia de 1 MHz. Esta frecuencia es dividida consecutivamente en los siguientes 6 contadores, los cuales estan configurados de manera bi-quinaria, para realizar divisiones por 10 de su frecuencia de reloj.

base de 4 HHz, se debe a que el cristal de esta frecuencia nos proporcionó una mayor exactitud y estabilidad, en el c'ircuito oscilador, características vitales para la cqnfiabilidad de esta etapa; además partiendo de una base de

La razón por la que se tiene una frecuencia

I

tiempo alta, grandes variaciones en esta no se traducirán en variaciones apreciables en las frecuencias que serán utilizadas para alimentar a los contadores.

Con el fin de asegurar la exactitud de cada una de las frecuencias presentes en este subsistema, estas fueron medidas con un frecuencimetro digital y con un osciloscopio, confrontando posteriormente los resultados para comprobar su veracidad, encontrando gue el circuito así diseñado es confiable y preciso, ya que como se esperaba el error producido en altas frecuencias disminuye Considerablemente en las frecuencias de trabajo debido a las divisiones subsecuentes.

El circuito de la base de tiempo se encuentra permanentemente habilitado, para evitar posibles retrasos en el inicio de los contadores.

A continuación se presenta un diagrama a bloques del sistema descrito anteriormente.

1

FIG 4. BASE DE TlEUPO.

3.- CONTADORES, DECODIPICADORES, MEMORIA Y DESPLEGADO

I

SB ilustra en el siguiente diagrama a bloques la

dbplegado y una unidad de almacenamiento de datos; este ddagrama nos permite visualizar la estrecha interrelación

i I

i donfiguración usada de contadores, decodificadores, I

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9 I \

que existe entre cada parte de este subsistema y el porque de explicar su funcionamiento conjunto, en vez de hacerlo individualmente.

El número de contadores conectados en cascada es de 4, ya que el desplegado de la cuenta se realiza en cuatro dígitos .

La frecuencia con la que los contadores llevan a cabo su cuenta es seleccionada previamente de la etapa anterior (base de tiempo seleccionable) , por el módulo correspondiente, a través del conector principal, misma que regresará a la unidad principal, por el mismo conector.

La salida de cada uno de los contadores es decodificada a 7 segmentos por el decodificador correspondiente; estos decodificadores tienen la característica de manejar desplegados de cristal líquido (LCD); siendo este el tipo de desplegado elegido, debido a su bajo consumo de corriente principalmente. Es importante aclarar que la etapa de conteo y decodificación la componen circuitos integrados CMOS.

Como se mencionó anteriormente, existe una etapa intermedia entre cuenta y decodificación, que corresponde a +a unidad de almacenamiento de tiempos, según se indica en el diagrama anterior. Esta unidad consiste de 2 latch's y 2 memorias RAM 2k X 8, donde cada una de ellas almacena la enformación correspondiente a 2 digitos de la cuenta; los d?tos son accesados a la memoria mediante un apuntador, que

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I

1

consta de dos contadores en cascada para direccionar hasta 8 líneas, pudiendo aapliarse el direccionaraieneo a 11 líneas (lo anterior no se encuentra implementado).

Las líneas de direccionamiento y control son comunes a ambas memorias y latch's, ya que el manejo de infamación y control se realiza paralelamente en ambas.

La etapa se implementó de esta manera por considerar que de no haberlo hecho así los costos y complejidad se incrementarían de manera substancial, mientras que con la presente configuración se cuenta con una gran capacidad de memoria, que en futuras aplicaciones puede resultar necesaria.

La finalidad de proveer una unidad de almacenamiento de datos en la unidad principal, es proparcionar al usuario un espacio donde sea posible almacenar los resultados en la medición de tiempos de eventos consecutivos o en el desarrollo de algún fenóxeno en el que se lleven a cabo más de un evento, y por su duración no sea posible tomar nota de las lecturas.

4.- UNIDAD DB CONTROL

La información- que a continuación se proporciona con relación a la unidad de control, es de gran importancia y especial interés para los futuros diseños de otros módulos, ya que estos deberán basarse en las caracterlsticas de las señales de entrada a esta Unidad, para generarlas adecuadamente y asegurar así un buen funcionamiento de la unidad principal en general.

Esta etapa se describirá en base a las líneas de entrada a ella, donde deberán generarse sus correspondientes Comandos de salida para establecer el control de las distinta8 etapas de la unidad principal.

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11

A s í la etapa de control recibe básicamente las siguientes 6 líneas de entrada:

- inicio. - Paro. - Reset. - Lectura. - Incremento. - Decremento. - Base de tiempo. Las líneas de inicio y paro, como se entiende, son

aquellas que controlan el comienzo y fin de cuenta en los contadores, consistiendo cada una de estas señales en flancos descendente8 de 500 nseg de duración, que se hacen llegar a las entradas de un Flip-flop, el cual entrega una señal que habilita o inhibe el paso de la base de tiempo a los contadores, según corresponda a un inicio o un paro.

Es fqortante h l a r parr v) buen dr#arpdb de estos de control es necesario

en alguw, de ellos el otro debe pe- en u1 nivel qub CuanQ se dm ma transición ne@ativa

alto de lo contrario no se garantiza l a efectividad de dichos coladw.

Estas dos líneas pueden considerarse como las más importantes de todas aquellas que entran a la unidad de control, ya que en base a ellas se generan líneas de salida (aquellas que son automáticas), como se explicará más adelante .

- La señal de reset como se mencionó anteriormente puede darse de dos maneras: Automáticamente al efectuarse un paro y manualmente por medio de un botón (RESET). La función de este comando es la de preparar a la unidad principal para un inicio de cuenta, llevando los contadores a ceros y posicionando el apuntador en la primera localidad de memoria .

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- El comando de lectura es manual y pemite cambiar de un estado de escritura a un estado de lectura (en la unidad de almacenamiento de datos), poniendo en 3er estado los latch, siendo entonces desplegados los datos leidos de la memoria.

El sistam se mntiene en estado de lectura mientru se .IIQIc(ltre presbdn 1. t.cla

correspondiente <LEC>.

Es iiipwtento aclarar qua el both de remt deber6 p e i r @do cumdo i10 malice

M Lectura. - Incremento, esta señal se da automáticamente y / o manualmente. Este comando se da automáticamente con cada señal de inicio para incrementar el apuntador, e ir llenando localidades consecutivas de la memoria. El comando manual se proporciona para que el usuario pueda ir leyendo datos subsecuentes en la memoria, una vez que el comando de lectura se ha establecido.

- El decremento es un comando similar al de incremento manual ya que permite leer datos en forma descendente, una vez establecido el comando de lectura.

A continuación se presenta un diagrama de tiempos del protocolo de lectura en la unidad de almacenamiento de datos, ilustrando el estado de cada uno de los comandos que intervienen en la lectura ascendente y descendente.

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FIG. 6 DI- DE TlElPOS DE LECTURA.

- Base de tiempo, esta entrada recibe la frecuencia de reloj para los contadores. La frecuencia de reloj se recibe directamente del conector del módulo correspondiente, ya que este Último ha seleccionado previamente la frecuencia de reloj requerida.

Las señales de salida de la etapa de control son las

- CLK, reloj de los contadores. - CLK1, reloj de los latch's.

siguientes:

- COUNT UP, cuenta ascendente para el apuntador. - COUNT DOWN, cuenta descendente para el'apuntador. - W E , línea de escritura para la memoria. - CE, línea de selección para la memoria. - OE, línea de lectura de la memoria. - RESET, línea de restablecimiento de contadores y apuntador.

- OC, línea de tercer estado de los latch's. i

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1

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FIG . 7 PROTOCOLO DE AUUCEYAllIEYTO EM IE#RXA.

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C.- DESCRIPCIÓN DE LüS MODULOS i

En esta sección se detallaran las características de diseño de cada uno de los módulos desarrollados, mencionando las necesidades de cada uno en cuanto a instrumentación y la forma en que fue implementada en cada caso.

i

I 15

Con éste módulo se realizará la medición de tiempos de ascenso en una escalera de acuerdo al método de Margaria, los cuales son empleados para determinar la potencia anaeróbica máxima.

Se cuenta ya con el dispositivo que proporciona las señales que activarán a los contadores; éste básicamente consta de dos interruptores Ópticos, cada uno de ellos esta fopnado por un emisor de luz (lámpara incandescente) y un sensor (fototransistor de rango visible), montados ambos sobre soportes: estos son colocados sobre los escalones, de esta forma la interrupción de los haces de luz, que provoca el paso de los pies del sujeto, es la señal que activa el inicio y paro de los contadores.

FIG . 8 HOWLO DE IIAOWIA.

La determinación de estos tiempos se ha estado llevando a cabo con un dispositivo diseñado con este fin especifico, con un reloj comercial de pulsera cuya precisión es de 0.01

seg. (1). En este módulo se pretende substituir la medición de

los tiempos de ascenso con el dispositivo arriba mencionado, para hacerlo con los contadores presentes en la unidad principal de este proyecto; para lo cual se conservaran las peñales provenientes de los censores, que serán las que {inicien y paren la cuenta, lo anterior con en el objeto de incrementar la precisión en la determinación de estos tiempos .

I

2.- W O D m DE REFLEJO ROTULIIWO

El mddulo que se describirá a continuación, se desarrolló con la finalidad de medir la duración del reflejo rotuliano, con el principal objetivo de determinar patrones característicos pobiacionales y/o para diagnosticar posibles atrofias a nivel de conducción nerviosa, lo anterior para iniciar investigaciones en este sentido, ya que a la fecha no se han encontrado datos en la literatura que aporten resultados en la medición de este fenómeno empleando esta técnica .

En principio fue necesario desarrollar la instrumentación necesaria, para generar los comandos de inicio y paro de los contadores a partir de dos eventos presentes en el fenomenó que se desea medir. A s í que se procedió a elegir estos dos eventos y caracterizarlos, antes de procesarlos. El evento que inicializaría los contadores debía coincidir con el momento del golpe en la rodilla, mientras que el evento que detuviera la cuenta debía ser precisamenta la detección de la respuesta a dicho estímulo, por algún músculo efector.

Para garantizar que los contadores iniciaran su cuenta en el momento preciso de la estimulación (golpe del martillo en la rótula), se irapiementó un interruptor monoestable de contacto, que se activa cuando el martillo hace contacto con la piel del sujeto; el objetivo al emplear este interruptor es evitar posibles retrasos que otros dispositivos mecánicos ocasionarían, además de que se obtiene mayor estabilidad.

Este interruptor, esta basado en el circuito integrado LM555 en configuración monoestable el cual entrega un pulso lfTL, con duración de 0.5 seg cada vez que un par de alfileres hacen contacto con la piel; estos alfileres se han Insertado en la cabeza del martillo y se conectan al interruptor mediante un cable blindado. El pulso de este interruptor es conformado para obtener un pulso de muy corta dvración, con base en la transición ascendente, lo anterior

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t; para garantizar que el retraso entre la respuesta del t interruptor y el inicio de los contadores sea mínimo (nseg),

1

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ya que estos dltimos se activan con una transición descendente.

La implementación de este interruptor se realizó en un principio en base a un circuito monoestable, realizado con compuertas 4011, el cual resultó demasiado sensible, por lo que fue substituido por el ya descrito.

1

un putiwluidad de este intcrrrptw de wntuto a qu sólo se octiva cunda el

martillo hecr, tantuto con um superficie h i n d r & le piel, así qte se reccmiadr kilkzr

ligarmente con agua l a rodilla del sujeto antes de golpearla con el mrtil lo.

Es recamáable tgbien vigilar que 18s cabezas de 1- CuItro elfilere8 & contacto

wlncark. er~ el martillo peraenezcen sobresaliendo Ligeraante da1 mimo.

El -ir estas dos recoriendacioneo garantiza VI adecuado furiaiariento del interruptor.

Como se mencionó anteriormente el evento que detendría los contadores, sería la detección de actividad de algfin efector; se eligió la detección de actividad del músculo cuadriceps, por ser este el que responde de manera más significativa al estímulo y ser accesible la detección de su actividad mediante electromiografia.

La instrumentación empleada para generar la señal de paro a partir de este evento consiste en un amplificador de instrumentación, para adquirir la señal electromiográfica del músculo cuadriceps; posterior a esta etapa se encuentra una de filtrado (filtro pasa altas fc. 60 Hz), finalmente una etapa de detección que consiste en un comparador de ventana, en base al circuito comparador LM311. Una vez procesada la señal electromiográfica, se hace pasar por la Etapa de detección, la cual genera un flanco descendente, cuando un cambio en la actividad muscular sobrepasa los limites prefijados en la ventana de comparación en voltaje, ve se ajusta a los umbrales de comparación de cada sujeto.

El diagrama a bloques de este sistema se presenta a continuación.

FIG. 9 IICQUEWA GENERAL DEL -0 DE REFlEJO #rnriurO.

3.- MODULO DE TIEMPO DE SALTO

En este módulo se efectuará la evaluación y almacenamiento de tiempos de salto verticales de extensión máxima; esta prueba es utilizada para determinar la potencia anaeróbica máxima, considerándose el mejor lndice para determinar el desempeño de sujetos ante esfuerzos mdximos de corta duración. (7)

Durante ésta prueba de saltos verticales son de interés la evaluación de tres tiempos, considerando que el salto se divide en tres etapas distintas, los tiempos son:

- Ascenso (tiempo de extensión). - Vuelo (tiempo de vuelo). - Descenso (tiempo de flexión) . Hasta este momento se cuenta con un par de dispositivos

‘que permiten distinguir cualitativamente las tres fases del Falto; una plataforma metálica, la cual se utiliza para I freconocer el principio y fin del tiempo de vuelo, actúa pásicamente como un interruptor al contacto de los pies del Siujeto, de tal forma que cuando este se encuentra en

1 . I

19

contacto con la plataforma, el interruptor que forman la placa metálica y un trozo de papel aluminio colocado en oada uno de los pies del sujeto, permanece cerrado; cuando este abandona la plataforma el interruptor se abre, estos dos cambios conforman un pulso que inicializa y detiene los contadores, para obtener el tiempo correspondiente a la fase de vuelo.

Para la medición de las dos fases restantes del salto se emplea un electrogoniómetro, atado a la rodilla del sujeto, este dispositivo consta básicamente de un potenciómetro lineal de precisión y un amplificador cuya salida es proporcional al ángulo entre muslo y pierna. La salida del amplificador nos permite contar con una señal que nos da información a cerca del desarrollo del salto, como se observa en la siguiente figura.

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I I - t PIQ. 10 DBSARROLIX) DS SAL-.

20

. En esta señal encontramos básicamente dos puntos que son de particular interés en la identificación de la fase de extensión y flexión del salto: ya que estos puntos corresponden al inicio de la extensión y final de la flexión, los cuales a su vez corresponden a inicios y paros de cuenta. Para la detección de estos inicios y paros se implementó la siguiente instrumentación ( fig 11).

FIG. 11 .

La señal observada en la fig.10 es filtrada para eliminar cambios abruptos de esta, mismos que podrían introducir artefactos en el resultado del procesamiento posterior de la misma, el resultado del filtrado se observa en el segundo trazo de la fig. 10.

Una vez filtrada se hace pasar por un derivador discreto, con el fin de conseguir cruces por cero en los mínimos que corresponden a los puntos de interés de la señal 'original.

I \presentar cambios bruscos a pequeñas variaciones de entrada, se hace necesaria una segunda etapa de filtrado con mplificación y control de offset. En estas condiciones l a

Debido a que la derivada es de pequeña amplitud y puede I I i Í 1

: 1 4

I !

señal es pasada por un detector de cruce por cero el que nos entrega un pulso en cada caso.

Debido a que el pulso entregado por el comparador no es un pulso digital, se implementó un optoacoplador que proporciona un pulso TTL en cada cruce por cero y además se obtiene un aislamiento entre la etapa de procesamiento analógico de la señal y la siguiente etapa de procesamiento digital .

El procesamiento analógico que se ha descrito hasta este momento ocasiona un retraso en la señal proveniente del goniómetro, este retraso es causado principalmente por las dos etapas de filtrado, ya que estas alteran la fase de la señal original. Con el objeto de reducir al mínimo este retraso se utilizaron filtros discretos de primer orden, con lo que se logró una menor distorsión en la fase que la ofrecida por los filtros activos; este retraso depende de la frecuencia de la señal del goniómetro por lo que no es sistemático, así que fue necesario compensar este retraso llevando a cabo un retraso del mismo orden en la señal de la plataforma, con el fin de no alterar la medición de los tiempos de las tres fases del salto, este retraso se genera en el procesamiento digital de ambas señales.

En referencia a la fig. 10 se puede observar que existe un traslapamiento, entre el final de la extensión y el abandono de la plataforma, que corresponden a un paro y un inicio respectivamente, así como al término del tiempo de vuelo e inicio de la flexión, como se puede observar en el siguiente diagrama de tiempos.

I

22

FIG. 12.

Por tal motivo surge la necesidad de crear un protocolo de almacenamiento en memoria entre paros e inicios "simultaneos"; para tal efecto se diseñó un circuito, que provee de un retraso mínimo (500 nseg) , entre paros e inicios simultaneos, con lo cual no se afecta de manera significativa el valor de los tiempos registrados, ya que estos requieren a lo más de una precisión de centésimas de segundo, además de que este retraso es conocido y completamente sistemático,

El circuito que realiza éste protocolo de almacenamiento se ilustra a continuación en un diagrama a bloques con su correspondiente diagrama de tiempos.

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I ZF. T.U. TE.

FIG. 13.

I

Este protocolo permite almacenar los datos correspondientes a las tres fases del salto en localidades consecutivas de memoria, de esta manera es posible tener acceso a estos datos una vez terminada la prueba, ya sea que se trate de un salto único o de una serie de saltos.

Con el fin de evitar lecturas erroneas en el tiempo de salto, se ha provisto a este módulo de un dispositivo que permite al usuario controlar el inicio y fin de la prueba cuando congidera que las condiciones son las adecuadas. Este dispositivo es un interruptor manual que WABILITA" al circuito digital para llevar a cabo sus funciones; una vez que el usuario ha indicado al sujeto la posición inicial del salto acciona este interruptor y lo mantiene accionado durante todo el tiempo de la prueba, esto último para evitar que movimientos del sujeto posteriores a la prueba provoquen lecturas no deseadas en la UP.

24

1

D.- OPERACIOI DEL IDTBTRUWE#TB

La sección de operación ilustra la forma en la que debe manejarse el instrumento para su óptimo funcionamiento, describiendo los pasos que deberdn seguirse en las etapas de instalación y desarrollo de la prueba, para lo cual se describe brevemente el método de las pruebas a realizar con cada módulo; haciendo énfasis en los pasos de especial interés.

1.- UHIDAD PRIbtCIPAL

Seleccionar el módulo que se desea utilizar por medio del conector principal, provisto en la parte posterior de cada módulo, como se indica en la fig. 14.

FIG.14.

Conectar los cables de alimentación principal, con la fuente apagada y calibrada, estos conectores se encuentran dispuestas

I

las entradas a a un lado del

Iconector principal como se indica en la figura 14. I Encender la fuente de alimentación, con esto la unidad principal y el módulo seleccionado quedarán en condiciones hie operación.

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t 1

1

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25

i

Ajustar los controles del módulo correspondiente (ver

Se prepara la unidad principal por medio del botón de

Dispóngase a efectuar las mediciones de acuerdo a las

manejo de cada módulo).

reset dispuesto en el panel de control de la misma.

indicaciones de cada módulo.

La prueba puede llevarse a cabo en cualquier escalera de edificio que tenga más de doce escalones y un espacio libre de no menos de 2 m en su frente. Los interruptores ópticos se colocan uno en el sexto y uno en el doceavo escalón.

Inicialice el sistema con el botón de RESET ea l a unidad prinaipal y dispóngase a efectuar la medición de acuerdo al método siguiente:

El sujeto a ser estudiado se encarrera con esfuerzo máximo desde la distancia de dos metros, y asciende la escalera de dos en dos escalones.

La prueba se ilustra en la figura 15.

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FIG. 15. PRUEBA M IIARGMIA.

26

i

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I’ El resultado de la medici6n se podr6 leer directamente

Repita lo anterior cada que se efectúe una nueva en el desplegado, al concluir la prueba. i 1 medición del tiempo de ascenso.

La distancia vertical entre el sexto y doceavo escalón, usualmente de un metro, es dividida entre el mejor tiempo de ascenso logrado en una serie de cinco repeticiones con un descanso de 2 mino entre cada ascención.

La cifra resultante es la velocidad máxima de ascenso vertical (VMAV, m/s), que multiplicada por el peso corporal determina la potencia del sujeto,

3.0 MODULO DE RBBLEJO ROTVLIANO

Coloque dos electrodos en el músculo cuadriceps del y el tercero en la cadera como se ilustra en la fig sujeto

16.

R - Rojo A - Amarillo N - Negro

FIG. 16.

I

Conecte el cable de paciente a los electrodos rospetando el código de ooleos aio8tXadO en l a f i g 16, el otro extremo del cable de paciente conéctese al conector WABLE DB PACIENTE@@, que se encuentra en el módulo de reflejo rotuliano.

Inserte el conector del martillo en la entrada @@MARTILLO@@, que se encuentra localizada en el módulo.

Ajuste los niveles de comparación (NIVEL ALTO, MVEL BAJO) a +0.3V y -0.3V respectivamente.

Inicialice el sistema con el botón de IZESrCT en la unidad principal.

Hucdczca la rodilla Ligerirnte con agua.

Golpe la rodilla del sujeto en reposo con el martillo,

La cuenta aparecerá en el desplegado al registrarse el cambio en la actividad muscular.

Se tiene la posibilidad de llevar a cabo una serie de mediciones de este fenómeno y consultar posteriormente los resultados de estas, gracias a la unidad de almacenamiento de datos provista en la unidad principal. De esta forma se pueden comparar los resultados y realizar una mejor estimación de la respuesta del sujeto.

midendo de que el golpe sea him.

4.- MODULO DE TIEMPO DE SALTO

Cubra ambas plantas de los pies del sujeto con papel aluminio, fijándolo con alguna cinta adhesiva.

Conecte los extremos del cable de la plataforma provistos con caimanes a ambos trozos de papel.

Conecte el extremo restante del cable a la plataforma metálica, sujetándolo a un tornillo provisto en una de sus esquinas, cuidando de apretar adecuadamente este Último; ;inserte el conector de la plataforma en la entrada = P i m F a a w ,

pel módulo de tiempo de salto. \ ! i I ...

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Coloque el goniómetro en la rodilla de1 sujeto, cuidando de alinearlo con la parte lateral de la pierna y que el vértice del goniómetro coincida con el de la rodilla.

Conecte el cable de alimentación del goniómetro al conector *POL. GUN.=, del módulo de tiempo de salto y la salida del goniómetro al conector “CQIIOIETW, del mismo módulo.

Inserte el conector del habilitador manual en la entrada =HABILITADOR= del módulo.

Inicialice el sistema con el botón de RESET en la unidad principal.

Una vez que el sujeto se encuentre en la posición inicial del salto acciónese el interruptor de habilitación durante todo el tiempo que dure la prueba.

Es importante aclarar quc s i no se anntiene accionado este interriptor no se &t&

lectura alguu a h cusndo La pruebe se realice cwrectiwaite; por e l contrarío si el interriptor

perrmce aeciorudo UWI vez concluida l a prueba se obtendrán lecturas CID desedas.

La figura 17. ilustra la prueba de salto que corresponde a la descripción del método anterior.

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A continuación se presentan datos obtenidos en la medición de tiempos con cada uno de los módulos; los datos reportados son de pruebas realizadas con el fin de corroborar la confiabilidad del dispositivo, para lo que se utilizo como auxiliar un Osciloscopio de memoria, en el que se observan simultaneamente las señales de inicio y paro que llegan a la unidad principal. De manera que es posible medir el intervalo de tiempo entre ambas señales y confrontarlo con el desplegado en la UP, obteniendose de esta manera un parámetro de comparación en relación a la resolución del osciloscopio.

Am- MODULO DE IKAROABIA

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Como se mencionó en el desarrollo de este reporte, al describir el módulo de Margaria, el principal objetivo es incrementar la precisión en la determinación de tiempos de ascenso, así que para comprobar lo anterior se realizó la prueba simultaneamente con el contador implementado anteriormente y la unidad principal de este proyecto, obteniendose los resultados reportados en la tabla 1.

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5 PW 4 TABLA 1.

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Como puede observarse, en estos resultados las primeras dos cifras significativas en las lecturas obtenidas con la . UP coinciden con las lecturas del contador anterior como se esperaba, pero con la ventaja de contar con una cifra significativa más que incrementa la precisión de las mediciones.

B.- MODULO DBI REFLEJO ROTULIANO

En la tabla 2 se presentan los resultados obtenidos en la determinación de la duración del reflejo rotuliano, empleando la UP y un osciloscopio de memoria simultaneamente.

TABLA 2.

Según puede apreciarse de los resultados anteriores existe un rango de variación de +2 milisegundos entre ambos dispositivos, lo que daría un error aproximado del 8.4% en las lecturas de la UP con relación al osciloscopio para este módulo.

C.- MODULO DE TIEMPO DE SALTO

/ Los siguientes resultados que corresponden a cinco mediciones en el módulo de tiempo de salto, el error que se presenta en las tres fases del salto no es sistemático, ya que como se mencionó anteriormente depende de la frecuencia Be la señal del goniómetro para los tiempos de extensión y ítiexión, mientras que para la plataforma consiste en una

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oompensación de 11 mseg, que incrementa el tiempo de vuelo registrado en el osciloscopio, pero #debido a que ee .

sistrntico solo es necesario restarlo a la lectura para obtener un tiempo aproximado al obtenido con la UP.

TABLA 3.

Analizando los resultados de la tabla 3 podemos encontrar un error estimado de 2.15% para el TE, 0.3% para el TV y 5.03% para el tiempo de flexión.

El error como se mencionó anteriormente no es repetible para TE y TF debido al procesamiento analógico.

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IV. DSSCUSXO#

Ventajas : * Facilidad de manejo, debido a los pocos controles que

* Confiabilidad y precisión en las mediciones. * Elimina la necesidad de usar dispositivos sofisticados y costosos (PC, ADC, ETC.).

* La característica modular de su diseño, permite que se amplien sus aplicaciones mediante la implementación

* Los módulos subsecuentes sólo tendrán que entregar dos señales (INICIO y PARO) a la UP, lo que simplifica su diseño.

el usuario manipula.

de módulos adicionales.

* Disponibilidad de cinco bases de tiempo a elegir de

* Amplia capacidad de almacenamiento de información en acuerdo a la precisión requerida.

la UM.

Desventajas : * La realización de los circuitos en Wire-wrap, que es

* La incapacidad de interactuar con una PC debido a que

* Se tienen retrasos pequeños (nseg) en inicios y paros

susceptible de falsos contactos.

no se diseñó interfase alguna.

consecutivos, debido al protocolo de almacenamiento.

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v.- APEllDICE

Posibles fallas:

- No se despliega cuenta. * Revise que la fuente este encendida. * Verifique el estado del interruptor de Reset,

este debe estar en la posición de presionado. * Revise que todos los conectores esten en su

* Observe que se cumplan las condiciones de posición correcta y perfectamente acoplados.

operación de cada m6dulo. - Parpadeo del despliegue.

* Revise que el conector de polarización este

* Verifique que no existan falsos en el cto. bien colocado.

oscilador. - Lecturas fuera de rango.

módulo. * Verifique las condiciones de operación de cada

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VI.- CorilcLuaIomw

Este dispositivo. que se dasarrolló como prototipo, puede ser una herramienta de gran utilidad en la investigación de nuevos índices clínicos, que involucren al tiempo como variable de interés, ya que sus aplicaciones son muy extensas y aún poco desarrolladas.

ES por esta razón que este proyecto cumple las características mínimas requeridas para el inicio de la investigación en este sentido, en particular, con los módulos desarrollados hasta ahora, cada uno de los cuales proporcionará información valiosa de un fenómeno, que probablemente nos permita determinar algunos estandares normales acerca del estado de salud de la población.

Cabe mencionar que en el desarrollo de la instrumentación, tanto de la UP como de los módulos, se tuvieron que resolver problemas muy específicos, lo cual en ocasiones no fue fácil debido a que algunos de estos problemas carecían de una aparente justificación.

Pensamos finalmente, que se logró una adecuada aplicación de la electrónica, para satisfacer una necesidad en la investigación clínica, gracias a una buena interacción entre estas dos disciplinas.

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VIIm- B I B L I O O W I A

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