Figura 1. Bulbos sinápticos terminales

PROTOTIPO DE PROTESIS PARA MANO UTILIZANDO MUSCULOS DE ALAMBRE
(NITNOL) PARA LA GENERACIÓN DE MOVIMIENTO
Andrea Aparicio G., Luis Alejandro Caicedo D., José E. Cuy C.
Universidad Santo Tomás de Aquino
Bogotá, Mayo de 2004
E-MAIL:
[email protected]
Resumen: El proyecto consiste en capturar los biopotenciales que se encuentran en el
antebrazo de la persona amputada a la altura de la muñeca, para ser amplificados,
procesados y obtener una señal equivalente a la entregada por el cuerpo en la
realización de apertura y cierre que sirve para accionar el modelo mecánico.
1. INTRODUCCIÓN
En el campo investigativo actual, se está
buscando que la persona discapacitada
recupere en lo posible el uso pleno de
sus capacidades físicas, para desarrollar
plenamente las actividades cotidianas;
debido a esto, ramas como la
electromedicina, la bioingeniería, la
biomedicina y la mecatrónica, entre
otras, son disciplinas que al interactuar
conjuntamente llevan a ese proceso de
desarrollo científico.
Debido a lo anterior desde 1998 se ha
venido trabajando en el transplante1 y
adecuación de prótesis para personas
amputadas.
Algunas universidades como la Escuela
Colombiana de Ingeniería, la universidad
de los Andes, la Universidad Distrital, la
Universidad Javeriana en Bogotá, han
adelantado estudios referentes a este
tema y han trabajado varios prototipos de
estas prótesis.
Teniendo en cuenta que el prototipo de
prótesis que se quiere realizar va dirigida
a personas a las cuales se les ha
amputado su miembro superior (mano),
1
http://www.eside.deusto.es/asignaturas/TiM/Trabs1999/A13/Si
stemasVR.htm
se debe hacer un estudio previo para
saber qué potenciales siguen activos y
tomar las muestras, es decir, el cerebro
conserva el engrama (mapa motor) para
el movimiento de la misma (lo cual no
ocurre cuando la persona nace sin este
miembro superior) de tal forma que lo
que se quiere aprovechar es este efecto
y poder realizar una realimentación, ésta
con el fin de conservar indefinidamente
la conexión con el cerebro.
2. PLANTEAMIENTO DEL
PROBLEMA
El
problema
esencial
es
cómo
compensar, en lo posible, la falta de la
extremidad superior en personas que
han sido amputadas de la extremidad a
la altura de la muñeca y de esta forma,
mejorar la calidad de vida de éste tipo de
discapacitados.
3.OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GENERAL:
Diseñar y construir un prototipo de
prótesis
mioeléctrica
para
mano
utilizando
músculos
de
alambre
(NITINOL) los cuales serán activados
por los biopotenciales generados en el
antebrazo del paciente, previamente
filtrados
y
amplificados,
además
1
aprovechando la realimentación visual,
para permitir con ello que se mantenga el
engrama2 cerebral (memoria, mapa
motor) de la parte motriz que se encarga
de los movimientos de la mano.
indispensable que resulta
contracción y la relajación
músculos.
de la
de los
4.1.1. Características
3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS:
* Diseñar el prototipo con función de
pinza (agarre), para lograr apertura y
cierre voluntario, a través del filtrado y
amplificación de los biopotenciales
tomados del antebrazo del paciente
amputado.
El
tejido
muscular
tiene
cuatro
características principales que son de
suma importancia para la conservación
de la homeostasia3.
1. Excitabilidad: Es la capacidad del
tejido para recibir estímulos y
responder a ellos.
2. Contractilidad: Es la capacidad
de acortarse y engrosarse o
contraerse cuando se recibe un
estímulo de intensidad suficiente.
3. Extensibilidad: Es la capacidad
del tejido muscular de dejarse
estirar o extender.
4. Elasticidad: Es la capacidad de
los músculos para recuperar su
forma original después de su
contracción o extensión.
* Aprehensión de objetos hasta de ½ lb
de peso.
* Adecuar los músculos de alambre
(NITINOL), para la generación del
movimiento del prototipo.
* Utilización de pila portátil y recargable.
4. MARCO TEORICO
Para la realización del prototipo es
necesario hacer un estudio de los
biopotenciales que se encuentran en los
músculos del antebrazo, también del
sistema a trabajar, en este caso, un DSP
de la familia 2000 de la Texas
Instruments, otro del comportamiento de
la potencia consumida por el músculo de
alambre (nitnol) y por último la
adaptación del músculo de alambre al
modelo mecánico.
4.1. SISTEMA MUSCULAR:
Los huesos y las articulaciones generan
acción de palanca y constituyen las
estructuras de sostén del cuerpo pero no
mueven a este por sí solos.
El
movimiento es una función corporal
2
Gracias a la contracción los músculos
llevan a cabo tres funciones importantes:
Movimiento, conservación de la postura y
producción de calor.
4.1.2. Unión Neuromuscular (Placa
Motora Terminal)
La contracción de una fibra de músculo
estriado entraña obligadamente la
aplicación de un estímulo a ella, el
mismo que proviene de una neurona y
precisamente la que estimula el tejido
muscular, son las neuronas motoras.
Una vez que entra en el músculo, el axón
o cilindro eje de una neurona motora se
ramifica
en
terminaciones
(telodendrones)
entran
en
íntimo
3
Homeostasia: Homeostasis: Tendencia al equilibrio o
estabilidad orgánica en la conservación de las constantes
fisiológicas.
http://www.bmd.com.ar/Consulta_Neuro06.htm
2
contacto con surcos presentes en la
membrana de la célula muscular
(sarcolema).
Los términos unión
neuromuscular
y placa motora
terminal denotan la terminal axónica de
la neurona motora, junto con la porción
de sarcolema de la fibra muscular que
está en íntima relación con dicha
terminal. El análisis microscópico de la
unión neuromuscular indica que los
extremos distales de las terminales
axónicas se expanden en estructuras
semejantes a bulbos llamadas bulbos
sinápticos terminales (FIGURA 1). Los
bulbos contienen sacos envueltos por
membranas, las vesículas sinápticas,
en que están almacenadas sustancias
químicas, los neurotransmisores de las
que depende si un impulso nervioso viaja
a un músculo, una glándula u otra
neurona. El espacio entre la terminal
axónica y el sarcolema es la hendidura
sináptica.
4.1.3. Impulsos Nerviosos
A. Potenciales de Membrana
Cuando una neurona no conduce un
impulso, a través de su membrana pasan
activamente iones. Los iones de sodio
son transportados activamente al exterior
dela célula y los de potasio en sentido
contrario, es decir, al interior.
El sistema celular por el cual los iones de
sodio y potasio son transportados en
forma activa simultáneamente recibe el
nombre de bomba de sodio-potasio
FIGURA 2.
Figura 2. Diagrama de la bomba de
sodio-potasio
Figura 1. Bulbos sinápticos terminales
Cuando un impulso nervioso (potencial
de acción) llega a una terminal axónica
desencadena
una
secuencia
de
reacciones que liberan moléculas del
neurotransmisor, de las vesículas
sinápticas (y posiblemente también del
citoplasma). El neurotransmisor liberado
de las uniones neuromusculares es la
acetilcolina (ACh) que una vez liberada
difunde por la hendidura sináptica y se
combina con los sitios receptores del
sarcolema. La combinación modifica la
permeabilidad del sarcolema y ello
culmina en la generación de un impulso
nervioso que viaja por dicha membrana y
así se inician los fenómenos que originan
la contracción.
En la FIGURA 3 se señala un esquema
de los cambios eléctricos que ocurren
con un impulso nervioso.
Figura 3. Descripción de la generación
del potencial de acción.
3
B. Ley de Todo o Nada
Cualquier
estímulo
de
intensidad
suficiente para desencadenar un impulso
nervioso recibe el nombre de estímulo
umbral (o liminal). Una sola neurona, a
semejanza de una fibra muscular,
transmite impulsos conforme a la ley de
todo o nada: si el estímulo tiene la
intensidad suficiente para generar el
potencial de acción, se transmite en toda
la longitud de la neurona con una
intensidad constante y máxima en las
circunstancias prevalecientes.
4.2. ELECTROMIOGRAMA (EMG)
Los potenciales bioeléctricos asociados
con la actividad muscular constituyen el
electromiograma
(EMG).
Esos
potenciales se pueden medir en la
superficie del cuerpo cerca del músculo
de interés o directamente en el músculo
atravesando la piel con el electrodo de
aguja. La señal es generalmente una
suma de los potenciales de acción
individuales de las fibras que constituyen
el músculo o músculos donde se mide.
Igual que en el EEG, los electrodos de
EMG recogen potenciales de todos los
músculos dentro de su alcance.
Tal como se ha visto el potencial de
acción de un músculo determinado (o
fibra nerviosa) tiene una magnitud fija,
independientemente de la intensidad del
estímulo que genera la respuesta. Así,
en un músculo, la intensidad con que
actúa no incrementa la altura neta del
impulso del potencial de acción sino que
incrementa el ritmo con que se dispara
cada fibra muscular y el número de fibras
que se activan en un instante
determinado. De este modo la señal
EMG se parece mucho a un ruido
aleatorio, siendo la energía de la señal
función de la cantidad de actividad
muscular y de la situación de los
electrodos. En la FIGURA 4 se muestran
las formas de onda de EMG típicas.
Figura 4. Forma de onda típica de un
EMG
Las amplitudes de pico varían desde
50uV hasta alrededor de 1mV,
dependiendo de la situación de los
electrodos de medida con respecto al
músculo y de la actividad de éste. Para
una reproducción fiel se requiere una
respuesta frecuencial alrededor de 10 Hz
a 300 Hz.
4.3.
MIOLOGIA DEL ANTEBRAZO
Los músculos del antebrazo están
dispuestos en tres regiones: región
anterior, región externa y región
posterior.
Región Anterior del Antebrazo:
Flexor común superficial de los
dedos: Músculo aplanado superficial
muy ancho, situado por debajo de los
músculos precedentes; va a terminar en
los cuatro últimos dedos.
Acción: Dobla la segunda falange sobre
la primera. Accesoriamente flexiona la
mano sobre el antebrazo.
Flexor común profundo de los dedos:
Constituye el tercer plano muscular del
antebrazo y se extiende desde el
antebrazo a la tercera falange de los
dedos.
4
Acción: Dobla la tercera falange sobre
la segunda y accesoriamente la mano
sobre el antebrazo.
Flexor largo propio del pulgar: situado
por fuera del precedente, se extiende
desde el radio al pulgar.
Acción: Flexiona la segunda falange del
pulgar sobre la primera, accesoriamente
la primera sobre el primer metacarpiano.
Filtros FIR:
un sistema FIR tiene una respuesta
impulsional que es cero fuera de un
determinado intervalo finito. Son filtros
recursivos,
cuya
función
de
Transferencia H(z) y su correspondiente
ecuación diferencia y[n] son de la forma:
   


0
1
M 1
y n  B x n  B x n 1  B x n  M 1
Ec.1
Region Posterior del Antebrazo:
Extensor común de los dedos:
Músculo carnoso por arriba y tendinoso
por abajo, que va desde el epicóndilo a
los cuatro últimos dedos.
Acción: Extiende las falanges sobre la
mano y ésta sobre el antebrazo.
M 1
Hz    h(k )z  k
k 0
Ec.2
Abductor largo del pulgar: Es el
músculo más considerable y más
extenso de la capa profunda.
Acción: Dirige el pulgar hacia fuera y
adelante.
Accesoriamente coloca la
mano en abducción.
4.4.TRATAMIENTO DIGITAL DE LA
SEÑAL:
Figura 5. Estructura del filtro FIR
El tratamiento digital de la señal,
comprende el análisis de filtros FIR, el
análisis de la DFT con la FFT, para el
procesamiento de la señal y el
funcionamiento del DSP TMS320LF2407
de la Texas Instruments.
4.4.1 Concepto: Un filtro digital es la
implementación en hardware o software
de una ecuación en diferencia.
Procesamiento realizado en una señal de
entrada digital.
Ventajas:
*Alta inmunidad al ruido.
*Alta precisión (limitada por errores de
cuantización y redondeo).
* Fácil modificación de las características
del filtro.
4.4.2. SERIE DE FOURIER:
La serie de Fourier es apropiada para
representar una señal periódica como
suma ponderada de componentes
sinusoidales
relacionados
armónicamente
mientras
que
los
coeficientes de ponderación representan
las amplitudes de cada uno de los
armónicos, y la magnitud al cuadrado de
cada coeficiente de ponderancias
representa la potencia del armónico
correspondiente.
La transformada de Fourier: Se utiliza
para el análisis frecuencial de una señal
en tiempo discreto, entonces se
convierte la secuencia en el dominio del
5
tiempo en una forma equivalente, en el
dominio de la frecuencia.
Como la transformada de fourier es una
función continua de la frecuencia no es
una
forma
computacionalmente
conveniente, por tal motivo se utiliza la
DFT o transformada discreta de fourier
que consiste en tomar la señal de
entrada y muestrearla o discretizarla
(tomarla por puntos); para hacer este
cálculo más eficaz se utiliza la llamada
FFT o transformada rápida de fourier.
El análisis para la FFT base –2 se
puede realizar de dos formas:
 Diezmado en tiempo
 Diezmado en frecuencia
La diferencia fundamental entre una y
otra consiste en la forma de hacer la
captura y análisis de la señal.
En el diezmado en tiempo la señal de
entrada
es
separada
en
sus
componentes
pares
e
impares
permitiendo así que al terminar el
proceso y empalmar los dos grupos la
señal queda ordenada; es decir queda
de manera contínua.
En el diezmado en frecuencia la señal de
entrada es separada en los primeros N/2
términos y en los segundos N/2 términos
permitiendo así que al terminar el
proceso y empalmar los dos grupos la
señal de salida que en bit inverso, es
decir, en un forma desordenada; por tal
motivo al terminar este tipo de diezmado
hay que aplicar lo que se llama el bit
reverso para ordenar la señal de salida.
Este es el sistema más utilizado por su
velocidad en la realización.
Figura 6. FFT diezmada en Tiempo
4.5.
IC DSP TMS320LF2407:
El TMS320LF2407 es un DSP de 16-bits
de punto fijo que puede correr a una
velocidad de 40MHz. Este DSP incluye
los siguientes periféricos en el mismo
encapsulado10:
 Una RAM de 16 K words
 Una ROM de 4 K words.
 2 timers.
 Un controlador de Acceso Directo a
Memoria (Direct Memory Access –
DMA).
 Señales I/O de propósito general.
 Un generador de reloj (clock).
 Un generador de estados de espera
(wait-state generator).
Estructuración del DSP:
Figura 7. Arquitectura del DSP
10
Para más información véase: TMS320LF/LC240xA DSP
Controllers Reference Guide, (SPRU375B) Texas Instruments.
6
Figura 9. Memoria de Forma
Figura 8. Diagrama de Bloques
Para la programación directa del
dispositivo montado en un sistema propio
(diseñado fuera de un DSK o de un
EVM), es necesario la utilización de un
JTAG XDS510PP y el software de
programación Code Composer.
Es programado con un set de
instrucciones en assembler y ANSI C.
4.6.
Es la capacidad que tiene el alambre de
poderse contraer según la cantidad de
temperatura que se le coloque debido a
su estructura cristalina.
MÚSCULO DE ALAMBRE
(NITINOL)
Nitinol (un acrónimo para Nickel Titanium
Naval Ordinance Laboratory) es una
familia de materiales intermetálicos los
cuales contienen una porción igual (en
átomos) de Niquel y Titanio.
Otros
elementos pueden ser añadidos para
ajustar las propiedades del material.. El
Nitinol muestra una conducta única. Los
dos términos utilizados para describirla
son:
“memoria
de
forma”
y
“superelasticidad”.
4.6.1
4.6.2. Super-Elasticidad
Memoria de Forma
La memoria de forma es el efecto que
describe el proceso de volver a la forma
original debido a una deformación por
calentamiento.
Figura 10. Superelasticidad
4.6.3. Ventajas de los Músculos de
Alambre
Las ventajas que tienen son muchas, si
se comparan con los motores y los
solenoides. Son de muy bajo peso,
consumen poco espacio. pueden dar
movimientos lineales, pueden ser
minúsculos, tienen cierto grado de
inteligencia...
y
lo
mejor:
son
económicos.
Para trabajarlo el músculo normalmente
está estirado ( Por la acción de un peso
o un resorte) y cuando se le aplica
temperatura ( o una corriente) se contrae
y lo hace con mucha fuerza, venciendo
aún al resorte o subiendo el peso.
7
Dependiendo del calibre, el alambre
puede manejar un peso considerable.
Como el grueso de un cabello y con
capacidad para levantar casi un kilo.
Aunque pueden contraerse hasta un 8%
de su longitud, cualquiera que sea, es
mejor hacerlo hasta un 5%. El
movimiento lineal se puede amplificar en
movimientos angulares, con la utilización
de las palancas.
Se contraen
extremadamente rápido: hasta 0.1
segundos. Para restituirse, se necesita
garantizar la evacuación de calor en el
músculo.
5. DISEÑO METODOLOGICO
Para la realización del prototipo el
desarrollo fue el siguiente:
Teniendo en cuenta la teoría investigada
referente a la ubicación de los músculos
y sus características, el lugar adecuado
para la colocación de los electrodos y
capturara la señal es el músculo
extensor común de los dedos y el
abductor largo del pulgar. Figura11
Dos electrodos son colocados en el
músculo extensor común de los dedos
para generar las señales de entrada, el
tercer electrodo es colocado en el
abductor largo del pulgar para que este
sirva como referencia de la señal.
Figura 11. Ubicación de Electrodos
digital. Se hicieron varias pruebas con
un joven soldado discapacitado paciente
del hospital militar, el cual sufrió
amputación de mano a la altura de la
muñeca. Las pruebas permitieron
generar parámetros de comportamiento
entre las señales obtenidas de personas
amputadas y no amputadas.
Los datos obtenidos en éste análisis,
fueron procesados en computador con
los paquetes de MATLAB y LABVIEW.
La captura de las señales se realizó por
medio
de
un
amplificador
de
instrumentación (AD620), diseñado con
una ganancia de 1000, debido a que los
potenciales adquiridos están en el orden
de los V. A la salida de éste, a la señal
se le deja sobre 1V para darle una mejor
estabilidad y dejarla acondicionada
(señal sobre cero) para ingresar en el
DSP.
La señal fue procesada por el DSP,
primero pasando por el conversor
análogo digital para luego realizar el
filtrado digital y la discriminación de
frecuencias.
Al salir del DSP, se utilizó un
microcontrolador, que es el encargado
de avisarle al músculo de alambre que
se ha activado, además de servir de
refrigerante para el mismo (tren de
pulsos).
Para separar los pulsos de control de la
parte de potencia su utilizó un
optoacoplador.
Al activarse el músculo de alambre este
empieza a contraerse logrando el
movimiento deseado de apertura en el
modelo mecánico, hasta que se detecte
que la señal enviada por el paciente es
de cierre.
Se construyó un modelo de prótesis
basado en uno ya existente de acción
mecánica, reemplazando el juego de
bandas de caucho – resorte por músculo
de alambre – resorte.
Se realizaron filtros análogos que
permitieron definir exactamente las
características necesarias en el filtrado
8
8. REFLEXIONES
En el análisis de los biopotenciales
sensados, tanto para una persona
normal como para una persona
amputada de mano, se observó que
difieren en amplitud más no en
frecuencia ni en forma de onda; siendo
estos
últimos
los
aspectos
verdaderamente importantes para el
reconocimiento y procesamiento de las
señales mioeléctricas.
La amplitud de la señal capturada difiere
dependiendo del lugar donde se ubiquen
los electrodos y la distancia que ahí entre
ellos, por esto fue vital la colocación de
los mismos siempre en los mismos
puntos y a las mismas distancias
aproximadamente.
Ahí que tener en cuenta que la
amplificación
de
la
señal
electromiográfica se debe realizar en una
relación 1:3, en las personas amputadas
debido a que no se tienen los
biopotenciales normales sino se tiene un
efecto fantasma, además se pretende
mantener activo el engrama o mapeo de
la memoria motora en el paciente.
el que más se ajusta al trabajo que se va
a realizar. Al iniciar el trabajo con éste
dispositivo se encontró un vacío
importante de información en lo que se
refiere a la programación del mismo e
implementación en un sistema propio
(que no dependa de un DSK o EVM).
Al momento de acoplar el DSP sobre un
sistema propio, debido a su estructura
física, se requiere de un tratamiento
especial a la hora de soldar.
Las pruebas necesarias en el módulo de
procesamiento del proyecto no se
pudieron llevar a cabo fácilmente por la
poca accesibilidad del JTAG necesario
para la programación.
Otro inconveniente fue encontrar la
información necesaria para el trabajo con
el nitinol, pues la literatura que existe
sobre el mismo es casi nula y la de
internet es muy poca.
9. REFERENCIAS
1. http://www.scoi.com/thumba.htm
2. http://www.scoi.com/anat.htm
El desarrollo del prototipo ha excedido el
tiempo
de
ejecución
según
el
cronograma
propuesto
inicialmente,
debido a:
3. http://www.livingskin.com/hand_p
artial.htm
Al principio se decidió trabajar con
tecnología de punta en el análisis de
frecuencias, para lo cual se encontró que
en el mercado se ofrecía un DSPIC de la
compañía microchip. Durante casi un
mes
se estuvo
recolectando
la
información relacionada al dispositivo, y
se encontró que microchip lo sacó de
circulación debido a que tenía errores y
vuelve al mercado a mediados del año
2004.
5. www.nlm.nih.gov
Se tomó la decisión de trabajar con el
DSP de la Compañía Texas Instruments,
que de acuerdo a sus características es
10. WEBSTER, John G. -. “Medical
Instrumentation” , 3 ed., New
4. http://www.nitinol.com
6. www.sccot.org.co
7. www.analog.com
8. www.ti.com
9. MOMPIN , José -. “Introducción a
la
bioingeniería”,
Barcelona,
Marcombo, 1998, 316p.
9
York: John Wiley & Sons, 1988,
691p.
11. TOMPKINS,
Willis
J.
-.
“Biomedical
Digital
Signal
Processsing”, Santafé de Bogotá,
Prentice may, 1993, 367p.
12. LOPEZ,
Luis
-.
“Anatomía
Funcional del Sistema Nervioso”,
México, Limusa 1979, 784p.
UNIVERSIDAD SANTO TOMAS
FACULTAD
ELECTRONICA
DE
INGENIERIA
ANDREA APARICIO GALLO
E-MAIL: [email protected]
[email protected]
[email protected]
JOSE EGINIO CUY CRUZ
E-MAIL: [email protected]
LUIS ALEJANDRO CAICEDO DUQUE
E-MAIL: [email protected]
[email protected]
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