Electronic Emulator Circuit to the Muscle Movement in Response to a Stimulus R.Ávila, A. Martínez, E. Barcenas, and A.J. Rangel

Abstract—This paper presents an electronic circuit that emulates the operation of the muscle movement. Actually it is possible to simulate every electrical signal from the human body using electronic components. The nervous system is a complex collection of nerves and specialized cells that transmit signals between different parts of the body, in this sense, they are essential to the body´s electrical wiring. The proposed emulator was verified with a simulation in ISIS Proteus software. Additionally, an electronic circuit was built in order to study the reactions of the human body by the presence of a stimulus. The experimental results show that the proposed circuit behavior is similar to the muscle movement managed by the central neuronal system on a human body.

Keywords—Electronic circuit, central neuronal system, Proteus software.

I INTRODUCCIÓN

ctualmente el estudio de las señales eléctricas que genera el organismo humano ha despertado un creciente interés

de investigación en el área de bioelectrónica, ya que el conocimiento de estas señales y su funcionamiento, puede apoyar en el diagnóstico de diferentes áreas de la medicina. El estudio de las señales bioeléctricas es tema central de la bioelectrónica, ya que toda señal en la superficie del cuerpo humano tiene su origen en la membrana de las células del sistema relacionado, como por ejemplo, las células del miocardio en el corazón, o las neuronas en el cerebro, cuyo comportamiento es muy similar al de ciertos componentes electrónicos [1]. El cerebro y la médula espinal son el centro integrador para la homeostasis, el movimiento y muchas funciones corporales, además son el centro del sistema nervioso central (SNC), donde una red de miles de millones de células nerviosas se unen entre sí para formar el sistema de control del organismo, y donde las células nerviosas están diseñadas para transportar rápidamente señales eléctricas, y en algunos casos envían estas señales a grandes distancias [2].

1

R. Avila, coordinación Académica Región Altiplano de la UASLP, Matehuala, S.L.P., México, raquel.avila@uaslp.mx A. Martínez, Coordinación Académica Región Altiplano de la UASLP, Matehuala, S.L.P., México, alejandro.martinez@uaslp.mx E. Barcenas, Coordinación Académica Región Altiplano de la UASLP, Matehuala, S.L.P., México, ernesto.barcenas@uaslp.mx A.J. Rangel, Coordinación Académica Región Altiplano de la UASLP, Matehuala, S.L.P., México, azahel.rangel@uaslp.mx

El sistema nervioso central, que consiste en el cerebelo y la médula espinal, reciben información sobre el ambiente externo e interno por medio de nervios aferentes periféricos, donde después de la clasificación de la señal, el procesamiento y la integración de las señales, el SNC envía ordenes mediante los nervios periféricos eferentes para llevar a cabo contracciones musculares y las secreciones glandulares adecuadas. El sistema nervioso, con su rápido sistema de señalización eléctrica, es especialmente importante para el control de las respuestas rápidas del cuerpo. Muchas actividades musculares y glandulares que se controlan neuronalmente están dirigidas hacia el mantenimiento de la homeostasis [3]. Debido a que los accidentes cerebrovasculares son la primera causa de discapacidad, se han desarrollado diferentes modelados y simulaciones de robots terapéuticos, para la rehabilitación de los miembros [4]. Actualmente existen diversos estudios relacionados con el análisis de las señales eléctricas producidas en el organismo humano, como el estudio del comportamiento muscular al detectar obstáculos, mediante la lectura de un electroencefalograma [5], el estudio de la plasticidad y flexibilidad espinal de un robot, como terapia para las extremidades bajas [6], estudios de problemas musculares generados en la columna vertebral [7], y sistemas de interacción hombre-robot para control de movimientos [8]. En este proyecto se diseñó un sistema emulador del movimiento muscular originado por el sistema nervioso central, en respuesta a un estímulo, con el objetivo de ofrecer al médico un sistema, en el que pueda estudiar el tiempo de respuesta a un estímulo de una forma no invasiva y ayude en el diagnóstico de algunos trastornos musculares, como músculos débiles, pérdida de control muscular, rigidez articular, entre otras, generados por alguna lesión o enfermedad. Para este proyecto se utilizó el entorno gráfico de programación ISIS versión 7 (Intelligent Schematic Input System, sistema de enrutado de esquemas inteligentes), un sensor de calor conectado a un circuito, que al estimularse, provocará el movimiento de un brazo mecánico, emulando así el funcionamiento de un músculo del organismo humano en respuesta a un estímulo.

II MARCO TEÓRICO

Los modelos fisiológicos se elaboran a partir del conocimiento previo de determinadas características del funcionamiento del organismo vivo, en la década de los 50, Hodking y Hurley

A

1030 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 16, NO. 4, APRIL 2018

desarrollaron un notable modelo matemático que sigue siendo vigente en nuestros días [9], este modelo está relacionado con la generación y la propagación de potenciales eléctricos producidos por el organismo humano, de tal forma que toda señal eléctrica observable, es posible simularla por medio de componentes electrónicos [10]. En el organismo humano existe una diferencia de potencial debido a la presencia de iones [11], este potencial de membrana en reposo !! está presente en todas las células vivas y es el resultado de la distribución desigual de los iones a través de la membrana celular.

Dos factores influyen en el potencial de membrana:

• Los gradientes de concentración de los iones a través de la membrana como el sodio (NA+), el cloruro (CL-), el calcio (Ca2+) y el potasio (K+).

• La permeabilidad de la membrana a los iones.

Existe una ecuación (1), la ecuación de Nerst que describe el potencial de membrana que producirá un único ion, si la membrana fuera permeable sólo a ese ion. Para cualquier ion, este potencial de membrana se denomina !!"# o potencial de equilibrio del ion:

!!ó! = !"! !"#

!"# !"#!$%&$!"# !"#$%!&%

(1)

Dónde:

61 es 2.303 !" ! a 37°!

! es la carga eléctrica del ion (+1 para K+)

!"# !"#!$%&$ y !"# !"#$%!&% son las concentraciones fuera y dentro de la célula.

Existe otra ecuación, la ecuación de Goldman-Hodgking-Katz (2), que predice el potencial de membrana para múltiples iones, y que se utiliza para calcular el potencial de membrana en reposo durante la contribución de todos los iones que tienen que atravesar la membrana [12]. Para las células de los mamíferos, aceptamos que el Na+, K+, y Cl-, son los tres iones que influyen en el potencial de membrana en las células en reposo.

!! = 61 log !! !!"#!$%&$! ! !!" !"!"#!$%&$! ! !!" !"!"#$%!&%!

!! !!"#$%!&%! !!!" !"!"#$%!&%! ! !!" !"!"#$%!&%! (2)

Dónde:

!! es el potencial de la membrana a 37°C

! es la permeabilidad relativa de la membrana indicado en el subíndice.

!"# !"#!$%&$ y !"# !"#$%!&% son las concentraciones del ión dentro y fuera de la célula.

Cuando los canales iónicos se abren, los iones pueden entrar en la célula o salir de ella. El flujo de carga eléctrica transportada por un ion se denomina corriente del ion. Con

estas ecuaciones es posible determinar el potencial eléctrico originado por la presencia de iones, que producirán luego un movimiento muscular. Cuando el ser humano tiene que mover un músculo, la corteza cerebral manda el impulso a través de fibras nerviosas que pasan de la corteza al puente y después a la médula espinal, de ahí a los nervios periféricos, las cuales son las motoneuronas que liberan un neurotransmisor, acetilcolina (Ach) dentro de las fibras musculares, la cual hace que se active un intercambiador sodio-potasio (Na2+- K+), originando una despolarización en la membrana plasmática de la fibra muscular, la cual activa la liberación de calcio del sarcomero hacia el citosol de la célula y este como segundo mensajero, se une a una proteína llamada calcio cadmodulina (CaM) quien es encargada de fosforilar las cabezas de miosina de los puentes cruzados de las fibras musculares, comenzando así el proceso de contracción del músculo. La respuesta de un músculo a un estímulo eléctrico se conoce como fasciculación muscular durante el cual el músculo se contrae rápidamente y después se relaja, en un período de tiempo de unos cuantos milisegundos, y enseguida la tensión muscular empieza a incrementarse, después viene el período de contracción en un tiempo de 10 a 100ms y finalmente llega el período de relajación en un tiempo de 10 a 100ms [13]. Todo este proceso fisiológico se muestra en la Fig. 1.

Figura 1. Proceso de generación de señal eléctrica en el organismo humano en respuesta a un estímulo.

El proceso de los acontecimientos eléctricos y mecánicos que ocurren en una contracción muscular empiezan con el potencial de acción de una fibra muscular a 30mV en un tiempo de 0-20ms, como se muestra en la Fig.2, seguido por el potencial de acción del músculo esquelético, el cual a su vez es seguido por la contracción, en un total de 10 a 200ms, variando la velocidad de una fibra a otra, y dependiendo de la distancia al músculo en el cuál se desarrolla la tensión [14].

Figura 2. Potencial de acción de membrana de una fibra muscular en respuesta a un estímulo.

-30

+30

Tiempo(ms)

mV

20ms

AVILA RODRÍGUEZ : ELECTRONIC EMULATOR CIRCUIT 1031

El programa PROTEUS está conformado por dos aplicaciones llamadas ARES e ISIS. ISIS está diseñado para realizar esquemas de circuitos con casi todos los componentes electrónicos y tiene una aplicación de simulación que permite comprobar la efectividad de un circuito determinado ante una alimentación de voltaje, también permite cargar a los microcontroladores presentes en sus librerías con los programas previamente desarrollados en los programas ensambladores y en los compiladores, de tal forma que es posible simular diseños de circuitos electrónicos. ARES es una aplicación para situar los componentes utilizados en el esquema realizado en ISIS sobre una tabilla virtual, para luego ser impresa y tener la tablilla electrónica. El entorno de diseño electrónico en ISIS de PROTEUS ofrece la posibilidad de simular el código del microcontrolador de alto y bajo nivel y, simultáneamente, con el modo mixto de SPICE. ISIS es un potente programa de diseño electrónico que permite realizar esquemas que pueden ser simulados en el entorno VMS (Virtual System Modelling). Las aplicaciones de estas simulaciones pueden ser desde el encendido de un led hasta el diseño de una serie de circuitos digitales o microprocesadores para una aplicación específica [15]. Para este proyecto, se utilizó la plataforma ISIS de PROTEUS para simular el circuito electrónico que emula la acción eléctrica y mecánica del movimiento muscular en el organismo humano.

III METODOLOGÍA

En este proyecto se emuló la forma de actuar del sistema nervioso central del organismo humano, para mover un músculo, mediante un circuito electrónico que representa el movimiento muscular en respuesta a un estímulo, este circuito representa la forma en que el SNC recibe la señal de un estímulo físico y envía las señales eléctricas y bioquímicas para realizar un movimiento, en la Fig. 3 y 4 se muestran los diagramas del movimiento muscular y del circuito electrónico respectivamente, el estímulo que provocará el movimiento es cualquier cambio físico o químico producido en el ambiente exterior, para este proyecto, el estímulo está representado por la presencia de calor. En la Fig. 3, la secuencia descrita indica un receptor, que representa los detectores de dolor en la piel, la vía aferente representa la estructura por la cual la información entrante viaja desde el receptor de la piel hasta el centro nervioso, avisando al centro integrador del SNC, quien recibe toda la información y elabora una respuesta, esta respuesta viaja a través de la vía eferente, hacia el músculo o un órgano eferente, donde la respuesta al impulso, es quitar el brazo debido a una exposición de calor. En la Fig. 4 se presenta el diagrama a bloques del circuito electrónico que emula el movimiento muscular, donde el estímulo es la presencia de calor en el sensor LM45 el cual tiene la capacidad para detectar de -20°C a 100°C, y convierte la señal de calor a una señal eléctrica, para pasar enseguida a un circuito electrónico que acondiciona y amplifica la señal obtenida del sensor para provocar un movimiento en el motor que accionará el movimiento del brazo mecánico. El material utilizado en el circuito electrónico fue un motor de pasos marca Sanyo de 1.75 grado/paso para el brazo mecánico, se utilizó este motor porque permite mejor control de movimiento del brazo, el sensor de calor LM45,

amplificadores operacionales LM358, transistores BC547, fuentes de voltaje, capacitores y resistores.

Figura 3. Diagrama del proceso del movimiento muscular en el organismo humano en respuesta a un estímulo.

Figura 4. Diagrama de bloques del circuito electrónico que emula el movimiento muscular en presencia de un estímulo.

Este proceso se simuló primero en la plataforma ISIS de PROTEUS, para determinar la respuesta al estímulo eléctrico, una vez que funcionó la simulación, el diseño del circuito se probó en el circuito electrónico armado, cuyo diagrama eléctrico se muestra en la Fig.5, en el diseño de este circuito, todos los amplificadores operacionales que se utilizan se presentan en la configuración de circuito comparador, esta configuración permite analizar una señal de voltaje de entrada, con un voltaje de referencia presente en la otra entrada, se utilizaron varios circuitos comparadores para acondicionar la señal del orden de mV a Volts, los cuales permitirán accionar el motor, y para tener una referencia a partir de que voltaje se generará el potencial de acción, dado que en el organismo humano es del orden de mV, se cambió a volts para poder accionar el motor. La descripción del diseño del circuito se divide en 4 etapas:

Etapa I: Consiste en un circuito generador del potencial de acción, mediante la presencia de un impulso eléctrico. El voltaje de referencia del circuito comparador es de 95mV.

Receptor Centro

integrador

Efector

Respuesta

Estímulo SensorLM45 Circuito

electrónico

Motor

Estímulo

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Etapa II: Consiste en un circuito comparador que accionará el transistor BC547, que actúa como un circuito interruptor para generar una señal eléctrica y activar la etapa III.

Etapa III: Circuito generador de otro potencial eléctrico, emulando el potencial de acción generado por la presencia de potencial de acción generado por los iones.

Etapa IV: Circuito comparador, que permite el encendido del motor que accionará el brazo mecánico.

Figura 5. Diagrama eléctrico del circuito diseñado para responder a un estímulo y provocar el movimiento del brazo mecánico.

III RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados de la respuesta del circuito eléctrico desarrollado con el software ISIS de PROTEUS, permiten validar el movimiento muscular que se implementó en el circuito electrónico armado, este proceso de simulación se muestra en la Fig. 6, donde se observan las señales eléctricas aplicadas al circuito, en especial, la señal aplicada al sensor que actúa como estímulo del circuito, emulando el comportamiento del organismo humano, de tal forma que el circuito respondió con una señal que observamos en el osciloscopio como Vout la cuál accionará el motor. En la Fig. 7 se muestra el arreglo experimental del diseño del circuito que fue simulado en el software ISIS de PROTEUS, donde el circuito responde al estímulo de calor mediante el sensor LM45, al aplicarse una temperatura de aproximadamente 40°C provocando el movimiento del brazo mecánico, en un tiempo aproximado de 170ms, este tiempo es desde que el sensor capta la presencia de calor, pasando por los circuitos comparadores hasta el movimiento del motor que accionará el brazo mecánico, de forma muy similar a como la realiza el organismo humano ante la presencia de calor, en la misma figura se muestran los componentes del circuito, el brazo mecánico, la alimentación del circuito y la respuesta de la señal del motor en el osciloscopio. El proceso de simulación con el software ISIS de PROTEUS ayudó a determinar la respuesta del sistema eléctrico en respuesta a un estímulo, antes de pasarlo al circuito eléctrico, de tal forma que se probó

el comportamiento previo del circuito. En la Fig.8 se muestran los resultados en el osciloscopio de la respuesta del sistema emulado, donde las líneas de amarillo y azul son el potencial de acción y la línea morada es el potencial de acción del motor en respuesta a la señal de entrada que provoca el movimiento mecánico de forma similar al movimiento muscular.

Figura 6. Simulación del circuito eléctrico en ISIS de PROTEUS del movimiento muscular en respuesta a un estímulo.

Figura 7. Arreglo experimental del circuito eléctrico diseñado para simular el movimiento muscular.

Figura 8. Respuesta simulada del sistema nervioso central, provocando el movimiento del motor.

EtapaI

EtapaII

EtapaIII

EtapaIV

AVILA RODRÍGUEZ : ELECTRONIC EMULATOR CIRCUIT 1033

La respuesta del sensor LM45 ante la presencia de calor actúo de forma similar a los sensores de temperatura del organismo humano, ya que nuestro cuerpo actúa de forma inmediata y con prioridad ante la presencia de exposición a una quemadura, y a una temperatura de 36°C a 45°C se retira el brazo. Para este proyecto, el brazo mecánico del circuito se accionó en un tiempo aproximado de 10ms para evitar la exposición al fuego, este tiempo es el tiempo estimado en el que una neurona genera un potencial de acción en respuesta a un estímulo, y el tiempo total en el que viajó la señal desde el sensor, pasando por los circuitos hasta llegar al motor fue de aproximadamente 170ms. El resultado del potencial de acción producido por el circuito que emula el potencial de acción de la fibra muscular, para producir el movimiento del brazo mecánico fue de 2.48V como se muestra en la Fig. 9, este resultado es muy similar en la forma de onda al potencial de acción de una membrana muscular en respuesta a un estímulo.

Figura 9. Potencial de acción producido en la simulación del circuito.

Cabe mencionar que la amplitud del voltaje en el organismo humano es del orden de mV, considerando lo anterior, se construyó un circuito que permite representar el comportamiento muscular de un brazo mecánico ante la exposición al fuego, sin embargo los voltajes tan pequeños del sistema humano no permitirían el accionamiento del motor que emula el movimiento del brazo, por lo que se realizó un escalamiento de tensión para poder accionar el motor. En la tabla 1 se muestran los resultados de la equivalencia en voltaje y en tiempo del circuito armado y de la acción muscular del sistema humano en respuesta al estímulo en forma de calor; se indica también el tiempo total para mover un músculo, este tiempo depende de la distancia que la señal tiene que viajar para determinado músculo.

TABLA I. EQUIVALENCIA DEL MOVIMIENTO MUSCULAR Y DEL CIRCUITO EMULADOR

Parámetros Medidos

Respuesta del

sistema humano para el

movimiento

Respuesta del

circuito emulador para el

movimiento Voltaje necesario para provocar el movimiento de

una fibra muscular / motor

10-30mV

1- 2.48V

Tiempo de respuesta al

estímulo de una fibra muscular /

motor

10-20ms

10-20ms

Tiempo de respuesta desde

que se envía señal al sensor hasta que

se provoca el movimiento del músculo / brazo

mecánico

10-200ms

Depende de la distancia hacia el

músculo

10-200ms

IV CONCLUSIONES

Se diseñó un sistema que emula a escala el comportamiento del movimiento muscular del organismo humano, en respuesta a un estímulo. Previamente se simuló el funcionamiento del circuito utilizando la plataforma ISIS de PROTEUS, obteniéndose el potencial eléctrico del motor de 2.48V en un tiempo de 10ms, la forma de señal obtenida es muy similar al potencial eléctrico producido por una fibra muscular al iniciar un movimiento en respuesta a un estímulo. Estos resultados pueden ayudar al médico a hacer un estudio de tiempos de respuesta de acción muscular y determinar algunas fallas por debilidad muscular, la pérdida de control muscular, u otra distonía muscular, ya que el circuito se puede escalar y ajustar. Se aporta el esquema básico de un sistema que emula el comportamiento del movimiento muscular, para que en futuros trabajos se pueda generar un control de todo el proceso de contracción y relajación muscular, con el objetivo de proporcionar un ambiente no invasivo, siendo esta una propuesta novedosa para estudiar diferentes trastornos musculares causados por lesiones o enfermedades e inclusive poder ayudar en el estudio de movimiento muscular en respuesta a diferentes estímulos.

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Raquel Avila Rodríguez. Ingeniero Industrial en Electrónica, Maestría en Ingeniería Eléctrica con la especialidad de electrónica y sistemas digitales de la Facultad de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Electrónica (FIMEE) de la Universidad Autónoma de Guanajuato, Doctorado en Ingeniería Eléctrica con la especialización de materiales y dispositivos optoelectrónicos de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad

Autónoma de San Luis Potosí. Actualmente trabaja como Profesor Investigador de tiempo completo en el área de Mecatrónica de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, campus Altiplano. Sus principales líneas de investigación son espectroscopias ópticas aplicadas a análisis de fluidos biológicos y sistemas bioelectrónicos.

Alejandro Martínez Ramírez, Licenciado en Electrónica por la Benemérita Universidad de Puebla, Maestría y Doctorado en Electrónica en el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica (INAOEP). Actualmente trabaja como Profesor Investigador de tiempo complete en el área de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, campus Altiplano, y es secretario Académico de la misma. Su línea de investigación son procesamiento digital de señales y de imágenes, diseño de sistemas

digitales reconfigurables y embebidos, e Instrumentación virtual.

Ernesto Bárcenas nació en San Luis Potosí, México en 1977. Obtuvo el grado de Ingeniero Electrónico en la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, SLP, México, en el 2000, y la Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica, y el Doctorado en Ciencias en Ingeniería Electrónica del Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico (cenidet),

Cuernavaca, Morelos, México, en 2002 y 2008 respectivamente. Actualmente es profesor de tiempo completo dentro del área de Ingeniería Mecatrónica, adscrito a la Coordinación Académica Región Altiplano de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (COARA-UASLP), Matehuala, SLP, México. Sus áreas de investigación son convertidores electrónicos de potencia con aplicaciones en: filtros activos, nuevas topologías de convertidores multinivel y variadores de velocidad.

Azahel de Jesús Rangel López, es Profesor investigador de tiempo completo de la Coordinación Académica Región altiplano d la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, es Licenciado en Física, Maestría y Doctorado en Ciencias Biomédicas de la Facultad de Medicina de la Universidad Autónoma de San Luís Potosí, Postdoctorado en área d Matemáticas aplicadas del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, su línea de

investigación ha sido relacionada con la modulación de canales de calcio neuronales Cav3.3 por cinasa de tirosina y temas relacionados.

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