Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2015 NÁVRH A REALIZACI MYO-STIMULACE PRO POSÍLENÍ SVALSTVA A RELAXACI Marek SONNENSCHEIN Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky 17. listopadu 15 Ostrava - Poruba 708 33 Česká republika 23. dubna 2015 FAI UTB ve Zlíně
Klíčová slova: Elektrostimulace, H-můstek, mikrokontroler, DC DC Anotace: Cílem této práce je navržení a sestavení funkčního systému pro svalovou myo-stimulaci. Tento systém urychluje zotavovací procesy v kosterním svalstvu po sportovní aktivitě, díky čemuž zlepšuje výkonnost sportovce. Tento přístroj je tedy převážně používán v zotavovací a regenerační fázi po tréninku. Pomocí myo-stimulace lze kosterní svalstvo do jisté míry posilovat a zlepšovat tak jeho sílu, výbušnost a odolnost proti svalové únavě. Svalová stimulace ovšem nemůže nahradit klasický trénink, slouží pouze jako doplněk k základní tréninkové aktivitě. Za účelem vytvořit funkční myo-stimulační systém jsem se seznámil s dnešními postupy při myo-stimulaci. Po prostudování anatomie a fyziologických procesů, které vedou ke kontrakci kosterního svalstva, jsem došel ke konečnému návrhu přístroje pro stimulaci a určil jsem jeho technické parametry. Navržený přístroj jsem dle těchto parametrů sestrojil. Tento přístroj je konstruován dle normy ČSN EN 60601-2-10 Zdravotnické elektrické přístroje - Část 2-10: Zvláštní požadavky na bezpečnost nervových a svalových stimulátorů. 2
Obsah 1. Geneze elektromyografického signálu... 4 2. Cíl práce... 5 3. Blokové schéma... 5 4. Návrh napájení a DC DC měniče... 6 5. Návrh MCU... 7 6. Návrh stimulačních parametrů... 8 7. Návrh ovládání... 8 8. LCD... 9 9. Návrh koncového stupně... 9 10. Oživení testování DC DC měniče a bloku napájení... 9 11. Oživení testování koncového stupně... 10 12. Zhodnocení... 11 Literatura... 12 3
1. Geneze elektromyografického signálu Základem svalového aparátu je motorická jednotka. Motorická jednotka je skupina svalových vláken, která jsou inervována jedním motoneuronem, viz Obr. 1.1. Podle velikosti svalu může jeden motoneuron inervovat 10 svalových vláken u malých svalů, a u největších až 2000 svalových vláken. Jednotlivé svaly jsou řízeny až tisícem motoneuronů. Jejich somatická část těla vytváří počáteční impuls pro řízení svalové činnosti. Vydává motorické neurony v předních rozích míšních a stává se součástí míšního nervu, který přechází v periferní nerv. Axon každého motoneuronu se pak rozvětvuje a každá větev je zakončena nervosvalovou ploténkou, ovládající svazek vláken. Motorické jednotky mohou inervovat vetší či menší počet vláken. Obr. 1.1 Motorická jednotka Přenos vzruchu (akčního potenciálu) z motorického neuronu na svalové vlákno zprostředkovává nervosvalová ploténka. Mediátorem přenosu vzruchu je zde acetylcholin, který depolarizuje membránu, a tím uvolní iont vápníku do cytoplazmy, čímž vyvolá stah. Vzruch se potom šíří z nervosvalové ploténky po membráně na oba konce vlákna i do jeho nitra, a tím dojde k téměř současné kontrakci všech sarkomer. Délka trvání kontrakce je závislá na počtů impulsů, při vysoké frekvenci impulsů může dojít k tetanickému stahu. Svalové vlákno reaguje podle pravidla vše nebo nic. Při podráždění, které má prahovou hodnotu, odpoví svalové vlákno kontrakcí. Na Obr. 1.2 jde vidět, že při jednom podráždění dojde k jedné svalové kontrakci, tedy ke svalovému trhnutí. Refrakterní fáze u kosterního svalu trvá 1 5 ms a svalová kontrakce trvá dle druhu svalu. Rychlá svalová vlákna mají velmi krátké trvání kontrakce (do 7,5 ms). Tato svalová vlákna se starají o přesné jemné pohyby svalů a dochází u nich k rychlé únavě. Pomalá svalová vlákna mají délku kontrakce o délce až 100 ms a podílejí se na silových činnostech, které mají delší dobu trvání. Pokud proběhne stimulace svalu dvakrát za sebou, dojde ke zkrácení svalu, neboli k sumaci. Pokud dojde ke dvěma stimulacím velmi krátce po sobě (u první z nich tedy nedojde k úplnému poklesu kontrakce na původní hodnotu), nastává jev zvaný superpozice. Hladký tetanus vznikne při četné rychlé svalové stimulaci, pří pomalejším svalové stimulaci dochází k vlnitému tetanu. Délka kontrakce je závislá na vysoké opakovací frekvenci stimulace svalu, a ta způsobí tetanický stah. Normální klidová kontrakce má charakter hladkého tetanu. Při svalové činnosti není prakticky možné zapojit všechna svalová vlákna, až na případy ohrožení 4
života, kdy to je možné díky vyvolání maximálního úsilí. To znamená, že je zapojen co největší počet motorických jednotek, což je podstatou vrcholového sportu. [1, 2, 4] 2. Cíl práce Obr. 1.2 Schematické znázornění stimulace kosterního svalu a vznik superpozice, vlnitého tetanu, a sumace s hladkým tetanem Cílem práce je navržení a sestavení svalového stimulátoru se dvěma programy. První z nich slouží pro posílení svalstva. Jeho funkcí bude snaha o nahrazení přirozené kontrakce svalových vláken. Nejedná se však o plnohodnotnou náhradu, jelikož fyziologický proces svalové aktivity není možné přístroji provést. Druhý program bude sloužit pro relaxaci svalstva. Při fyzické aktivitě dochází ke svalové únavě. Účelem relaxace tedy bude navrácení do původního klidového stavu, který napomůže urychlení regenerace. K dosažení výše zmíněných cílů je potřeba splnit tyto dílčí části: 3. Blokové schéma Nalezení optimálního poměru stimulační frekvence, amplitudy, a délky impulzu pro regenerační a posilovací účely Sestavení algoritmu pro svalovou a relaxační stimulaci Návrh a konstrukce přístroje pro elektrickou stimulaci Obr. 3.1 Bokové schéma svalového stimulátoru 5
Blok napájení bude realizován pomocí šesti tužkových baterií typu AA, zapojených sériově. Pro zapnutí či vypnutí bude vyveden červený kolébkový spínač. Ovládání budou umožňovat čtyři tlačítka, zapojených do mikrokontroleru. Jedná se o tlačítko SELECT (pro výběr programu), STOP/START (pro spuštění a zastavení) a UP/DOWN (pro ovládání digitálního potenciometru, který bude ovládat výstupní napětí na DC měniči). Hlavní blok MCU bude ovládat blok Displej, Koncový stupeň a DC DC měnič. Bude použit mikrokontroler 328P od firmy Atmel. Funkcí DC DC měniče se změní napětí z hodnoty 7,2 V na 40 V. Tento blok bude ovládán mikrokontrolerem, a to pomocí dvou jeho digitálních pinů. Displej bude alfanumerický, se šestnácti znaky a dvěma řádky. Bude obsahovat integrovaný řadič a I2C převodník, díky kterému bude ke komunikaci nutné použít pouze dva kabely. Koncový stupeň bude ovládán mikrokontrolerem pomocí dvou digitálních výstupů. Realizován bude pomocí H-můstku, který bude vytvářet kladné nebo záporné polarity, v závislosti na logické úrovni z mikrokontroleru. Ke stimulaci budou použity gumové elektrody, které mají tu výhodu, že je možné použít je vícekrát. Elektrody budou mít rozměr 5 x 5 cm. Poslední blok je pacient, který musí být poučen o správném použití, aby nedošlo k poranění (popálení pokožky). 4. Návrh napájení a DC DC měniče Obr. 4.1 Návrh bloku napájení. Napájecí zdroj obsahuje baterii, připojenou na vstup IN1. Vstup pro nabíjení je IN2, který obsahuje ochrannou diodu D2. Tato dioda slouží jako ochrana proti přepólování. Při nabíjení musí být SW1 v poloze off. Napěťový dělič R1 a R2 budou sloužit k měření stavu baterie. Tento měnič byl použit z důvodu napěťového omezení na mikrokontroleru. Stav baterie bude měřen pomocí analogového pinu A2. Napájecí část obsahuje lineární stabilizátor LE50, který má velmi nízký 6
úbytek napětí (kolem 0,2 V). Lineární stabilizátor bude napájet LCD displej, blok BUTTON a mikrokontroler a digitální potenciometr. Digitální potenciometr (typ DS1804-10) bude ovládán pomocí dvou digitálních výstupů (D2 a D3) z mikrokontroleru. Obsahuje vnitřních sto pozic, mezi kterými můžeme přepínat pomocí digitálních vstupů, a tím řídit odpor obvodu. Maximální hodnota odporu je 10 kω, a minimální nastavená hodnota je 500 Ω. DC DC měnič je realizován pomocí integrovaného obvodu MAX1771. Tento obvod je schopen pracovat se spínací frekvencí až 300 khz. Minimální vstupní napětí je v rozsahu 3 16 V. Výstupní napětí může být v rozsahu 5 100 V. Nominální účinnost je až 90 %. Vstupní kapacity C6 a C3 slouží k filtraci napájecího napětí a potlačení rušení. Rezistory R7 a R6 tvoří jeden celek, ze kterého je vytvořena přesná hodnota odporu, potřebná pro napěťový dělič k R8. Tento dělič nám určuje velikost výstupního napětí na DC DC napětí. Na rezistoru R8 si obvod udržuje napěťovou referenci 1,5 V, pomocí které reguluje střídu pwm, kterou posílá do unipolárního tranzistoru T1. Jedná se výkonový tranzistor v pouzdře TO-220. Důležitým parametrem pro T1 je U GS(th) < 5 V, který ovlivňuje otevření tranzistoru. Při plném otevření má minimální odpor. Rezistory R4, R5, R9, R22, R23 tvoří paralelní kombinaci, která omezuje maximální špičkový proud, tekoucí tranzistorem T1. Díky paralelní kombinaci těchto odporů, získáme větší případnou výkonovou ztrátu. Indukčnost L1 slouží jako akumulační cívka pro DC DC měnič, která je spínaná tranzistorem T1. Cívka byla vybrána s minimálním sériovým odporem pro minimalizaci odporových ztrát při spínání. Schottkyho dioda D1 slouží k usměrnění napětí, které je přiváděno na výstup OUT. Tento typ diody byl použit proto, že je schopen pracovat i na vyšších frekvencích než 300 khz. Kapacity C4 a C7 slouží k výstupní filtraci a odrušení. 5. Návrh MCU Obr. 5.1 Připojení jednotlivých částí k pinům Celý modul, zobrazený na Obr. 5.1, tvoří jeden funkční celek. Jako hlavní řídící blok byl použit mikrokontroler 328P od firmy Atmel. Tento mikrokontroler je již umístěn na desce, které je osázena také převodníkem pro nahrání programu. 7
Pro napájení budou sloužit piny GND a +5V. Pro ovládání digitálního potenciometru budou sloužit piny D2 a D3. Pin D2 slouží k posunu jezdce v digitálním potenciometru a je aktivován logickou nulou. Pinem D3 bude ovládán posun jezdce nahoru (logická 1) a dolů (logická 0). Piny D6, D7, D8 a D9 budou připojeny k ovládacím tlačítkům, viz Obr. 5.1. Piny D11 a D12 budou sloužit k ovládání H-můstku, který bude vyrábět kladnou a zápornou stimulaci. Displej je připojen na piny A4 a A5, kde je využito převodníku I2C. Měření stavu baterie bude probíhat vždy na začátku programu a bude prováděno měření pomocí pinu A2. Napětí větší než 5,4 V indikuje normální stav. Program bude fungovat následovně: po zapnutí SW1 dojde k rozsvícení displeje a zobrazí se úvodní název programu. Poté se provede kontrola stavu baterie. Následně uživatele vyzve ke stisku tlačítka SELECT, po kterém se zobrazí program pro posílení. Po druhém stisknutí tohoto tlačítka se zobrazí program pro relaxaci. Po třetím stisknutí se opět zobrazí první program. Po vybrání programu a stisknutí tlačítka START/STOP se spustí stimulace, dekrementace času a nastaví se digitální potenciometr na maximální hodnotu. Při stimulaci může být prováděna změna intenzity pomocí tlačítka UP nebo DOWN. Stisknutím tlačítka START/STOP v průběhu stimulace dojde k zastavení a vynulování odpočtu. V tomto kroku je možné stisknout tlačítko SELECT a vrátit se zpět do výběru programu. 6. Návrh stimulačních parametrů Stimulační impulzy budou nastavitelné v rozsahu 20 40 V, to znamená, že U pp bude v rozsahu 40 80 V. Pro program posílení bude nastaven časovač na hodnotu 5 minut a pro program relaxace 10 minut. Program Síla bude mít stimulační frekvenci v rozsahu 30 35 Hz s délkou stimulačního impulzu 200 µs. Stimulace bude probíhat 10 s a dalších 10 s bude pauza pro relaxaci. Intenzita by měla být nadprahově senzitivní. Program pro relaxaci bude na frekvenci 150 Hz při stimulačních impulzech 200 µs. Délka stimulace bude 1 s a délka pauzy 1 s. Intenzita v tomto režimu bude nižší než intenzita programu Síla. 7. Návrh ovládání Obr. 7.1 Schéma zapojení tlačítek 8
Tlačítko S1 slouží jako SELECT, S2 jako START/STOP, S3 jako UP a S4 jako DOWN. U všech tlačítek jsou použity pull-down rezistory, které budou ne digitální vstupy D6 až D9 přivádět logickou nulu (při nestisknutém tlačítku). 8. LCD Byl použit monochromatický LCD displej který má 16 znaků a 2 řádky má modré podnícení a bíle znaky. Rozměry displeje jsou 8 cm x 3,5 cm. Této displej využívá integrovaný řadič HD44780, který má paralelní rozháraní a k němu je připojen převodník na I2C sběrnici. Z převodníku jsou pouze dva digitální piny a dva napájecí piny. 9. Návrh koncového stupně Obr. 9.1 Schéma zapojení H-můstku V levé horní části Obr. 9.1 se nacházejí piny pro zasunutí bloku mikrokontroleru. Piny D11 a D12 budou sloužit k ovládání H-můstku, pomocí kterého bude vyroben kladný i záporný stimulační impuls. Při kombinaci logické 0 na D11 i na D12 vznikne na výstupech OUT_1 a OUT_2 hodnota 0 V. Při vstupní kombinaci logické 1 na D11 a logické 0 na D12 dojde k otevření T3 a Q1, a také k otevření T6 a následně T2. Na výstupu OUT_1 se vytvoří kladný stimulační impuls. Při opačné kombinaci D11 a D12 se vytvoří záporný stimulační impuls. Kapacity C1 až C8 slouží k lepšímu a rychlejšímu otevření tranzistorů T3, T4, T5, T6, T8, T9, T11 a T12. Na výstupu OUT_1 i OUT_2 je zařazena vratná pojistka, která omezí zkratový proud. Dále je na výstupech umístěn bipolární transil, chránící obvod před vstupním i výstupním napětím, které překročí hodnotu 47 V. Na vstup VCC je připojeno napětí z DC DC měniče. 10. Oživení testování DC DC měniče a bloku napájení Testování DC DC měniče probíhalo pomocí zatěžovacích odporů 470 Ω, 1 kω, 5,6 kω, 10 kω. Byly měřeny vstupní a výstupní parametry a dle nich byly vypočteny jednotlivé účinnosti měniče. Dále bylo testováno jaký má vliv velikost indukčnosti na jeho parametry. Byly testovány indukčnosti 22 µh, 100 µh, 220 µh. Test byl proveden s indukčností 220 µh na 1 A. Z tabulky bylo zjištěno, že se účinnost blíži hranici 90 %. Výstupní napětí je stabilní v celém rozsahu kromě hodnoty 470 Ω. Při reálném použití se počítá se zatěžovacím odporem v řádu kω. Proto je hodnota 9
220 µh brána jako přijatelná, kdy se výstupní napětí na měniči nemění se zatěžovacím odporem při účinnosti, která neklesne pod 77 %. Tab. 10.1 Naměřené hodnoty účinnosti měniče MAX1771 při indukčnosti L1 220 µh Zvětšením indukčnosti v měniči bylo docíleno lepší účinnosti za cenu větších rozměrů indukčnosti. Nevýhodou větší indukčnosti je delší náběh napětí a větší zvlnění výstupního napětí. Zvlnění na výstupu je pro naše účely zanedbatelné. Byla vybrána cívka s maximálním povoleným proudem 1 A, protože má menší sériový odpor než cívky konstruované na menší proud. To nám pomůže minimalizovat ztráty rezistivního charakteru. 11. Oživení testování koncového stupně Koncový stupeň byl testován při zatěžovacích odporech v rozsahu 400 Ω až 10 kω. Stimulační impulzy byly vyhodnoceny na osciloskopu a bylo zjištěno, že náběžná hrana je pod 1 µs. Sestupná hrana z kladného do záporného impulzu je pod 5 µs. Dále bylo zjištěno, že zatěžovací odpor má malou závislost na náběžné i sestupné hraně. Tato závislost neomezí funkčnost zapojení pro naše použití. 10
12. Zhodnocení Nejprve byl proveden návrh stimulačních impulzů, které musí splňovat tyto parametry: Impulzy musí mít bifázický průběh. Polarita impulzu bude střídavá, protože nedochází k adaptaci na stimulaci, a tím k poklesu efektivity stimulace. Délka stimulačního impulzu je 200 µs. Tato délka byla zvolena jako optimální, protože při delším stimulačním impulzu dochází k nepříjemným pocitům na pokožce, až k popálení. Při delším stimulačním impulzu, není potřeba tak velký stimulační proud, jako při stimulaci pod 100 µs. Prodleva mezi kladným a záporným stimulačním impulzem byla zvolena na hodnotu 10 µs, a slouží k ustálení přechodových jevů v H-můstku. Díky této pauze je elektrostimulace lépe vnímána pacientem. Splnění normy ČSN EN 60601-2-10. Zdravotnické elektrické přístroje: Část 2-10: Zvláštní požadavky na bezpečnost nervových a svalových stimulátorů. 2001. Přístroj byl navržen a sestrojen na základě stanovených parametrů pro svalovou stimulaci, která vede ke svalové kontrakci. Přístroj je napájen bateriově, čímž je omezeno riziko zranění elektrickým proudem. Tento přístroj je přístroj typu BF. Díky bateriovému napájení je přístroj schopen pracovat několik hodin, v závislosti na intenzitě stimulačního impulzu. 11
Literatura [1] JIRÁK, Zdeněk. Fyziologie pro bakalářské studium na ZSF OU. 2., přeprac. vyd. Ostrava: Ostravská univerzita v Ostravě, Zdravotně sociální fakulta, 2007, 249 s. ISBN 978-80-7368-234-7. [2] PENHAKER, Marek a Martin AUGUSTYNEK. Zdravotnické elektrické přístroje 1. 1. vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 2013, 411 s. ISBN 978-80-248-3107-7. [3] NOVÁK, Vilém a Martin AUGUSTYNEK. Diagnostické metody v medicíně. 1. vyd. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2013, 265 s. ISBN 978-80-248-3101-5. [4] GANONG, William F. Přehled lékařské fyziologie. 20. vyd. Praha: Galén, c2005, xx, 890 s. ISBN 80-726-2311-7. [5] ROZMAN, Jiří. Elektronické přístroje v lékařství. Vyd. 1. Praha: Academia, 2006, 406 s., xxiv s. barev. obr. příl. Česká matice technická (Academia). ISBN 80-200-1308-3. [6] VRÁNA, Milan. Elektronické přístroje pro stimulaci orgánů a tkání. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1984, 319 s. [7] ČSN EN 60601-2-10. Zdravotnické elektrické přístroje: Část 2-10: Zvláštní požadavky na bezpečnost nervových a svalových stimulátorů. 2001 [8] VAŘEKA, Ivan. Základy fyzikální terapie. 1. vyd. Olomouc: Vydavatelství University Palackého, 1995, 83 s. ISBN 80-706-7491-1. [9] PODĚBRADSKÝ, Jiří a Radana PODĚBRADSKÁ. Fyzikální terapie: manuál a algoritmy. 1. vyd. Praha: Grada, 2009, 200 s. ISBN 978-80-247-2899-5. [10] CAPKO, Ján a Radana PODĚBRADSKÁ. Základy fyziatrické léčby. 1. vyd. Praha: Grada, 1998, 394 s., obr. ISBN 80-7169-341-3. [11] KITTNAR, Otomar. Lékařská fyziologie. 1. vyd. Praha: Grada, 2011, 790 s. ISBN 978-802-4730-684. [12] KADAŇKA, Zdeněk, Josef BEDNAŘÍK a Stanislav VOHÁŇKA. Praktická elektromyografie. 1. vyd. Brno: Institut pro další vzdělávání pracovníků ve zdravotnictví, 1994, 180 s.:. ISBN 80-701-3181-0. [13] ROBINSON, Andrew J a Lynn SNYDER-MACKLER. Clinical electrophysiology: electrotherapy and electrophysiologic testing. 3rd ed. Philadelphia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams, c2008, xv, 555 p. ISBN 07-817-4484-9. 12