ES2371820A1 - Dispositivo transductor digital portátil programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja intensidad. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo transductor digital portátil, programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja intensidad que consiste en un dispositivo generador de campos electromagnéticos digital, portátil, modular, que puede ser utilizado para un gran número de aplicaciones médicas. El dispositivo permite ser programado mediante software en lo que se refiere a sus principales parámetros (amplitud, forma de onda, frecuencia, secuencia de pulsos, modelo positivo-negativo ... etc.), y además es completamente portátil con un reducido peso, alimentado por baterías recargables. Su alto grado de modularidad le permite ser flexible en futuros desarrollos según parámetros nuevos requeridos. Además permite la construcción sincrónica de arrays de generadores para aplicaciones lineales y secuenciales. El dispositivo posee una alta capacidad de discriminación en frecuencia inferior a una milésima de Hz e intensidad 0.001 {mi}A.
Description
Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminacion en baja frecuencia y de baja
intensidad.
La presente invención se trata de un dispositivo
generador de campos electromagnéticos digital, portátil, modular,
que puede ser utilizado para un gran número de aplicaciones médicas.
La ventaja de este nuevo diseño es la miniaturización de sus
circuitos con respecto a los que ya existen en el mercado, que
además le permite ser programable mediante software en lo que se
refiere a sus principales parámetros (amplitud, forma de onda,
frecuencia, secuencia de pulsos, modelo
positivo-negativo ... etc.), y además ser
completamente portátil de muy bajo peso (menos de 100 gr) y
alimentado por baterías recargables. Su alto grado de modularidad le
permite ser flexible en futuros desarrollos según parámetros nuevos
requeridos. Además permite la construcción sincrónica de arrays de
generadores para aplicaciones lineales y secuenciales.
Esta invención descrita a continuación consiste
en un sistema generador de campos pulsantes programable en
diferentes formas de onda, con control digital. Posee una alta
capacidad de discriminación en frecuencia inferior a una milésima de
Hz e intensidad 0.001 \muA. Se trata pues de un dispositivo que
por su rango de aplicación (dentro de la normativa ICNRIP, CENELEC
sobre exposición a campos magnéticos) permite ser utilizado como
unidad terapéutica en diferentes tratamientos médicos.
Consecuentemente, el dispositivo se encuentra
dentro del campo de las aplicaciones biomédicas en el apartado de
estimulación magnética transcraneal de baja intensidad y baja
frecuencia, en el marco de la ingeniería biomédica.
La estimulación magnética transcraneal es un
método no invasivo para estimular la actividad cerebral, fue usada
por primera vez en humanos en la década de los 80, donde cambios
rápidos en los campos magnéticos exteriores inducen corrientes de
"Eddy" en el tejido conductor del cerebro humano, permitiendo
la manipulación no invasiva de la actividad neural tanto a nivel de
microescala como de macroescala. Esta actividad presenta una
potencial capacidad de actuación terapéutica para el tratamiento de
los trastornos relacionados con el llamado dolor central producto de
la alteración en frecuencia de redes neuronales codificadas.
Durante mas de cien años ha sido reconocido que
la electricidad y el magnetismo son unidades interdependientes,
ligadas mediante las ecuaciones de Maxwell (Bohning 2000), una
corriente que pasa a través de un conductor genera un campo
magnético perpendicular a la dirección de la corriente. En los
últimos años se ha producido un creciente número de informes que
demuestran efectos significativos de los campos electromagnéticos de
extremadamente baja frecuencia (ELF, EMF) sobre diferentes aspectos
del comportamiento animal y humano. Además han demostrado que la
exposición a campos ELF afecta a la actividad eléctrica cerebral.
Este sistema es de carácter no invasivo ya que va a utilizar campos
magnéticos pulsantes de baja intensidad (por debajo de la normativa
CENELEC, y recomendaciones ICNRIP). Fueron usados por primera vez en
humanos en la década de los 80, donde el campo magnético a pulsos
controlados permitía inducir corrientes de Eddy en el interior del
tejido nervioso, lo que permite la modificación de las propiedades
eléctricas de los tejidos subyacentes, con un amplio potencial
terapéutico.
Los sistemas desarrollados hasta ahora utilizan
campos de alta intensidad, (TMS). Algunas investigaciones permiten
suponer qué campos electromagnéticos de baja intensidad y baja
frecuencia son capaces de modificar las funciones cerebrales y para
ello se han desarrollado algunos dispositivos de generadores de baja
intensidad, fundamentalmente los desarrollados por Jacobson
enterprises INc, generadores para la reparación de fracturas óseas y
disfunciones musculares, basados en sistemas de generadores de campo
con moduladores analógico digitales externos y no integrados en un
solo chip. También son conocidos los sistemas Earthpulse TM donde
sus sistemas programables no consiguen una adecuada precisión en
frecuencia.
En la patente US005014699 el dispositivo
descrito presenta un pequeño generador que produce una señal de
0-5 V mediante impulsos elementales de
2-10 ms utilizando formas de onda simétricas
sinusoidales y triangulares con un intervalo entre pulsos de
60-65 ms aunque utilizando altas intensidades, por
lo que difiere el presente desarrollo en intensidad y precisión,
además no es un dispositivo programable. En las patentes WO94/13357
y WO0078267A2, se describe un generador que produce altas
frecuencias moduladas en baja dando lugar a un campo magnético
giratorio. El diseño y las aplicaciones difieren notablemente del
presente desarrollo. Por su parte en la patente EP 0048451A1 se
describe un circuito de descarga de un condensador a través de una
resistencia, sistema que regula el pulso de corriente y el espacio
entre pulsos. En este caso se trata de un dispositivo que ni es
programable ni es portátil. Los desarrollos de Jacobson, utilizan al
igual que en la presente invención campos magnéticos muy débiles del
orden de 10^{-20} Gauss aplicados a través de una bobina de
Hemholtz. Si bien se utiliza campos de rango similar al presente
caso, tampoco se trata de un dispositivo programable, ni portátil.
Otro dispositivo similar es el descrito en la Patente WO0078267A2,
que presenta un sistema portátil para aplicar magnetoterapia como
TENS, es decir, por inducción de campo eléctrico a partir de campo
magnético. Para ello necesita alta energía, no siendo programable,
siendo poco preciso en frecuencia.
El solicitante desconoce la existencia de
actuadores magnéticos digitales modulares, portátiles de alta
precisión en frecuencia y amplitud aplicables a tratamientos médicos
de alta eficacia y seguridad.
La portabilidad del sistema y la capacidad de
alimentación en duración y desconexión a la red eléctrica permiten a
este sistema modular tener una amplia capacidad de trabajo que lo
diferencia de los sistemas que se encuentran en el mercado.
Para ello, y de forma más concreta, el
dispositivo de la invención se materializa en un equipo electrónico
portátil de pequeño tamaño, operado por baterías recargables o
primarias, diseñado para generar señales electromagnéticas de baja
intensidad. Estas señales pueden ser programadas de diferentes
formas, frecuencias, magnitud y duración utilizando para ello un
sistema exterior de programación. El dispositivo permite la
aplicación a un número indeterminado de actuadores, ya que se
comporta como un generador de corriente independiente de la carga
que tenga que soportar.
El diseño del equipo permite gran precisión en
el ámbito de frecuencia ELF, con resolución de milésimas de Hz e
intensidades muy bajas de 0 1 mA pero de alta precisión necesarias
para aplicaciones médicas del ámbito de la estimulación
magnética.
De forma más concreta, en el dispositivo de la
invención participan seis elementos fundamentales, que son los
siguientes:
- -
- Circuito de carga inteligente de batería.
- -
- Circuito de fuentes de alimentación.
- -
- Circuito digital.
- -
- Circuito analógico.
- -
- Circuito de protección y conexión USB.
- -
- Visor de cristal líquido.
El dispositivo puede abastecerse de dos tipos de
batería, una, basada en las baterías de Ión de Litio Polímero o de
igual manera baterías de tipo Ión de Litio. El otro tipo de batería
que puede ser utilizada en este dispositivo se basa en baterías de
tipo primaria, conformadas por dos baterías de tipo Litio de 3 VDC
de tensión. Estas últimas pueden ser utilizadas en aquellas
ocasiones cuando se descargue la batería de Ión de Litio interna y
se desee utilizar el equipo.
El circuito de carga inteligente incluye una
electrónica inteligente que supervisa la tensión inicial de carga de
las baterías y según ésta, establece un programa de carga diseñado
para cargar la batería en el menor tiempo posible infringiendo el
menor desgaste posible a la química interna de las baterías
sometidas a carga.
Este circuito incluye un conector de entrada de
tipo mini power jack utilizado ampliamente en los teléfonos
celulares diseñado para utilizar un cargador de tipo transformador
de pared de 5VDC a 800 miliamperios. De igual manera, el circuito de
carga inteligente puede soportar tensiones de hasta 12 voltios de
tensión y hasta un amperio.
Este circuito incluye de igual manera un LED
bicolor por medio del cual se puede conocer el estado de la carga de
la batería indicando en color rojo que el circuito se encuentra en
proceso de carga y con un color verde cuando la carga está completa
y el cargador puede ser desconectado del equipo.
Para poder utilizar los dos tipos de baterías,
la interna y las de Litio se incluye un circuito conformado por dos
rectificadores de tipo sckotty que permiten proteger el equipo de
una reversión de polaridad en caso que las baterías de litio sean
instaladas de forma equivocada y que puedan ser utilizadas ambos
tipos de batería sin que se dañe el circuito de alimentación.
Así pues, y frente al estado de la técnica, el
sistema transductor que la invención propone modifica el sistema de
alimentación utilizando baterías de mayor capacidad, tipo Ión de
Litio/Ión de Litio Polímero debido a que las baterías de ácido/plomo
no deben ser utilizadas en equipos médicos y sobre todo en equipos
que deben ser manipulados cerca de pacientes o personas ya que este
tipo de batería usualmente en condiciones de corto tienen tendencia
a generar internamente gas hidrógeno pudiendo ocasionar explosión,
ruptura de la caja o activación de la válvula de seguridad con el
correspondiente derramamiento de electrolito ácido. Por tanto se
incorporó este nuevo tipo de alimentación debido a sus
características de seguridad, peso y tamaño físico. La utilización
de baterías de Ión de Litio/Ión de Litio Polímero radica en que
éstas últimas poseen un peso y costo muy inferior tanto de las
baterías propiamente dichas como en equipo de carga.
Una segunda característica diferencial es el
Micro controlador, en otros modelos se utilizan dos micro
controladores de baja capacidad de proceso, uno, para gestionar la
generación de señales eléctricas propias del equipo estimulador y el
otro para gestionar el puerto serie. En este último caso han tenido
que agregar un convertidor de serie a USB de forma externa al equipo
de manera de poder realizar la programación de los equipos
utilizando un ordenador externo.
En el caso del microcontrolador de la presente
invención, éste incorpora un solo controlador de gran capacidad de
proceso con tecnología de tipo ARM, que incluye un convertidor de
digital a analógico (DAC) internamente proporcionando unas 60 veces
más preciso en las señales analógicas generadas, sobre todo en
aquellas señales diferentes a la cuadrada. El hecho de que el DAC se
encuentre dentro del micro controlador elimina ruidos externos y
mejora la calidad de las señales generadas con su correspondiente
disminución en el costo del equipo. También este micro controlador
incluye la gestión de software y la electrónica necesaria para
generar un puerto de tipo USB 2.0 eliminando el uso de convertidores
de serie a USB externos. El nuevo micro controlador además de
gestionar el puerto USB y la generación de señales proporciona la
gestión del manejo del resto del equipo tal como es el caso control
de la señalización, fuentes de alimentación internas de +/-5 V, el
zumbador dejando también puertos libres suficientes para la
incorporación a futuro de un visor de LCD o cualquier otro
aditamento. Este nuevo dispositivo posee además un DAC Interno. La
colocación de un DAC externo implica además de costos superiores la
utilización de un puerto paralelo necesario para manejar este
dispositivo. En el modelo propuesto, el DAC se encuentra
internamente en el interior del silicio del micro controlador y por
lo tanto no ocupa puerto alguno sino el de salida de señal, consume
menor cantidad de energía, logrando por ende, mayor duración de las
baterías internas del equipo y hace que éste tenga menos
vulnerabilidad a los ruidos externos. El nuevo dispositivo incluye
un circuito electrónico de tratamiento de las señales analógicas, el
circuito utiliza un solo circuito integrado (operacional) en vez de
dos (utilizados habitualmente). Esto, disminuye el consumo
energético dando mayor autonomía de trabajo en las posibles
aplicaciones médicas.
Asimismo, en el nuevo equipo se utiliza una
entrada de tensión de 3.3 voltios. En este sentido hubo que incluir
dos fuentes de alimentación necesarias para operar la parte del
tratamiento analógico de las señales generadas por el DAC. De igual
manera se diseñaron dos fuentes DC/DC de más menos 5 V con chips y
electrónica conexa de ultra bajo consumo. Como elemento adicional se
incluyó en el nuevo equipo espacio físico para colocar dos baterías
de litio de 3 V c/u, con las cuales se puede alimentar el equipo por
más de 40 horas en caso de no disponer energía de red para recargar
las baterías internas. Esto permite realizar trabajos de campo o en
aquellos lugares donde no exista red eléctrica.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de
realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de
dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra un diagrama de bloques de
los diferentes elementos esenciales que participan en un dispositivo
transductor digital portátil realizado de acuerdo con el objeto de
la presente invención.
La figura 2.- Muestra una vista de perfil de la
caja que aloja al dispositivo de la figura anterior.
La figura 3.- Muestra una vista en sección según
la línea de corte A-A de la figura 2.
La figura 4.- Muestra un diagrama detallado del
circuito digital que participa en el circuito de la figura 1.
La figura 5.- Muestra un diagrama detallado del
circuito inteligente para carga de baterías que participa en el
circuito de la figura 1.
La figura 6.- Muestra un diagrama del circuito
regulador lineal que participa en el circuito de la figura 5.
La figura 7.- Muestra un diagrama detallado del
circuito analógico o etapa de corriente que participa en el circuito
de la figura 1.
Las figuras 8 y 9.- Muestran, finalmente,
respectivos diagramas detallados de los circuitos de fuentes de
alimentación y protección que participan en el circuito de la figura
1.
A la vista de las figuras reseñadas, y en
especial de la figura 1, puede observarse como en el dispositivo de
la invención participan seis elementos fundamentales,
interrelacionados entre sí, materializados en un circuito de carga
inteligente de batería (1), un circuito de fuentes de alimentación
(2), un circuito digital (3), un circuito analógico (4), un circuito
de protección y conexión USB (5), y un visor de cristal líquido
(6).
En cuanto al circuito de fuentes de alimentación
(2), el mismo permite generar las tres tensiones de trabajo
necesarias para el funcionamiento del dispositivo. El circuito
digital (3) necesita de una tensión de trabajo de 3.3 VDC y el
circuito analógico (4) necesario para el tratamiento de las señales
producidas por el equipo requieren de dos tensiones de trabajo una
de +5 VDC y la otra de -5 VDC.
La tensión de alimentación de 3.3V es obtenida
utilizando un LDO o regulador de tensión fijo de 3.3 voltios. Por
otro lado, las tensiones de alimentación de +/- 5 voltios son
generados internamente en el equipo utilizando dos fuentes de
alimentación diferentes que incluye sendos circuitos integrados, los
mostrados en detalle en las figuras 7 y 8.
Las dos fuentes de alimentación de 5 voltios
incluyen un circuito que permite que las mismas puedan ser
encendidas o apagadas utilizando un I/O del micro controlador (7).
Esta característica fue diseñada para ahorrar energía cuando el
equipo esté encendido.
En este sentido, este circuito de fuente de
alimentación puede operar utilizando tanto la tensión de
3.7-4 VDC proveniente de la batería recargable interna (8) o utilizando la tensión de 6 voltios proveniente de las dos baterías de litio (9) de 3 voltios cada una que son dispuestas en serie en la caja del equipo.
3.7-4 VDC proveniente de la batería recargable interna (8) o utilizando la tensión de 6 voltios proveniente de las dos baterías de litio (9) de 3 voltios cada una que son dispuestas en serie en la caja del equipo.
Por su parte, el circuito digital (3), el
mostrado en detalle en la figura 4, está conformado por un micro
controlador (7) de tipo ARM el cual posee dos circuitos osciladores
(10-10') uno de ellos utilizado para la operación
normal del equipo, el cual funciona con un cristal con una
frecuencia de 8 Mhz. El otro circuito oscilador opcional está
conformado por un cristal de baja frecuencia de 32.768 Khz que podrá
ser utilizado en aplicaciones que requieran llevar un control de
tiempo preciso del tiempo con desviaciones de menos de un par de
segundos al año.
El circuito oscilador del micro controlador
posee un circuito PLL interno que permite utilizar el circuito
oscilador de referencia de 8 Mhz para multiplicar la frecuencia de
operación del procesador a frecuencias de más de 70 Mhz, de esta
manera permitiendo que este micro controlador pueda generar señales
analógicas de gran precisión en el tiempo.
El micro controlador, incluye internamente un
circuito convertidor de digital a analógico (11) que permite generar
señales de onda de cualquier tipo referenciadas a 0 voltios. En este
sentido el equipo incluye un software interno que permite generar
varios tipos de señales tales como:
- Señales cuadradas.
- Señales sinusoidales.
- Señales de tipo sierra.
- Señales de tipo triangulares.
Incluyendo el software adecuado, el convertidor
digital a analógico (11) puede generar cualquier tipo de señal
compleja según sea necesario de utilizar de acuerdo a las patologías
que a futuro sea necesario tratar.
El micro controlador (7) incluye internamente un
par de puertos (18-19) y el firmware necesario para
implementar una conexión de tipo USB (12) de tipo 2.0. Esto, permite
que en el equipo se incluya una conexión USB a cualquier tipo de
ordenador (13) externo necesario para poder programar el tipo de
tratamiento necesario para atender diferentes tipos de patología de
acuerdo a las necesidades propias de cada paciente. Este circuito
permite que no sea necesario utilizar convertidores de USB a serie
con la finalidad de poder realizar la programación de los diferentes
tipos tratamientos.
El convertidor de analógico a digital (11), está
incluido internamente en el micro controlador, esto, conjuntamente
con el circuito de protección (5) y un divisor de tensión (14), los
cuales son utilizados con la finalidad de poder detectar el voltaje
de trabajo de las baterías, con la finalidad de detectar los estados
de baja batería y de esta forma poder indicar al usuario que el
equipo va a parar de producir señales motivado por efecto de un
estado de batería baja.
Adicionalmente, el circuito digital incluye
control para la interface hombre máquina conformado por los
siguientes dispositivos:
- -
- LEDs indicadores (15).
- -
- Buzzer o generador de ruido o tono (16).
- -
- Visor de cristal líquido (6).
- -
- Botón de encendido y apagado del equipo (17).
- -
- Detección de conexión de ordenador externo al puerto USB (12).
- -
- Activación y desconexión del circuito de generación de señales.
- -
- Detección de apertura del circuito generador de señales magnéticas.
Los LEDs indicadores (15) conjuntamente con el
generador de tono o buzzer (16) permiten dar a conocer el estado de
operación del dispositivo.
También el circuito digital (3) incluye un
puerto que permite conectar al micro controlador el visor de tipo
cristal líquido (6) en caso de que este tipo dispositivo sea
necesario.
Este circuito digital (3) también incluye un
botón multifunción por medio del cual se puede apagar y prender el
dispositivo como también activar y desactivar el tratamiento.
Así como el circuito digital incluye un
convertido de digital a analógico (11) para generar las diferentes
señales de onda programadas referenciadas a 0 voltios, el circuito
analógico (4) tiene la función de transformar las señales recibidas
en forma de tensión de 0-3.3 voltios en señales de
+/-5 voltios de tipo NRO (Non Return to zero) convertidas en señales
en corriente con una capacidad de un máximo de 1 miliamperio. Las
señales convertidas a corriente por este circuito pueden también ser
ajustadas a una menor intensidad por medio de un ajuste de software
que disminuye la amplitud de las diferentes señales generadas en
convertidor digital a analógico que también puede cambiar la
frecuencia, y el ciclo de trabajo de las señales generadas.
Adicionalmente a estas funcionalidades
mencionadas anteriormente, este circuito incluye un circuito
detector de continuidad (20) que mantiene al micro controlador (7)
informado sobre si las bobinas (21) se encuentran o no conectadas al
equipo de manera de poder o no comenzar la sesión de trabajo.
El circuito analógico (4) incluye adicionalmente
un circuito de ajuste de offset (22) de manera de ajustar las
señales de corriente centradas y con el ciclo de trabajo correcto.
Este ajuste es hecho sólo una vez al momento de fabricar cada
dispositivo y por lo tanto no se encuentra disponible ni al operador
ni al usuario del equipo.
Por su parte, el circuito de protección y
conexión USB (5) está encargado de proteger el micro controlador (7)
de la electricidad estática que se genera en el ambiente y que
usualmente daña los microcontroladores cuando este tipo alta tensión
se cuela directamente a los puertos de los mismos. Este circuito
incluye un integrado protector de estática, un circuito filtro para
la conexión diferencial típica de los puertos USB y un circuito de
detección de conexionado que permite al micro conocer cuando un
ordenador ha sido conectado.
En cuanto al visor de cristal líquido (6), es un
dispositivo opcional que permite al médico o personal operador del
dispositivo, conocer el tipo de programación y tiempo de aplicación
que está siendo utilizado en cada sección de trabajo, este tipo de
información sólo es presentada mientras el equipo esté conectado a
un puerto de tipo USB, de forma de poder confirmar que la
programación definida en el equipo sea la correcta. Este dispositivo
también puede ser utilizado para presentar a los usuarios del equipo
cuando ha terminado la sesión.
La circuitería descrita se alojará en una caja o
carcasa (23) de material no ferromagnético, integrándose dicha
circuitería sobre una placa de circuitos impresos o PCB.
El equipo se alimentará, tal y como se ha
comentado con anterioridad a través de una batería recargable de
tipo Ión de Litio o Ión de Litio Polímero, contando con un arnés de
cables y contactos de baterías para el conexionado de la placa
electrónica con las baterías primarias de litio. Éstas últimas
pueden ser utilizadas para activar el equipo en aquellos casos en
que la batería interna se encuentre descargada.
Asimismo incluirá un software de bajo nivel que
tiene la capacidad de programar el micro controlador (3) del equipo
para que éste pueda operar con las funcionalidades con que el equipo
fue diseñado generando señales eléctricas de diferentes
características y llevando a cabo todo el control automático del
sistema.
Adicionalmente se complementará con un software
de alto nivel que se instala en cualquier ordenador de tipo portátil
o PC para poder programar el tipo de aplicación indicada específico
para cada patología utilizando para ello una conexión de tipo
USB.
La carcasa (23) será preferentemente de
plástico, se incluye un compartimiento especial (24) para alojar un
par de baterías primarias (9) de tipo Litio de 3 V cada una la
cuales se colocan según indicación impresa en dicha caja.
Asimismo incluirá dos indicadores de tipo LED
(15) en su parte frontal superior, uno de color rojo y otro de color
verde por medio de los cuales se indica el tipo de programa y
funcionamiento del dispositivo.
También incluye en su parte lateral un indicador
de tipo LED Bicolor (25) que permite conocer el estado de carga de
la batería interna recargable cuando la misma se encuentra en el
proceso de carga.
Junto al LED indicador de carga el equipo
incluye un orificio en donde se instala el conector del cargador
(26). El conector es de tipo mini de 2 milímetros de diámetro. Las
características de la alimentación de carga que se especifica en el
orden de los 800 mA a 5 VDC.
En el otro extremo o lateral derecho de la caja
se localiza el conector de tipo Mini USB (12) por medio del cual se
realiza la programación del equipo.
En la cara superior izquierda de la caja se
localiza el pulsador (17) que permite encender y apagar el equipo
cuando se va a realizar el tratamiento. Utilizando este mismo botón
con un tipo de secuencia determinada se puede comenzar o finalizar
el tratamiento programado.
En la cara superior derecha de la caja se
localiza un conector de tipo SMA hembra utilizado para enroscar el
conector SMA macho que utiliza el aplicador.
La placa PCB de cuatro capas, diseñado con
componentes electrónicos de tipo SMD y elementos pasivos con
tecnología predominante SMD 0603.
Volviendo nuevamente al circuito digital (3),
éste está conformado por un micro controlador (7) de tipo Cortex,
modelo SMT32F103 que incluye un cristal de referencia de 8 MHz y
otro de 32.768 KHz de uso opcional.
La patilla Nº 20 del micro controlador es una
salida de tipo DAC o conversión de señales digitales a analógicas.
Es en este punto donde se generará las señales eléctricas definidas
inicialmente como señales programables que pueden ser de cuatro
tipos cuadrada, triangular, sinusoidal o rampa. La generación de
estas señales es hecha por medio del software de bajo nivel alojado
en la memoria no volátil de este micro controlador.
Este mismo micro, controla el encendido y
apagado de las fuentes de alimentación, la detección de la
existencia de la conexión con el casco estimulador, detección de
carga de baterías (8-9), conexión automática de las
bobinas (21) del casco estimulador para los efectos de poder
programar sesiones que duren un tiempo determinado, el control de
los LEDs (15) de funcionamiento verde y rojo, el manejo del puerto
de tipo USB (12) para la programación del tipo de tratamiento
utilizando un ordenador externo (13), el encendido y apagado del
dispositivo entre otros.
Se incluye protección electrostática para el
puerto USB, un botón de reset (27) interno en caso que sea
necesario, un conector (28) con las señales del JTAG o puerto de
programación del micro controlador para generar actualizaciones del
software de bajo nivel como también, se incluyen otros tres
conectores de tipo pincho por medio de los cuales se pueden
programar otros puertos o salidas y entradas del micro controlador
utilizadas con la finalidad de agregar dispositivos de cristal
líquido y pulsadores manuales de control.
En la PCB del dispositivo también se incluye un
circuito electrónico y conector de tipo USB, con circuito de
protección (5) electrostático y detección de la tensión de 5 voltios
típico del conexionado USB, provisto por cualquier ordenador ya sea
portátil o PC.
Pasando ahora a analizar el circuito inteligente
para carga de baterías (1), y a fin de extender la vida útil de las
baterías y poder recargar su contenido energético en el menor tiempo
posible, se diseñó un sistema de carga de batería inteligente que
examina la tensión de carga externa, las tensiones internas
generadas por los agentes químicos y forma de carga de cada batería
en particular, esto, de manera de poder realizar una programación de
carga óptima sin deteriorar la química interna de las mismas.
Como elemento de carga, se diseñó para este
dispositivo que pueda ser utilizado un cargador (26). El cargador
deberá ser utilizado con una tensión de carga entre 5 y 12 voltios y
capacidad de carga de un máximo de 800 miliamperios con salida de
tipo DC. Por otro lado el tipo de conector o enchufe de carga de
tipo mini Jack de potencia con diámetro de 2 mm y con tensión
positiva en el centro de dicho conector.
Para ello se ha incluido en la PCB el circuito
de carga inteligente (1) mostrado en detalle en la figura 5, el cual
está basado en un circuito o chip BQ24012 de Texas Instrument el
cual está diseñado con esa finalidad, contando con un regulador
lineal de bajo dropout (29), el cual se muestra en detalle en la
figura 6.
Volviendo de nuevo al circuito analógico (4),
éste está diseñado para tratar las señales eléctricas analógicas,
generadas por el micro controlador para convertirlas en señales de
corriente que en las bobinas (21) del aplicador se convertirán en
ondas magnéticas de diferente forma, frecuencia y magnitud.
Esta etapa de corriente, se alimenta de una
tensión positiva y otra negativa de 5 voltios sin referencia a
tierra, incluyendo una salida hacia el conector hembra SMA donde se
enchufa el casco estimulador, la salida de señal analógica
proveniente de DAC del micro controlador en su patilla nº 20. Por
otro lado se implementa en este circuito una señal de salida hacia
el micro controlador que indica que el casco estimulador se
encuentra conectado y por último una salida del micro para activar
el circuito eléctrico que genera las señales hacia el casco
estimulador por medio de un transistor de tipo Mosfet canal N.
Se incluye en este circuito electrónico un
potenciómetro (30) necesario para ajustar el apagado de la señal de
corriente generada ya que el ajuste de ganancia y de corriente son
fijados al momento del ensamblaje de la PCB.
Tal y como se ha comentado con anterioridad, el
equipo incluye tres fuentes de alimentación y un circuito de
protección. La fuente de alimentación principal se ha diseñado para
proveer de la tensión de 3.3 voltios DC, con la cual se alimenta el
micro controlador y el resto de los componentes electrónicos que
conforman el sistema electrónico del dispositivo. Esto a excepción
del circuito de la etapa de corriente que se alimenta de +/- 5
voltios.
La fuente de 3.3 voltios utiliza un regulador de
voltaje de tipo LDO de Texas, modelo REG113-3.3 con
una entrada directa de la batería de Ión de litio o Ión de litio
polímero cuya tensión de trabajo oscila entre los 3.3 V y los 4
voltios. Este circuito electrónico también suministra la tensión de
3.3 voltios con la cual se estabiliza.
La fuente de 3.3 voltios utiliza un regulador de
voltaje de tipo LDO de Texas, modelo REG113-3.3 con
una entrada directa de la batería de Ión de litio o Ión de litio
polímero cuya tensión de trabajo oscila entre los 3.3 V y los 4
voltios. Este circuito electrónico también suministra la tensión de
3.3 voltios con la cual se alimentan los dos circuitos de fuente
alimentación de 5 voltios positivo y negativo.
El circuito de alimentación de 3.3 voltios
también puede alimentarse de baterías externas y por tanto se ha
incluido un circuito de protección conformado por diodo de tipo
schottky para evitar el reverso de la tensión desde las baterías de
Ión de Ión de litio/Ión de litio polímero. En este suministro de
baterías externas se utilizan dos baterías de tipo primaria de
litio, las cuales generan un potencial de 3 V voltios cada una.
Estas dos baterías se conectan en serie internamente en la caja del
equipo para generar una tensión de 6 voltios con la cual se alimenta
también el regulador de tensión LDO descrito anteriormente.
Para alimentar la etapa de corriente del
estimulador se incluyen en el circuito impreso dos fuentes de
alimentación de 5 voltios, una de esta de voltaje positivo y el otro
negativo.
La fuente de alimentación de 5 voltios positivo
está diseñada con un circuito integrado de tipo DC/DC modelo TPS
61220 cuya esquemática se presenta en el cuadro anterior.
La fuente de 5 voltios negativa que se incluye
en el circuito impreso del estimulador, está diseñada con un
circuito integrado de tipo Inversor modelo TPS63700 cuya esquemática
se presenta en el cuadro anterior.
Ambas fuentes de alimentación de 5 voltios están
controladas por medio del micro controlador (7) quien a través del
pin 41 del mismo puede apagar y encender el funcionamiento de las
mismas.
El circuito electrónico encargado de recargar
las baterías internas está diseñado para cargar inteligentemente
tanto a baterías de tipo Ión de litio como baterías de tipo Ión de
litio polímero.
En el caso de este equipo se puede utilizar
cualquiera de estas baterías cuyas dimensiones físicas permitan su
instalación dentro de la caja plástica. En el caso de este equipo se
han utilizado baterías con dimensión física de 40x60x6 mm y con una
capacidad de carga superior a los 850 miliamperios permitiendo de
esta forma una autonomía de funcionamiento del equipo superior a las
30 horas.
El otro tipo de batería recargable que puede ser
utilizada en este equipo es de tipo Ión de Litio de tipo piramidal
usualmente utilizada en la telefonía móvil celular cuyas
características de carga son similares a las anteriormente
comentadas de Ión de Litio Polímero.
Por último, el equipo puede ser alimentado con
baterías primarias de tipo Litio AA.
En caso de no disponer de cargador de batería el
equipo puede ser utilizado por medio de dos baterías primarias de
tipo litio las cuales poseen un almacenaje energético de
aproximadamente 1.20 amperios y una tensión de trabajo de 3 voltios.
Si este tipo de alimentación es utilizado se requieren de dos
baterías conectadas internamente en serie lo cual permite que el
equipo opere unas 50 horas.
Claims (16)
1. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, caracterizado porque está constituido a partir de
un equipo electrónico portátil de pequeño tamaño, operado por
baterías recargables o primarias (8-9), en el que se
establecen un circuito de carga inteligente de batería (1), un
circuito de fuentes de alimentación (2), un circuito digital (3), un
circuito analógico (4), un circuito de protección y conexión USB
(5), y opcionalmente un visor de cristal líquido (6), habiéndose
previsto que el circuito de fuentes de alimentación incorpore medios
de generación de tres tensiones de trabajo, una para el circuito
digital (3), y dos para el circuito analógico (4), mientras que el
circuito digital (3) está conformado por un micro controlador (7) de
tipo ARM el cual posee al menos un circuito oscilador
(10-10'), preferentemente dos, incluyendo
internamente un circuito convertidor de digital a analógico (11) que
permite generar señales de onda de cualquier tipo referenciadas a 0
voltios a través del complementario software de programación.
2. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque la
tensión de alimentación del circuito digital (3) es obtenida
utilizando un LDO o regulador de tensión fijo, mientras que las
tensiones de alimentación del circuito analógico son generadas
internamente en el equipo utilizando dos fuentes de alimentación
diferentes que incluyen sendos circuitos integrados.
3. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque las
dos fuentes de alimentación del circuito analógico incluyen un
circuito que permite que las mismas puedan ser encendidas o apagadas
utilizando un I/O del micro controlador (7).
4. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el
micro controlador (7) incluye internamente un par de puertos
(18-19) y el firmware necesario para implementar una
conexión de tipo USB (12) de tipo 2.0.
5. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el
convertidor de analógico a digital (11), está incluido internamente
en el micro controlador, conjuntamente con el circuito de protección
y conexión USB (5) y un divisor de tensión (14).
6. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el
circuito digital incluye control para la interface hombre máquina
conformado por los siguientes dispositivos:
- -
- LEDs indicadores (15).
- -
- Buzzer o generador de ruido o tono (16).
- -
- Visor de cristal líquido (6).
- -
- Botón de encendido y apagado del equipo (17).
- -
- Detección de conexión de ordenador externo al puerto USB (12).
- -
- Activación y desconexión del circuito de generación de señales.
- -
- Detección de apertura del circuito generador de señales magnéticas.
7. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el
circuito digital (3) incluye un puerto que permite conectar al micro
controlador el visor de tipo cristal líquido (6) en caso de que este
tipo dispositivo sea necesario.
8. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el
circuito digital (3) incluye un botón multifunción por medio del
cual se puede apagar y encender el dispositivo, así como también
activar y desactivar el tratamiento.
9. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el
circuito analógico (4) incorpora medios para transformar las señales
recibidas en forma de tensión en señales de tipo NRO (Non Return to
zero) convertidas en señales en corriente con una capacidad de un
máximo de 1 miliamperio, pudiendo adicionalmente ser ajustadas a una
menor intensidad por medio de un ajuste de software que disminuye la
amplitud de las diferentes señales generadas en convertidor digital
a analógico que también puede cambiar la frecuencia, y el ciclo de
trabajo de las señales generadas.
10. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el
circuito analógico (4) incluye un circuito detector de continuidad
(20) que mantiene al micro controlador (7) informado sobre si las
bobinas (21) se encuentran o no conectadas al equipo de manera de
poder o no comenzar la sesión de trabajo.
11. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el
circuito analógico (4) incluye un circuito de ajuste de offset
(22).
12. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el
circuito de protección y conexión USB (5) incluye un integrado
protector de estática, un circuito filtro para la conexión
diferencial típica de los puertos USB y un circuito de detección de
conexionado que permite al micro conocer cuando un ordenador ha sido
conectado.
13. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque
comprende una caja o carcasa (23) de material no ferromagnético, en
el que se integra la circuitería sobre una placa de circuitos
impresos o PCB, habiéndose previsto que incluya un compartimiento
especial (24) para alojar un par de baterías primarias (9) de tipo
Litio de 3 V cada una, dos indicadores de tipo LED (15) en su parte
frontal superior, uno de color rojo y otro de color verde por medio
de los cuales se indica el tipo de programa y funcionamiento del
dispositivo, así como un indicador de tipo LED Bicolor (25) que
permite conocer el estado de carga de la batería interna recargable
cuando la misma se encuentra en el proceso de carga.
14. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 13ª, caracterizado porque
junto al LED indicador de carga el equipo incluye un orificio en
donde se instala el conector del cargador (26), en el otro extremo o
lateral derecho de la caja se localiza el conector de tipo Mini USB
(12) por medio del cual se realiza la programación del equipo,
mientras que en la cara superior izquierda de la caja se localiza el
pulsador (17) que permite encender y apagar el equipo así como
comenzar o finalizar el tratamiento programado.
15. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 13ª, caracterizado porque en
la cara superior derecha de la caja se localiza un conector de tipo
SMA hembra utilizado para enroscar el conector SMA macho que utiliza
el aplicador.
16. Dispositivo transductor digital portátil,
programable con alta discriminación en baja frecuencia y de baja
intensidad, según reivindicación 1ª, caracterizado porque
incluye protección electrostática para el puerto USB, un botón de
reset (27) interno, un conector (28) con las señales del JTAG o
puerto de programación del micro controlador para generar
actualizaciones del software de bajo nivel, tres conectores de tipo
pincho por medio de los cuales se pueden programar otros puertos o
salidas y entradas del micro controlador utilizadas con la finalidad
de agregar dispositivos de cristal líquido y pulsadores manuales de
control.
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