Modelado, diseño e implementación de un sistema matricial para el estudio de corrientes enfocadas aplicadas a neuroestimulación no invasiva

P oyec o Fin de Ca e a Ingenie ía de Telecomunicación Fo ma o de Publicación de la Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Au o : F. Ja ie Payán Some Tu o : Juan José Mu illo Fuen es Dep. Teo ía de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2013 T abajo Fin de G ado Ingenie ía Elec ónica, Robó ica y Meca ónica Modelado, diseño e implemen ación de un sis ema ma icial pa a el es udio de co ien es en ocadas aplicadas a neu oes imulación no in asi a Au o : I án Gai án de los San os Tu o es: Hipóli o Guzmán Mi anda y Alejand o Ba iga Ri e a Dp o. Ingenie ía Elec ónica y Dp o. Física Aplicada III Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2024 T abajo Fin de G ado Ingenie ía Elec ónica, Robó ica y Meca ónica Modelado, diseño e implemen ación de un sis ema ma icial pa a el es udio de co ien es en ocadas aplicadas a neu oes imulación no in asi a Au o : I án Gai án de los San os Tu o es: Hipóli o Guzmán Mi anda y Alejand o Ba iga Ri e a P o eso Ti ula y P o eso Con a ado Doc o Dp o. Ingenie ía Elec ónica y Dp o. Física Aplicada III Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2024 T abajo Fin de G ado: Modelado, diseño e implemen ación de un sis ema ma icial pa a el es udio de co ien es en ocadas aplicadas a neu oes i- mulación no in asi a Au o : I án Gai án de los San os Tu o es: Hipóli o Guzmán Mi anda y Alejand o Ba iga Ri e a El ibunal nomb ado pa a juzga el abajo a iba indicado, compues o po los siguien es p o eso es: P esiden e: Vocal/es: Sec e a io: acue dan o o ga le la cali icación de: El Sec e a io del T ibunal Fecha: Ag adecimien os M e gus a ía ag adece en p ime luga a mis u o es, Hipóli o Guzmán y Alejand o Ba iga. G acias po ayuda me cuando lo he necesi ado, po guia me y enseña me a ealiza un abajo esc i o de mane a co ec a. He ap endido mucho g acias a oso os, desde cómo abaja en un labo a o io a cómo descub i a ículos sob e biomedicina. También ag adece os po p opo ciona me odo el ma e ial necesa io y ab i me las pue as del labo a o io siemp e que ha sido necesa io. Ag adece ambién a mi amilia, que me ha es ado apoyando desde el p incipio, en mis momen os buenos y en los malos, sob e odo con el p oblema con la soldadu a que me dio mucho dolo de cabeza. Muchas g acias po c ee en mí y en que consegui ía e mina lo, sois un pila undamen al de mi pe se e ancia. G acias a mis amigos de oda la ida po apoya me y escucha me cuando me quejaba po que no me daba iempo a e mina el abajo y, sob e odo a mi no ia, que me ha le an ado siemp e que había un p oblema que pa ecía imposible de soluciona . Po úl imo, ag adece a los écnicos de labo a o io, Agus ín Díaz y And és Gonzalez, po ayuda me con la soldadu a y a los amigos que he hecho du an e mi paso po la ETSI, me aleg o de que lo hayamos conseguido. Muchas g acias a odos una ez más. Es e TFG es pa e del p oyec o I+D+i CNS2022-135870, inanciado po MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y po "Unión Eu opea Nex Gene a ionEU/PRTR". I Resumen E n la ac ualidad, los disposi i os de neu oes imulación ce eb al ienden a se in asi os, siendo es o no muy a ac i o pa a la mayo ía de la población. Es e p oyec o p esen a el diseño de una PCB (P in ed Ci cui Boa d) pa a neu oes imulación de mane a no in asi a, en ocada en el con ol indi idual de elec odos pa a inyec a , en es e caso, co ien e en un medio salino y medi el po encial eléc ico en un pun o especí ico. La inalidad de es e p oyec o es gene a una in e e encia en e dos co ien es de ecuencia lige amen e di e en e pa a c ea un campo eléc ico modulado, écnica usada en es imulación ce eb al p o unda no in asi a. El desa ío p incipal ue diseña una placa elec ónica que conec a a los 32 elec odos de inyección con una ma iz de conmu ación capaz de maneja señales analógicas de co ien e y sopo a a caídas de ensión signi ica i as, además de conec a 64 elec odos ecep o es con sus espec i os pines de medida. Se u ilizó el chip HV2801, adecuado pa a aplicaciones de al o ol aje. T as el diseño, se inyec a on dos uen es de co ien e independien es pa a gene a una in e e encia. Pa a e i ica el uncionamien o del sis ema, se ealiza on simulaciones en LTSpice y COMSOL. LTSpice se usó pa a simula el sis ema elec ónico en unción de la dis ancia en e los elec odos, mien as que en COMSOL se modeló el medio salino pa a obse a la in e e encia gene ada en un pun o especí ico. Dado que la inalidad del p oyec o es comp oba el co ec o uncionamien o de la ma iz de conmu ación y la disposición de los elec odos, se han empleado medidas más g andes de lo habi ual en el campo de la neu oingenie ía, siendo es o pa a acili a el diseño, dejando ma gen pa a u u as mejo as. La PCB pe mi e el con ol indi idual y simul áneo de cada elec odo y puede u iliza se pa a expe imen os in i o con cul i os neu onales eales. II Abs ac N owadays, he neu os imula ion de ices end o be in asi e, which is no so a ac i e o he majo i y o he popula ion. The aim o his p ojec is designing o a PCB (P in ed Ci cui Boa d) o non in asi e neu os imula ion, ocused on he indi idual con ol o elec odes o injec , in his case, a cu en signal in saline wa e and measu e he elec ic po en ial in a speci ic zone. This p ojec seeks o gene a e an in e e ence made om wo cu en signals wi h a sligh ly di e en equency o c ea e a modula ed elec ic ield, which is a echnique used in non in asi e deep b ain s imula ion. The main challenge o his p ojec was designing a PCB ha connec ed he 32 injec ion elec odes wi h a swi ching ma ix, which is able o con ol analog cu en signals and wi hs and high ol age d ops; as well as connec ing 64 eading elec odes wi h hei measu e pins. The HV2801, which is an in eg a ed ci cui , was used o his ask due o i s esis ance o high ol age d ops. Once he design was inished, wo cu en sou ces we e injec ed o gene a e an in e e ence. Fu he mo e, simula ions we e de eloped in LTSpice and COMSOL o e i y he co ec pe o mance o he sys em. LTSpice was used o simula e he elec onic sys em in unc ion o he dis ance be ween he elec odes, while he in e e ence in saline wa e was modeled in COMSOL. Since he pu pose o he p ojec is achi ing he co ec unc ioning o he swi ching ma ix and he elec odes, la ge dimensions han hose ypically used in he ield o neu oenginee ing ha e been employed, jus o simpli y he design, conside ing u u e imp o emen s. The PCB is able o con ol each elec ode in a simul aneous and indi idual way, and can be used o in i o expe imen s wi h eal neu onal cul u es. III 3.1 Ma iz de conmu ación 5 diseñados pa a pe mi i el lujo de la co ien e eléc ica. Median e es os, es posible c ea una ma iz que in e conec e un pun o X con un pun o Y sin a ec a a los demás, buscando un aislamien o en e los canales pa a e i a el p oblema conocido como "C oss- alk", donde la señal de un canal a ec a a o o. Es e sis ema se u iliza en a ios campos de la ecnología como el audio isual. Además, es os swi ches deben ene una esis encia pequeña al es a ce ados, conocida como "Ron", pa a no a ec a a las o mas de onda u ilizadas [14]. Figu a 3.1 Esquema de una ma iz de conmu ación [ 30 ]. Una ma iz de conmu ación es un dispo- si i o que se enca ga de conec a un núme o Y de en adas con un núme o X de salidas. Es e ins umen o pe mi e conec a cada en ada con cada salida de mane a indi idual, a ec ando en lo mínimo posible a la calidad de la señal. En el campo de la in es igación biomédica exis en in es igaciones y diseños de ma ices de conmu ación aplicados a la neu oes imulación. Dependiendo del diseño, es os pueden an o es imula como lee los impulsos eléc icos a a és de los canales de la ma iz. J. J. Wheele e al. [ 21 ] p esen an un diseño de neu oes imulado implan able de 64 canales, capaz de es imula y lee impulsos eléc icos. Es e diseño se compone de dos c osspoin swi ches de 32x2 canales cada uno. Ac ualmen e, la di icul ad de encon a un c osspoin swi ch con las especi icaciones que necesi a dicho diseño es muy ele ada, po lo que es necesa io busca o o ipo de soluciones, al y como hacen en es e a ículo. G acias a la econ igu abilidad de los canales, es posible usa un mismo swi ch pa a es imula y lee , como se ha comen ado an e io men e, lo que le pe mi e a es e diseño c ea un con ol en bucle ce ado pa a ob ene mayo p ecisión y un meno e o . Es e diseño de ma ices de conmu ación puede aplica se di ec amen e a la es imulación ce eb al p o unda, pe o con un incon enien e: su in asi idad. Al se implan ables, es os ins umen os son comple amen e in asi os, un pun o nega i o que se puede soluciona g acias a la écnica de in e e encia empo al (TI). En el siguien e apa ado se comen a á es a écnica y po qué es an impo an e su es udio. 3.2 Es imulación ce eb al p o unda no in asi a median e in e e encias empo ales 6 3.2 Es imulación ce eb al p o unda no in asi a median e i n e e encias empo ales La es imulación ce eb al p o unda se basa en la inyección de señales de co ien e median e elec odos en zonas especí icas del ce eb o, como se ha comen ado an e io men e, p o- ocando di e en es enómenos in oluc ados en la ac i idad neu onal, que dependen de la ampli ud y ecuencia de la señal y de la isiología de cada egión neu onal. [ 2 ]. Es e mé odo es in asi o, algo que lo hace poco a ac i o debido a la ci ugía necesa ia pa a implan a los elec odos. Debido a es o, se buscó una al e na i a, la cual es ela i amen e nue a, donde se hace uso de la ísica de ondas pa a gene a in e e encias empo ales. El mé odo de in e e encias empo ales (TI) u iliza las in e e encias en e señales de co ien e pa a gene a una onda po ado a enca gada de la elec oes imulación. Pa a ello, se ha á uso de uen es de co ien e con una al a ecuencia, po ejemplo ≥ 1 kHz. Es as ecuencias no son capaces de ac i a la espues a eléc ica neu onal, pues o que las neu o- nas poseen una ca ac e ís ica in ínseca que no pe mi e la ac i ación con señales de al a ecuencia, ac uando como una especie de il o paso de baja en la memb ana celula [ 27 ]. Aplicando dos ondas sinusoidales de igual ampli ud y con ecuencias lige amen e dis in as, gene a án una ib ación en un pun o cuya ampli ud a ia á con el iempo. Es e enómeno se denomina ba ido, o mado po una onda po ado a, que se á isible en el g á ico, y una onda en ol en e, que de ine la ampli ud de la po ado a [16]. Figu a 3.2 In e e encia de dos ondas con ecuencia lige amen e di e en e. En la igu a apa ecen dos ondas con una ecuencia di e en e. Es a di e encia es pequeña, gene ando así la in e e encia ep esen ada una ez que ambas señales se suman. La in e e encia o ba ido end á una onda po ado a, que es la onda isible eniendo una ecuencia simila a las señales an e io es; y una onda en ol en e que de ine la ampli ud de la po ado a. La ecuencia de la onda en ol en e o de ba ido end á un alo de 1− 2=∆ y la ecuencia de la onda po ado a end á un alo de ( 1+ 2)/2 , po lo que, en es e caso de es udio, aplicando 1=1000 Hz y 2=1010 Hz se ob end á una ecuencia de ba ido de 10 Hz. Es a baja ecuencia es capaz de gene a los po enciales de acción necesa ios en una zona p o unda del ce eb o sin necesidad de implan a los elec odos [27] . 3.3 Respues a eléc ica de una neu ona 7 3.3 Respues a eléc ica de una neu ona Pa a en ende y modela el compo amien o de una neu ona y sus po enciales de acción, es necesa io comp ende la bio ísica de la célula neu onal y de ini las ecuaciones de Hodgkin-Huxley[ 17 ]. Es as ecuaciones modelan la espues a eléc ica de una neu ona en su memb ana dependien e de la ensión ex acelula aplicada. Se desc ibi á a con inuación la es uc u a básica de la neu ona y cómo eacciona an e los campos eléc icos. 3.3.1 Es uc u a y compo amien o de la neu ona A con inuación, se desc ibi á la es uc u a de las neu onas, comenzando po las dend i as y los axones, que se enca ga án de ansmi i los es ímulos químicos y eléc icos de una neu ona a o a. La dend i a se enca ga de la ecepción del es ímulo que eacciona gene ando po enciales de memb ana, los cuales se a enúan a medida que nos alejamos de la zona es imulada. El axón esponde a la es imulación gene ando po enciales de acción, que se p opagan po es e hacia los ex emos donde se p oduci á la ansmisión [ 34 ]. Además, exis en neu onas, p incipalmen e en las zonas p o undas del ce eb o, que poseen un axón cubie o po mielina, una capa aislan e compues a po p o eína y sus ancias g asas, que es la esponsable de la ansmisión ápida y e icien e de los impulsos eléc icos [3]. También es necesa io de ini la sinapsis, siendo es a una conexión en e el ex emo de una neu ona y o a célula, la cual puede se o a neu ona, una célula muscula o una glandula . Los impulsos ne iosos se ansmi en median e sus ancias químicas llamadas neu o ansmiso es [4]. Figu a 3.3 Pa es de la neu ona [ 32 ]. En las neu onas, el es ímulo es cap ado po las dend i as, que lo ansmi en al soma gene ando un po encial de memb ana. Si el es ímulo es lo su icien emen e ue e, el axón ansmi i á la in o mación hacia o a célula median e la gene ación de po enciales de acción. La ansmisión en e neu onas y células se ealiza g acias a la sinapsis, una conexión en e el ex emo del axón y o a célula. 3.3 Respues a eléc ica de una neu ona 8 3.3.2 Po encial de acción El cue po humano es eléc icamen e neu o, es deci , se compone de una can idad equili- b ada de iones con ca ga ne a posi i a e iones con ca ga ne a nega i a. Po el con a io, a ni el celula , en las neu onas sí se p oduce una pequeña di e encia de ca ga en e los iones posi i os y nega i os den o y ue a de la célula, la cual se denomina po encial de memb ana. Además, es os iones ienden a di igi se hacia la ca ga opues a, debido a la di e encia de po encial conocida como g adien e eléc ico, y hacia el luga de meno concen ación, debido a la di e encia de concen ación de iones en e el in e io y ex e io de la célula, conocida como g adien e químico. El po encial de memb ana suele encon a se en unos -70 mV, lo que hace que las neu onas es én pola izadas. Po lo gene al, es as células poseen más po asio y menos sodio en el in e io que en el ex e io . Es as concen aciones a ían según el es ado de los canales iónicos, unas p o eínas localizadas en la memb ana que dejan en a y sali los iones de sodio y po asio [5]. Figu a 3.4 Canales iónicos del po asio (K+), sodio (Na+) y calcio (Ca2+) [ 6 ]. En la imagen se mues an los canales iónicos en eposo, man eniendo un lujo de salida de po asio y la en ada del sodio cons an e, gene ando el po encial de acción. En eposo, los canales iónicos man ienen el lujo de salida del po asio y de en ada del sodio, gene ando el po encial de eposo. Cuando se p oduce el impulso ne ioso, ocu e un cambio en la pe meabilidad de la memb ana, lo que p oduce una in e sión de la pola idad de es a. Es o se conoce como el po encial de acción, el cual llega has a los 30 mV. Es e p oceso ocu e en el axón de la célula, donde se ab en nue os canales iónicos que p oducen la in e sión de sus ancias. Los neu o ansmiso es se enca gan de modi ica los canales de en ada o salida uniéndose a un ecep o . Según el ipo de neu o ansmiso el po encial de memb ana se ol e á menos nega i o (despola ización) o más nega i o (hipe pola ización). La despola ización pe mi i á la p oducción del po encial de acción, pe o el ol aje necesi a sob epasa un po encial umb al de -50 mV pa a que el impulso ne ioso se p oduzca [5]. 3.3 Respues a eléc ica de una neu ona 9 El es ado de despola ización se man end á has a que se in ie a (sob e i o) alcanzando un máximo, an e io men e de inido en unos 30 mV. Finalmen e se p oduci á la epola ización, donde se uel e a busca el es ado de eposo median e el cie e de los canales iónicos [ 29 ]. Figu a 3.5 Fases del po encial de acción [ 29 ]. El po encial de acción es, en ealidad, un p oceso de a ias e apas. La p ime a es la despola ización, p oducida si el impulso eléc ico ha conseguido aumen a el po encial de eposo has a el po encial umb al, de unos -50 mV. De es a o ma se in ie e la pola idad has a alcanza un po encial de 30 mV, enómeno llamado sob e i o. Finalmen e se p oduce la epola ización pa a eg esa al es ado de eposo. 3.3.3 Modelo Hodgkin-Huxley El modelo de Hodgkin-Huxley [ 17 ] desa olla de mane a ma emá ica el lujo de co ien e eléc ica que pasa a a és de la supe icie de la memb ana, que se de ine median e un ci cui o eléc ico con encional. Se modelan an o los canales iónicos p incipales (I Na y I K ) como los canales de "pé didas" (I l ), o mados po iones de clo o y o os iones, además de los po enciales de equilib io de cada canal (E Na , E K y E l ). C M co esponde a la capacidad que exis e en e el ex e io y el in e io de la memb ana y R Na , R K y R l se e ie en a la esis encia eléc ica de cada canal iónico. La co ien e que a a iesa el condensado es la esponsable del balance de cada canal iónico, cuya ó mula podemos ob ene median e las leyes de Ki cho : ∑I=ICm +INa +IK+Il=0,(1) Sabiendo que la ecuación del condensado es iCm =CmdV d , sus i uyendo en la ecuación 1: dV d =−1 Cm(INa +IK+Il),(2) 3.3 Respues a eléc ica de una neu ona 10 Donde V es el desplazamien o del po encial de memb ana desde su alo de eposo. Figu a 3.6 Equi alen e eléc ico de la memb ana celula [ 17 ]. La memb ana celula se modela median e una capacidad en e el ex e io (ou side) y el in e io (inside) de la célula, y los canales iónicos, ep esen ados po un cie o po encial de equilib io y una esis encia eléc ica, p opios de cada canal. Tan o la co ien e conducida po cada canal como la di e encia de po encial gene ada en e el ex e io y el in e io de la célula pod án se calculados g acias a las ecuaciones di e enciales de Hodgkin-Huxley. A pa i del modelo, podemos deduci las ecuaciones pa a ob ene las co ien es de los canales iónicos. Tenemos que 1 Ri=gi , siendo i = Na, K y l y E el po encial de eposo, -70 mV. En onces: INa =gNa(V−ENa +E ),(3) IK=gK(V−EK+E ),(4) Il=gl(V−El+E ),(5) Siendo gluna cons an e de conduc ancia, gNa ygK end án alo es de: gNa =m3hgNa,(6) gK=n4gK,(7) El modelo de Hodgkin-Huxley ambién con empla la dinámica de los canales iónicos, implemen ando las asas de cambio de ape u a y cie e de es os. Las a iables de compue a son m,nyhy es as de e minan si el canal es á abie o (1) o ce ado (0), a iando en e dichos alo es. Las asas de cambio se de inen como αi y βi , siendo i = Na, K y l, y son 3.3 Respues a eléc ica de una neu ona 11 u ilizadas pa a el cálculo de las a iables de compue a de la siguien e o ma: dn d =αn(1−n)−βnn,(8) dm d =αm(1−m)−βmm,(9) dh d =αh(1−h)−βhh,(10) Es as asas de cambio pueden se calculadas a pa i del po encial de memb ana, V (mV), de la siguien e o ma: αn=0.01(V+10) exp(V+10 10 )−1,(11) βn=0.125exp(V 80),(12) αm=0.1(V+25) exp(V+25 10 )−1,(13) βm=4exp(V 18),(14) αh=0.07exp(V 20),(15) βh=1 exp V+30 10 +1,(16) G acias a es as ecuaciones, es posible modela el compo amien o de una neu ona. Es e modelo se implemen a á en COMSOL Mul iphysics, c eando una capa ce eb al con una espues a neu onal an e un impulso. Es a simulación se desa olla á pos e io men e en el Capí ulo 5. 4 Ges ión del p oyec o G es iona un p oyec o de ingenie ía es una a ea que equie e iempo su icien e pa a plani ica lo y desa olla lo adecuadamen e. La ges ión es necesa ia pa a pode con- ola y ealiza las a eas de mane a e ec i a y así pode cumpli los obje i os es ablecidos en un iempo limi ado. En es e capí ulo, se desc ibe la ges ión del p oyec o, así como el cos e o al y los p oblemas en en ados a lo la go del desa ollo del abajo. 4.1 Plani icación Es e abajo inal de g ado se ha ealizado en e los meses sep iemb e de 2023 y agos o de 2024, siendo los úl imos cinco meses los más impo an es, debido a que en es e pe iodo ue cuando se empezó el e dade o desa ollo del p oyec o. El p oyec o se di ide en cua o g andes apa ados pa a pode alcanza los obje i os es ablecidos. Es os son la in es igación eó ica, la me odología, la expe imen ación y la edacción de la memo ia. A con inuación se desa olla cómo se lle ó a cabo cada uno en o den c onológico: • La in es igación eó ica no se adap a a un pe iodo limi ado de iempo, ya que se han enido que hace di e sas in es igaciones a lo la go del p oyec o. Es as consul as se han ealizado, en p incipalmen e, du an e el es udio de las ma ices de conmu ación, además del es udio del diseño de PCB y de la bibliog a ía ele an e sob e neu oinge- nie ía y neu oes imulación. También se ha eque ido in es iga an o LTSpice como COMSOL Mul iphysics pa a amilia iza se con el p og ama e in es iga cómo pode implemen a lo eque ido po el sis ema. 12 4.1 Plani icación 13 • Con espec o a la me odología, es a se di ide en la simulación, haciendo uso de LTSpice y COMSOL, y en el diseño de la PCB en KiCAD. En p ime luga , se ealizó el diseño de la PCB y la elección del in eg ado HV2801 pa a la ma iz de conmu ación. Pos e io men e, se ealiza on las simulaciones necesa ias pa a e i ica el co ec o uncionamien o del p o o ipo. • La expe imen ación es una de las pa es más impo an es del p oyec o, siendo es a la que e i ica que el diseño unciona. Haciendo uso del ins umen o ecep o de INTAN Technologies y de los con e ido es de ol aje a in ensidad, se pudo e i ica que la placa uncionaba co ec amen e. • Finalmen e, se encuen a la memo ia, en la que se edac an odas las a eas y la in o - mación necesa ias que se han lle ado a cabo pa a consegui los obje i os p opues os. A con inuación se mues a un diag ama de Gan con odas las ac i idades desa olladas a lo la go del p oyec o, de mane a que se o ganizan según las 4 e apas desa olladas an e io men e. Año Mes 2023 2024 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 In es igación eó ica Es udio del diseño de PCB Ma iz de conmu ación Es udio de LTSpice Es udio de COMSOL In es igación sob e neu oingenie ía Me odología Elección ma iz de conmu ación Diseño PCB Simulación LTSpice Pedido PCB Simulación COMSOL Pedido HV2801 Soldadu a in eg ados Deposición de o o Expe imen ación Expe imen os Memo ia Redacción de la memo ia En ega Final 4.3 Riesgos 14 4.2 Cos es o ales En es a sección, se con a án exclusi amen e los cos es gene ados po el alumno, debido a que oda la ins umen ación ue ob enida del labo a o io y no se dispone de dicha in o mación. En es e caso, los cos es de los pedidos engloban a la PCB y a los in eg ados: Tabla 4.1 Cos e o al. Elemen o Unidades Cos e uni a io (€/ud) Cos e de en ío (€) Impues os (€) Descuen o (€) Cos e (€) PCB 5 33.18 36,87 55,14 -4,51 253.40 HV2801 6 30.20 0.00 0.00 0.00 181.20 TOTAL 434.60 4.3 Riesgos En odo p oyec o exis en iesgos, que pueden debe se a los pedidos o a los e o es que pueden sucede du an e el p opio diseño y las p uebas. Los iesgos de ec ados son los siguien es: • Incapacidad pa a ealiza las simulaciones. A pesa de odo el es udio posible sob e los en o nos de simulación, exis e la posibilidad de no ealiza las simulaciones de mane a sa is ac o ia. Es o es debido a la di icul ad de encon a los modelos especí icos usados en es e p oyec o pa a simula los y e sus compo amien os. • Pedido online, an o de la PCB como de los chips. Siendo necesa ia la adquisición de es os componen es pa a el mon aje del p o o ipo, es lógico pensa que los iempos de en ega puedan supone un iesgo pa a el p oyec o. Es o debido a que si la en ega se e asa o se cancela po algún p oblema de logís ica, pod ía e asa el a ance del abajo du an e semanas. • La PCB y los in eg ados no uncionan co ec amen e. Una ez ealizado el diseño y pedida su ab icación, es posible que los expe imen os no sean sa is ac o ios, debido a un mal uncionamien o de los chips, de la PCB o incluso del mic ocon olado , el cual puede no es a p epa ado pa a abaja con es os chips. A pesa de es o, no odos los iesgos deben p oduci se inalmen e, pues o que algunos pueden se e i ados. El p ime o puede e i a se adap ándose a los conocimien os o a los ecu sos encon ados, buscando un esul ado lo su icien emen e sa is ac o io como pa a alida la simulación. 5.1 LTSpice 21 Figu a 5.4 Simulación con impedancia in ini a. Se puede obse a que las señales de co ien e se conducen de mane a pe ec a, demandando una ensión demasiado al a en a ias ocasiones. La conmu ación de los in e up o es es p ecisa, ac i ando en p ime luga la conexión a ie a y pos e io men e la uen e. A con inuación, se mos a án las señales ob enidas empleando el limi ado de ensión. Como se ha comen ado, es e limi ado es a o mado po 2 diodos y 2 uen es de ensión, que limi a án la ensión máxima del disposi i o, al y como lo ha ía una uen e de co ien e eal. Figu a 5.5 Simulación con limi ación. Una ez limi ada la ensión máxima, se puede obse a cómo la señal en el e ce caso sa u a, po lo an o no se conduce co ec amen e. 5.1 LTSpice 22 En la igu a an e io se puede obse a un caso más ealis a en el que, cuan o mayo sea la esis encia en e elec odos, peo se á la ansmisión de co ien e en e ellos. Si se modela a la uen e de co ien e eal en LTSpice, se pod ían ob ene alo es más ace ados, pe o es de ayuda sabe cuán o a ia á la calidad de la señal con espec o a la dis ancia de los elec odos que usemos pa a neu oes imula . Finalmen e, se ha simulado la uen e de co ien e u ilizando un con e ido , como se comen ó en el an e io apa ado. Es e con e ido iene una ganancia de 1 mA/V, po lo que se in oduci á una sinusoidal de 1.5 V y 1 kHz. A con inuación se mues a el esul ado de la simulación: Figu a 5.6 Simulación con Howland. Al igual que la an e io simulación, la ensión sa u a en el e ce caso, ya que el Howland, al se un ampli icado eal, sopo a una cie a ensión máxima. En es e úl imo caso, podemos obse a que el Howland, al no se un con e ido ideal, ie- ne una ensión de sa u ación. Es a ensión sa u ada, ap oximadamen e 12 V, se á semejan e a la que se p oduci á en la ealidad. Del mismo modo, se puede obse a que la señal de co ien e se ansmi e de mane a adecuada an o en la mínima dis ancia como en la máxima, siendo el único limi an e la ensión de sa u ación del OPAMP. Es o signi ica que en es a aplicación, la dis ancia en e los elec odos no supond á ningún p oblema pa a la calidad de las señales ansmi idas. 5.2 COMSOL Mul iphysics 23 5.2 COMSOL Mul iphysics La segunda simulación se desa olla en COMSOL Mul iphysics, una pla a o ma de si- mulación que p opo ciona capacidades de modelado mul i ísico y mono ísico o almen e acopladas, además de simulación de diseños de disposi i os [ 9 ]. En es e caso, se modela á el ecipien e jun o con los elec odos de inyeccción pa a simula la in e e encia de ondas empo al (TI). Pa a comenza , se desc ibi án la geome ía y los ma e iales del modelo. Se c ea á un cilind o de 50 mm de adio y 10 mm de p o undidad, el cual simula á el medio salino po donde se ansmi i án los campos eléc icos. En la base de es e cilind o se c ea á un plano de abajo en el que se coloca án 4 cí culos pa alelos a es e, cuya uncionalidad se á simula los elec odos eales que end án un diáme o de, ap oximadamen e, 5 mm. Los elec odos se coloca án a la misma dis ancia a la que es án en la placa eal. Sus posiciones en el espacio son las siguien es de izquie da a de echa, siendo "elec odo" el diáme o de los elec odos: Tabla 5.1 Medidas elec odos. Elec odo x (mm) y (mm) z (mm) 1 0 -50+1+elec odo/2 0 2 50-14.3-elec odo/2 -50+14.3+elec odo/2 0 3 50-1-elec odo/2 0 0 4 50-14.3-elec odo/2 50-14.3-elec odo/2 0 De la abla se puede supone que cada elec odo es a á sepa ado del cen o del medio salino 49 mm, siendo las medidas de 14.3 mm y 1 mm ob enidas a pa i del diseño en KiCAD, el cual se explica á pos e io men e [Véase en Capí ulo 6], cuya disposición se mues a en la Figu a 5.7. La malla se c ea á con la opción de e aed o lib e, un p oceso que di idi á la geo- me ía en pequeños elemen os en los que se esol e án las ecuaciones de inidas en la simulación, conocido como mé odo de los elemen os ini os (FEM). Es e p oceso debe á mejo a el esul ado cuan o más pequeños sean los elemen os pe o se á más demandan e compu acionalmen e, po lo que se deja án las opciones po de ec o en el p og ama [31]. 5.2 COMSOL Mul iphysics 24 El modelo queda á de la siguien e o ma: Figu a 5.7 Modelo en COMSOL. El cilind o simula el medio salino, siendo es e modelado con una conduc i idad y una cons an e dieléc ica especi icas pa a un sue o isiológico de 0.9% de NaCl. Po o o lado, los cí culos implemen ados en la ca a in e io del cilind o son los elec odos, a los que se le aplica á las ca ac e ís icas del o o. Se usa án dos ipos de ma e iales: medio salino y o o. El medio salino se aplica á en el cilind o p incipal y end á una conduc i idad de 12 mS/cm [ 20 ] y una cons an e dieléc ica de 80 [ 15 ], alo es omados eniendo en cuen a una si uación o dina ia con un sue o isiológico de 0.9% de NaCl. Pa a las p opiedades eléc icas del o o, aplicado en los elec odos, se ha u ilizado el modelo incluido en COMSOL y se han con as ado con los es udios ecogidos po el MIT [ 28 ]. Finalmen e, es impo an e desc ibi la ísica u ilizada en el sis ema. Pa a es e modelo, se ha u ilizado el módulo AC/DC de co ien es eléc icas y se ha consul ado el manual de COMSOL [ 26 ]. Con es e módulo se incluyen las ecuaciones siguien es: - Conse ación de la co ien e: ∇J=Qj, ,(1) J=σE+Je,(2) - Aislamien o eléc ico: nJ =0,(3) Las ecuaciones 1 y 2 se u iliza án en odo el dominio, mien as que la ecuación 3 se usa á en odos los con o nos menos en los elec odos, en los que se les selecciona á un e minal de co ien e o una conexión a ie a. La co ien e gene ada po es os elec odos se á una sinusoidal, pe o di e en e según cada uno. El p ime elec odo inyec a á una co ien e 5.2 COMSOL Mul iphysics 25 I1=Asin(2π 1 ) mA, el segundo es a á conec ado a ie a, el e ce o a ie a y el cua o inyec a á I2=Asin(2π 2 ) mA, siendo A = 1 mA, 1 = 1000 Hz y 2 = 1040 Hz. Es o nos pe mi i á e la in e e encia en e es as señales de co ien e de 40 Hz de en ol en e. 5.2.1 Resul ados Una ez implemen ados los ma e iales y la geome ía del modelo, se p ocede a ealiza un es udio empo al de 30 ms, pa a ob ene , al menos, un pe iodo de la in e e encia. En COMSOL se pueden de ini sondas pa a medi alo es especí icos en el dominio o al u o o componen e del diseño. En es e caso, se medi á el po encial o al del dominio y el po encial en un pun o especí ico. Pa a simpli ica , medi emos en el cen o de la ca a in e io del cilind o. A con inuación, se p esen an los esul ados de la simulación compu acional: Figu a 5.8 In e e encia en e dos señales. En la imagen se pueden obse a 3 señales di e en es. La señal A co esponde con la co ien e de 1040 Hz inyec ada po el elec odo 4. La g á ica C ep esen a la co ien e de 1000 Hz aplicada desde el elec odo 1. La señal B co esponde con la in e e encia gene ada po las dos an e io es, componiéndose po una onda po ado a de (1000 +1040)/2=1020 Hz y una onda en ol en e de 40 Hz. 5.2 COMSOL Mul iphysics 26 Como se puede obse a , se ha ob enido la in e e encia espe ada con un pe iodo de 25 ms, o ecuencia de 40 Hz, y se en cla amen e la señal po ado a y la señal en ol en e. Es a simulación pe mi e e i ica el co ec o uncionamien o de la in e e encia de ondas con la disposición p opues a de elec odos. Además, COMSOL nos pe mi e e el lujo de la co ien e a a és del sólido. En la Figu a 5.9 se mues a un p ime caso de la simulación, en el que podemos e como los lujos de co ien e co esponden a los campos eléc icos en e el elec odo 1 y 2 y el 3 y 4. Pos e io men e, cuando han pasado a ios segundos, los momen os en los que el elec odo 1 y el 4 son posi i os o nega i os ya no coinciden. En el caso 2 se puede obse a como un elec odo es más posi i o y el o o es más nega i o, c eando un lujo de co ien e en e ambos. (a) Caso 1. (b) Caso 2. Figu a 5.9 Momen o inicial, (a). Si uación pasados unos milisegundos, (b). Se puede obse a que, en la si uación inicial, ambos elec odos enca gados de inyec a la co ien e ac úan como uen es, mien as que en la imagen b, uno de ellos es uen e y el o o es sumide o, debido a esa pequeña di e encia en ecuencia. 5.2 COMSOL Mul iphysics 27 G acias a es o podemos en ende cómo se p oducen es as in e e encias y qué debe íamos espe a de es a disposición. Sin emba go, al a a se de una simulación, se puede espe a que, en los expe imen os eales, la in e e encia no sea pe ec a debido a a ios ac o es, como que la impedancia de los elec odos a íe, que los iempos de conmu ación del ha dwa e in e ie an en la calidad de las señales, que el sue o isiológico no enga exac amen e la misma concen ación de NaCl e, incluso, que los demás elec odos no u ilizados in e ie an en la ansmisión. A pesa de ello, los esul ados de la simulación son a o ables y nos ga an izan que el p o o ipo es ac ible. 5.2.2 Capa neu onal en COMSOL En es e apa ado se mos a á una modi icación del modelo en COMSOL an e io men e desc i o. Es e añadido consis e en simula una capa de ce eb o con una neu ona, la cual eacciona á a la co ien e aplicada. Comenzando con la capa ce eb al, se ha elegido una capa de ma e ia blanca, siendo es a la pa e del ce eb o más p o unda (subco icales), compues a de neu onas cuyos axones es án odeados de mielina [ 10 ]. Es a capa iene una pe mi i idad eléc ica de 38.79 y una conduc i idad de 0.6 S/m [ 23 ]. Es os da os se han implemen ado en el modelo como ma e ial y se ha aplicado en la capa an e io de medio salino sus i uyendo la p o undidad po 5 mm, pa a ace ca la simulación a lo que se ía una ina capa del ce eb o. Se ha añadido un segmen o que simula á una es uc u a celula , al y como se mues a en la siguien e igu a: Figu a 5.10 Modelo capa neu onal. El sue o isiológico es eemplazado po ma e ia blanca y se ha añadido una es uc u a 1D, simulando una neu ona. Se implemen a án las ecuaciones di e enciales de HH is as en Capí ulo 3, en el con o no de es e segmen o, modelando así el compo amien o de una neu ona en su o ma más básica. 5.2 COMSOL Mul iphysics 28 En es e caso, el es ímulo u ilizado end á o ma de pulso, cuya magni ud se á de 0.6 mA y se man end á ac i ado du an e 2 ms. Su p opagación en ol ios se puede e en la siguien e g á ica: Figu a 5.11 Pulso inyec ado. Se inyec a un pulso cuad ado pa a comp oba el co ec o unciona- mien o del modelo. Como esul ado, ob enemos un po encial de acción simila a lo is o en el Capí ulo 3, ob- eniendo un po encial en eposo de -70 mV y un pico de 30 mV, ap oximadamen e. Aunque es e modelo no es pe ec o, da paso a posibles mejo as y simulaciones u ilizando la écnica de in e e encias empo ales. Es e modelo puede se mejo ado añadiendo las ca ac e ís icas de espues a de la célula an e señales sinusoidales de al a ecuencia, pe mi iendo, en un u u o, implemen a las in e e encias empo ales en el modelo. Figu a 5.12 Po encial de acción. El po encial ob enido co esponde con un po encial de acción, comenzando en -70 mV y llegando a unos 30 mV, ap oximadamen e. 6 Diseño de la PCB S e explica á, a con inuación, el diseño de la PCB, la sección más impo an e del p oyec o. La di icul ad de es e diseño adica en la implemen ación de una ma iz de conmu ación capaz de con ola 32 elec odos de mane a p ecisa. 6.1 In eg ado HV2801 El obje i o de la placa elec ónica es log a la posibilidad de conec a lib emen e señales de co ien e a cualquie elec odo de inyección en cualquie momen o, de hecho, se ía posible conec a a ios elec odos a la ez a la misma uen e. Pa a la elección de los chips, se han seguido los equisi os de es a aplicación. Es necesa io que es os in eg ados puedan conmu a señales de co ien e sin a ec a a la calidad de es as, es deci , no deben modi ica las. Además, se á necesa io que es a elec ónica pueda sopo a caídas g andes de ensión, p o ocadas po la subida inespe ada de la impedancia de los elec odos. Po úl imo, deben se áciles de p og ama y de solda a la placa, simpli icando así su u ilización. Siguiendo es os equisi os se decidió u iliza el chip HV2801 [ 24 ], un swi ch in eg ado con 32 canales 2 a 1, es deci , cada salida iene dos en adas. Es e IC es u ilizado en aplicaciones de al a ensión, pudiendo alcanza has a 100 V, siemp e y cuando se alimen e con es e mismo ol aje. Es capaz de ansmi i señales de co ien e analógica de al o ampe aje, algo que no es habi ual en o os swi ches. La p og amación de es e chip es sencilla, uncionando median e el p o ocolo SPI u ilizando 32 bi s. Los iempos de conmu ación de es e chip son muy pequeños y, aunque hay que ene los en cuen a, bas a á con deja unos milisegundos en e cada acción pa a asegu a que uncione co ec amen e. Uno de los pun os nega i os de es e chip es la soldadu a, ya que poseen un encapsulado QFN. El p oblema con la soldadu a adica en la al a de maquina ia pa a pode solda los in eg ados a la PCB. La opción de pedi la soldadu a a la emp esa p o eedo a se desca ó debido a que es o enca ecía el p ecio de la placa, po lo que se decidió solda los en la 29 6.1 In eg ado HV2801 30 uni e sidad. Se pidió ayuda a los écnicos de labo a o io de la ETSI, Agus ín Díaz y And és Gonzalez, aunque no se ob u o un esul ado sa is ac o io. La maquina ía u ilizada e a an igua y no pudo solda co ec amen e los chips a la placa, como podemos e en la siguien e imagen: Figu a 6.1 Soldadu a ine icien e. Se puede obse a que los pads del chip no es án en con ac o con la PCB, haciendo así que es a no uncione co ec amen e. Se puede obse a que la soldadu a no es á co ec amen e ealizada, siendo únicamen e el pad cen al el que es á soldado. Ap o echando es a si uación, se solda on los pads a mano median e un soldado con encional y lux, quedando soldados de la mejo mane a posible. Figu a 6.2 Soldadu a co ec a. En es e caso, la soldadu a es á co ec a, eniendo los pads del in eg ado o almen e soldados a la PCB. 6.2 Placa de ci cui o imp eso (PCB) 37 6.2.3 Adap ado es Omne ics Finalmen e, es necesa io comen a el sis ema de medida. En la PCB se encuen an a ias hile as de pines de medida, que se encuen an a la de echa de la placa y ce ca de uno de los in eg ados, siendo es os úl imos pun os de medidas de ácil acceso po si ue an necesa ios. Los pines si uados a la de echa de la placa es án dispues os en g upos de 4 ilas con 8 pines cada una, eniendo la dis ancia de sepa ación en e ellas co espondien e a las medidas del adap ado Omne ics. Es os adap ado es son necesa ios debido a la necesidad de conec a los elec odos ecep o es al disposi i o de lec u a de INTAN, que es capaz de lee los 64 elec odos a la ez. Es e disposi i o es á conec ado a una pequeña e apa ampli icado a que u iliza la conexión llamada Omne ics. Debido a que los conec o es Omne ics ienen un p ecio ele ado si se quie en solda a la p opia PCB, se han u ilizado es os adap ado es ya disponibles en el labo a o io. Pa a una co ec a conexión en e los pines hemb a de la placa y los pines del adap ado , se ha impo ado al diseño uno es os disposi i os, pa a así diseña las ilas de pines de mane a co ec a. El modelo es el siguien e: Figu a 6.8 Adap ado Omne ics. Es e adap ado es necesa io pues o que la en ada al ampli icado u ilizado iene un o ma o Omne ics, po lo que la solución más sencilla es implemen a es os adap ado es. Como se puede obse a , el conec o Omne ics se encuen a a la izquie da del adap ado y se iene 34 pines. 32 de ellos co esponden a los p opios elec odos, mien as que los o os dos, los que se encuen an en la ila supe io e in e io a la izquie da, son los co es- pondien es a GND y a REF. Es os pueden i soldados al elec odo más ce cano, aunque pos e io men e se pueden elegi median e so wa e. 6.2 Placa de ci cui o imp eso (PCB) 38 Finalmen e, se ealiza á el en u ado de las pis as, eniendo como esul ado el siguien e layou : Figu a 6.9 En u ado PCB. El en u ado de la PCB se ealizó u ilizando 4 capas y unas dimensiones lo su icien emen e g andes pa a una colocación sencilla de los componen es, disminuyendo así el iesgo de e o es en el uncionamien o de la placa. 6.2 Placa de ci cui o imp eso (PCB) 39 Una ez desc i o odo el p ocedimien o, es posible p oyec a la placa inal en el isuali- zado 3D de KiCAD. Es o nos pe mi e e alguna impe ección que no sea ácil de de ec a en el layou del ci cui o o simplemen e pa a ec ea la placa inal. El diseño 3D inal puede e se en la siguien e imagen: Figu a 6.10 Rep esen ación 3D del ci cui o. 7 Expe imen ación y esul ados P a a comenza con el expe imen o, se deben de ini algunas ca ac e ís icas del mé odo de medida. En la expe imen ación se u iliza á el lec o de da os de INTAN, que cons a de 2 canales de en ada y 2 de salida, en es e caso se usa án solo las en adas, ya que el obje i o es medi los po enciales gene ados en el medio salino. El so wa e de INTAN Technologies es un p og ama g a ui o di igido al campo de la neu oingenie ía el cual pe mi e medi señales y p ocesa las, de mane a que es posible aplica il os a la señal pa a cen a nos en ecuencias especí icas o, incluso, il a los spikes, en el caso de medi neu onas eales [ 33 ]. G acias a es e so wa e, se á posible lee y gua da la in o mación una ez ealizado el expe imen o O a indicación impo an e a a sob e el p opio adap ado , pues es e medi á los elec odos conec ados a sus pines, ma cados con núme os. Sin emba go, el so wa e de INTAN los in e p e a á de mane a di e en e, po lo que el elec odo 1 en INTAN no se á el mismo elec odo 1 de nues a placa [Véase en Sección B.1]. Finalmen e, an es de pasa a los esul ados, se de alla á el mon aje u ilizado, además del ol aje u ilizado en la alimen ación. A con inuación, podemos e el esquemá ico de los pines de alimen ación y de señal, algo que nos ayuda á a en ende los siguien es pasos: Comenzando con la uen e de alimen ación, es a se con igu ó pa a da la mayo ensión posible, en es e caso ± 33 V, pa a ace ca nos lo máximo posible a la ensión ecomendada po el ab ican e, ±40 V. Es a i á conec ada a los pines Vpp yVnn. 40 7.1 P ime expe imen o 41 Sob e el con ol, se u iliza á un A duino UNO pa a desempeña es a unción. Es e i á conec ado a los siguien es pines: Tabla 7.1 Conexiones del A duino a la PCB. Pin A duino UNO Pin PCB X CLR1 X LE1 X CLR2 X LE2 7 CLR3 2 LE3 8 CLR4 4 LE4 11 (COPI) DIN GND GND 13 (SCK) CLK +5V Vdd Debido a que pa a las p uebas únicamen e se han u ilizado 2 in eg ados, los pines CLR1, LE1, CLR2 y LE2 no se han u ilizado, po lo que se ma can con una "X". 7.1 P ime expe imen o Una ez alimen ada la PCB, podemos inicia los expe imen os. El p ime o a a á de comp oba el co ec o uncionamien o de los in eg ados. Pa a ello, se inyec a á una señal de co ien e y se u iliza á una esis encia en pa alelo conec ada a dos elec odos, de o ma que podamos medi el ol aje que se ob iene. Es a señal de co ien e se conec a á a I1 y GND1, de mane a que I1 se conec a á a un elec odo y GND1 a o o. Si el in eg ado HV2801 unciona co ec amen e, debe ía pode medi se un cie o ol aje en e esos dos elec odos. Es e p oceso se ealizó en odos los elec odos pa a comp oba su co ec o uncionamien o y los esul ados ue on posi i os. Como ejemplo, se puede obse a en la siguien e imagen una señal de ol aje medida con un osciloscopio. La señal de ol aje se á mayo cuan o mayo sea la esis encia, en es e caso la co ien e e a de 1 mA y se u ilizó una esis encia de 10 kΩ. 7.2 Segundo expe imen o 42 Figu a 7.1 T ansmisión de señal en IC eal. Al igual que se comp obó con la simulación en LTSpice, las ondas deben se ansmi idas co ec amen e po el swi ch, ya que es e iene una Ron muy baja y no limi a de ninguna o ma la ensión, g acias a su capacidad de sopo a ensiones muy al as. Se ob iene, po an o, el esul ado espe ado como se obse a en la Figu a 7.1. 7.2 Segundo expe imen o Una ez comp obado el co ec o uncionamien o de los swi ches, se pasa á al expe imen o p incipal. Es e consis i á en inyec a dos señales de co ien e con ecuencia lige amen e di e en es pa a c ea una in e e encia con una ecuencia de en ol en e igual a esa di e encia de ecuencia. La p ime a p ueba se ealizó u ilizando únicamen e 32 elec odos, con el obje i o de acili a el análisis pa a una p ime a p ueba. Se inyec ó una co ien e sinusoidal, u ilizando el gene ado de ondas y el con e ido ol aje-in ensidad disponibles en el labo a o io. La p ime a señal es de 2 mA de ampli ud y 1000 Hz y ue inyec ada a a és de los elec odos 25 y 26, ma cados en la PCB. La o a señal es de 2 mA de ampli ud y cuen a con una ecuencia de 1040 Hz, que ue inyec ada po los elec odos 22 y 24. Teó icamen e, la in e e encia esul an e debe á ene una ecuencia en ol en e de 40 Hz, la cual es adecuada pa a p o oca el po encial de acción de una neu ona. Como se comen ó an e io men e, pa a medi los po enciales se necesi a á un adap ado y un ampli icado , que i á conec ado di ec amen e al disposi i o. 7.2 Segundo expe imen o 43 Figu a 7.2 Mon aje del expe imen o. Se conec a án a la placa los pines de señal del A duino, los pines de alimen ación y los adap a es Omne ics conec ados al ampli icado del disposi i o de egis o. Se coloca á el sue o isiológico en el ecipien e y se inyec a án las señales pa a gene a la in e e encia deseada. Pa a comenza el expe imen o, p ime o encendemos el A duino ya que, según el da- ashee , el GND es lo p ime o que debe i conec ado. Pos e io men e, encendemos la ensión de alimen ación. Finalmen e, conec amos el gene ado de ondas a los con e ido es V/I y ca gamos el código al mic ocon olado [Véase en Sección C.1]. 7.2 Segundo expe imen o 44 A con inuación se mos a án los esul ados del expe imen o. Como se puede obse a en la siguien e g á ica, ob enemos inalmen e la in e e encia median e las dos señales inyec adas po los elec odos: Figu a 7.3 In e e encia en el medio salino. Se obse an 32 señales medidas g acias al disposi i o de egis o elec o isiológico, que co esponden con ondas in e e en es en pun os especí icos del ecipien e. 7.2 Segundo expe imen o 45 La o ma de onda coincide con una in e e encia, pe o es complicado dis ingui la en e an os alo es. Pa a simpli ica lo, ac i a emos únicamen e es ecep o es: A-008 ( ecep o alejado de la in e e encia) y A-030 ( ecep o ce cano a la in e e encia). La posición y las señales medidas pueden e se en la Figu a 7.4. Figu a 7.4 Elec odos de egis o elegidos. En la imagen se mues an los esul ados ob enidos. Ambas g á icas coinciden con una señal in e e en e de 40 Hz, sin emba go la g á ica A es menos p ecisa que la B. Sabiendo que la in e e encia debe ene una zona en la que ambas señales aplicadas se cancelen, algo que no ocu e en la g á ica A. Se puede conclui que cuan o más lejos es é el elec odo más impe ec a se á la in e - e encia, de mane a que no posee á una onda en ol en e an de inida. Además, no solo es o in luye, ambién hay que ene en cuen a la impedancia indi idual de cada elec odo, pues o que es o puede lle a a cambios en el po encial medido. Po o o lado, se p odujo un p oblema con uno de los con e ido es V/I, ya que no ue capaz de ans o ma pe ec amen e la señal de ol aje a co ien e. Pa a con as a es o, se ha medido en el ins umen o INTAN una si uación en la que sólo una uen e es á ac i ada. A con inuación, se puede comp oba que la señal 1 se ansmi e pe ec amen e, man eniendo el CLR4 ac i ado [Véase en Sección C.2]. Sin emba go, cuando la señal 2 es conec ada en soli a io, man eniendo CLR3 ac i o [Véase en Sección C.3], se ob iene una señal sinusoidal i egula , posiblemen e po el mal uncionamien o del con e ido , como puede obse a se en la Figu a 7.5. 7.2 Segundo expe imen o 46 (a) Señal 1. (b) Señal 2. Figu a 7.5 Señal gene ada con p ime con e ido , (a). Señal gene ada con segundo con e ido , (b). Se puede obse a que el p ime con e ido p oduce una señal sinusoidal de mane a co ec a, mien as que el segundo alla en man ene la ampli ud cons an e, algo que in luye en la calidad de la in e e encia. También se hizo el expe imen o u ilizando los 64 elec odos, como se puede obse a en la siguien e imagen. Es o pe mi e ene muchos más pun os de medida, lo que puede se de u ilidad si que emos medi un pun o en especí ico que se encuen e en una zona donde con 32 elec odos no es posible medi de mane a an p ecisa. Como se puede obse a en la Figu a 7.6, a la izquie da se encuen a el p ime canal y a la de echa el segundo. Ambos uncionan simul áneamen e y pueden se il ados g acias a las he amien as del p og ama. A.4 Resul ado de la deposición de o o 53 A.4 Resul ado de la deposición de o o Figu a A.4 Elec odo con capa de o o. Apéndice B Tablas B.1 Equi alencias en e el adap ado y el so wa e INTAN Se á necesa io ecu i a es a abla pa a sabe qué medida p esen e en la pan alla co esponde con el elec odo de la placa. Tabla B.1 Equi alencias en e el adap ado y el so wa e INTAN. Núme o en placa Núme o en so wa e 0 24 1 25 2 26 3 27 4 28 5 29 6 30 7 31 8 0 9 1 10 2 11 3 12 4 13 5 14 6 15 7 16 8 54 B.1 Equi alencias en e el adap ado y el so wa e INTAN 55 Tabla B.2 Equi alencias en e el adap ado y el so wa e INTAN (con inuación). Núme o en placa Núme o en so wa e 17 9 18 10 19 11 20 12 21 13 22 14 23 15 24 16 25 17 26 18 27 19 28 20 29 21 30 22 31 23 Apéndice C Códigos C.1 Código pa a in e e encia Código C.1 Código pa a in e e encia. 1 2#include <SPI.h> 3 4cons in CLR3=7; 5cons in LE3 =2; 6cons in CLR4= 8; 7cons in LE4 =4; 8cons in DIN =11; // Pin pa a DIN (COPI) 9cons in CLK =13; // Reloj (SCK) 10 11 12 13 14 // Los da os se en ia án en MSB y el chip los ecepciona á de mane a que el ú l imo bi mandado co esponde con el p ime o de los 32 bi s o ales. 15 16 // Cada elec odo iene 4 bi s: p ime o>I1, segundo>I2, e ce o>GND1, cua o> GND2. Es os se án "in e idos" ás la ansmisión. 17 18 oid se up() { 19 20 21 22 // Pinou 23 56 C.1 Código pa a in e e encia 57 24 pinMode(LE3, OUTPUT); 25 pinMode(CLR3, OUTPUT); 26 digi alW i e(CLR3, HIGH); // Se end á el CLR ac i o al inicio 27 28 pinMode(LE4, OUTPUT); 29 pinMode(CLR4, OUTPUT); 30 digi alW i e(CLR4, HIGH); 31 32 delay(100); 33 34 digi alW i e(CLR3, LOW); // Se apagan los CLR pa a comenza la ansmisión 35 digi alW i e(CLR4, LOW); 36 37 digi alW i e(LE3, HIGH);// Se deja en al o pa a que odos los bi s se egis en y no a ec en a los swi ches (Shi egis e clocking has no e ec on he swi ch s a es i LE- is high) 38 digi alW i e(LE4, HIGH); 39 40 delay(100); // Los delay se deben coo dina pa a que uncione, aunque con delays medianamen e azonables no debe habe p oblemas 41 42 SPI.begin(); 43 SPI.se Bi O de (MSBFIRST); //MSBFIRST o LSBFIRST 44 SPI.se Da aMode(SPI_MODE3); 45 46 47 SPI. ans e (B00010010); // En es e caso, es a línea co esponde a los elec odos 25 (p ime os 4 bi s) y 26 (úl imos 4 bi s). El 25 i á conec ado a I1, mien as que el 26 i á a GND1. 48 SPI. ans e (B00000000); 49 SPI. ans e (B00000000); 50 SPI. ans e (B00000000); 51 delay(100); 52 digi alW i e(LE3, LOW); // Cuando LE es a en low, los alo es del shi egis e luyen po los swi ches 53 delay(100); 54 digi alW i e(LE3, HIGH); 55 delay(100); 56 57 SPI. ans e (B00000000); 58 SPI. ans e (B00000000); 59 SPI. ans e (B00001000); // En es e caso, es a línea co esponde a los elec odos 21 (p ime os 4 bi s) y 22 (úl imos 4 bi s). El 22 i á conec ado a GND2. C.2 Código señal 1 58 60 SPI. ans e (B00000100);// En es e caso, es a línea co esponde a los elec odos 23 (p ime os 4 bi s) y 24 (úl imos 4 bi s). El 24 i á conec ado a I2. 61 delay(100); 62 digi alW i e(LE4, LOW); 63 delay(100); 64 digi alW i e(LE4, HIGH); 65 delay(100); 66 67 // Es as son líneas de p o ección, ya que se han egis ado casos en los que ambos swi ches hacían la úl ima acción que se les pedía, causando desco dinación. Sólo ocu ía al medi los elec odos con osciloscopio o mul íme o. 68 SPI. ans e (B00000000); 69 SPI. ans e (B00000000); 70 SPI. ans e (B00000000); 71 SPI. ans e (B00000000); 72 73 SPI.end(); 74 } 75 76 oid loop() { 77 78 } C.2 Código señal 1 Código C.2 Código señal 1. 1#include <SPI.h> 2 3cons in CLR3=7; 4cons in LE3 =2; 5cons in CLR4= 8; 6cons in LE4 =4; 7cons in DIN =11; // Pin pa a DIN (COPI) 8cons in CLK =13; // Reloj (SCK) 9 10 11 12 13 // Los da os se en ia án en MSB y el chip los ecepciona á de mane a que el ú l imo bi mandado co esponde con el p ime o de los 32 bi s o ales. C.2 Código señal 1 59 14 15 // Cada elec odo iene 4 bi s: p ime o>I1, segundo>I2, e ce o>GND1, cua o> GND2. Es os se án "in e idos" ás la ansmisión. 16 17 oid se up() { 18 19 20 21 // Pinou 22 23 pinMode(LE3, OUTPUT); 24 pinMode(CLR3, OUTPUT); 25 digi alW i e(CLR3, HIGH); // Se end á el CLR ac i o al inicio 26 27 pinMode(LE4, OUTPUT); 28 pinMode(CLR4, OUTPUT); 29 digi alW i e(CLR4, HIGH); 30 31 delay(100); 32 33 digi alW i e(CLR3, LOW); // Se apagan los CLR pa a comenza la ansmisión 34 digi alW i e(CLR4, HIGH); // Si man enemos es e CLR encendido, la señal 2 no se ansmi i á 35 36 digi alW i e(LE3, HIGH);// Se deja en al o pa a que odos los bi s se egis en y no a ec en a los swi ches (Shi egis e clocking has no e ec on he swi ch s a es i LE- is high) 37 digi alW i e(LE4, HIGH); 38 39 delay(100); // Los delay se deben coo dina pa a que uncione, aunque con delays medianamen e azonables no debe habe p oblemas 40 41 SPI.begin(); 42 SPI.se Bi O de (MSBFIRST); //MSBFIRST o LSBFIRST 43 SPI.se Da aMode(SPI_MODE3); 44 45 46 SPI. ans e (B00010010); // En es e caso, es a línea co esponde a los elec odos 25 (p ime os 4 bi s) y 26 (úl imos 4 bi s). El 25 i á conec ado a I1, mien as que el 26 i á a GND1. 47 SPI. ans e (B00000000); 48 SPI. ans e (B00000000); 49 SPI. ans e (B00000000); 50 delay(100); 51 digi alW i e(LE3, LOW); // Cuando LE es a en low, los alo es del shi egis e luyen po los swi ches C.3 Código señal 2 60 52 delay(100); 53 digi alW i e(LE3, HIGH); 54 delay(100); 55 56 SPI. ans e (B00000000); 57 SPI. ans e (B00000000); 58 SPI. ans e (B00001000); // En es e caso, es a línea co esponde a los elec odos 21 (p ime os 4 bi s) y 22 (úl imos 4 bi s). El 22 i á conec ado a GND2. 59 SPI. ans e (B00000100);// En es e caso, es a línea co esponde a los elec odos 23 (p ime os 4 bi s) y 24 (úl imos 4 bi s). El 24 i á conec ado a I2. 60 delay(100); 61 digi alW i e(LE4, LOW); 62 delay(100); 63 digi alW i e(LE4, HIGH); 64 delay(100); 65 66 // Es as son líneas de p o ección, ya que se han egis ado casos en los que ambos swi ches hacían la úl ima acción que se les pedía, causando desco dinación. Sólo ocu ía al medi los elec odos con osciloscopio o mul íme o. 67 SPI. ans e (B00000000); 68 SPI. ans e (B00000000); 69 SPI. ans e (B00000000); 70 SPI. ans e (B00000000); 71 72 SPI.end(); 73 } 74 75 oid loop() { 76 77 } C.3 Código señal 2 Código C.3 Código señal 2. 1#include <SPI.h> 2 3cons in CLR3=7; 4cons in LE3 =2; 5cons in CLR4= 8; C.3 Código señal 2 61 6cons in LE4 =4; 7cons in DIN =11; // Pin pa a DIN (COPI) 8cons in CLK =13; // Reloj (SCK) 9 10 11 12 13 // Los da os se en ia án en MSB y el chip los ecepciona á de mane a que el ú l imo bi mandado co esponde con el p ime o de los 32 bi s o ales. 14 15 // Cada elec odo iene 4 bi s: p ime o>I1, segundo>I2, e ce o>GND1, cua o> GND2. Es os se án "in e idos" ás la ansmisión. 16 17 oid se up() { 18 19 20 21 // Pinou 22 23 pinMode(LE3, OUTPUT); 24 pinMode(CLR3, OUTPUT); 25 digi alW i e(CLR3, HIGH); // Se end á el CLR ac i o al inicio 26 27 pinMode(LE4, OUTPUT); 28 pinMode(CLR4, OUTPUT); 29 digi alW i e(CLR4, HIGH); 30 31 delay(100); 32 33 digi alW i e(CLR3, HIGH); // Se apagan los CLR pa a comenza la ansmisión. Si man enemos es e CLR ac i ado, la señal 3 no se ansmi i á. 34 digi alW i e(CLR4, LOW); 35 36 digi alW i e(LE3, HIGH);// Se deja en al o pa a que odos los bi s se egis en y no a ec en a los swi ches (Shi egis e clocking has no e ec on he swi ch s a es i LE- is high) 37 digi alW i e(LE4, HIGH); 38 39 delay(100); // Los delay se deben coo dina pa a que uncione, aunque con delays medianamen e azonables no debe habe p oblemas 40 41 SPI.begin(); 42 SPI.se Bi O de (MSBFIRST); //MSBFIRST o LSBFIRST 43 SPI.se Da aMode(SPI_MODE3); 44 45 C.3 Código señal 2 62 46 SPI. ans e (B00010010); // En es e caso, es a línea co esponde a los elec odos 25 (p ime os 4 bi s) y 26 (úl imos 4 bi s). El 25 i á conec ado a I1, mien as que el 26 i á a GND1. 47 SPI. ans e (B00000000); 48 SPI. ans e (B00000000); 49 SPI. ans e (B00000000); 50 delay(100); 51 digi alW i e(LE3, LOW); // Cuando LE es a en low, los alo es del shi egis e luyen po los swi ches 52 delay(100); 53 digi alW i e(LE3, HIGH); 54 delay(100); 55 56 SPI. ans e (B00000000); 57 SPI. ans e (B00000000); 58 SPI. ans e (B00001000); // En es e caso, es a línea co esponde a los elec odos 21 (p ime os 4 bi s) y 22 (úl imos 4 bi s). El 22 i á conec ado a GND2. 59 SPI. ans e (B00000100);// En es e caso, es a línea co esponde a los elec odos 23 (p ime os 4 bi s) y 24 (úl imos 4 bi s). El 24 i á conec ado a I2. 60 delay(100); 61 digi alW i e(LE4, LOW); 62 delay(100); 63 digi alW i e(LE4, HIGH); 64 delay(100); 65 66 // Es as son líneas de p o ección, ya que se han egis ado casos en los que ambos swi ches hacían la úl ima acción que se les pedía, causando desco dinación. Sólo ocu ía al medi los elec odos con osciloscopio o mul íme o. 67 SPI. ans e (B00000000); 68 SPI. ans e (B00000000); 69 SPI. ans e (B00000000); 70 SPI. ans e (B00000000); 71 72 SPI.end(); 73 } 74 75 oid loop() { 76 77 } Índice de Tablas 4.1 Cos e o al 14 5.1 Medidas elec odos 23 7.1 Conexiones del A duino a la PCB 41 B.1 Equi alencias en e el adap ado y el so wa e INTAN 54 B.2 Equi alencias en e el adap ado y el so wa e INTAN (con inuación) 55 69 Índice de Códigos C.1 Código pa a in e e encia 56 C.2 Código señal 1 58 C.3 Código señal 2 60 70 Bibliog a ía [1] Pe lmu e JS, Mink JW. Deep b ain s imula ion. Annu Re Neu osci. 2006;29:229- 257. doi:10.1146/annu e .neu o.29.051605.112824. [2] Fa iba KA, Gup a V. Deep B ain S imula ion. [Upda ed 2023 Jul 24]. In: S a Pea ls [In e ne ]. T easu e Island (FL): S a Pea ls Publishing; 2024 Jan-. A ailable om: h ps://www.ncbi.nlm.nih.go /books/NBK557847/. [3] Enciclopedia Médica A.D.A.M. [In e ne ]. Linda J. 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