Diseño de un circuito de estimulación eléctrica del nervio frénico para activación del diafragma, orientado a asistencia respiratoria

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Título : Diseño de un circuito de estimulación eléctrica del nervio frénico para activación del diafragma, orientado a asistencia respiratoria
Autor : Landa Jara, Danna Nicole
Reyes Reyna, David Antonio
Director de Tesis: Romero Santistevan, Darío Xavier
Resumen traducido: Conditions such as diaphragmatic dysfunction, cervical spinal cord injuries, or autonomic control disorders can lead to critical dependence on mechanical ventilation, affecting the patient's quality of life. This paper describes the design and development of a prototype pulse generator intended to stimulate the phrenic nerve for diaphragm activation. The system uses a PIC16F628A microcontroller to generate PWM signals processed by a power stage with an L293D bridge, which allows for a safe symmetrical biphasic output. Stimulation parameters were established based on physiological and anatomical research of the structures and tissues involved, defining a frequency of 20 Hz to achieve muscle tetanization and a pulse width of 150 µs based on the chronaxie of the phrenic nerve. To verify the accuracy of the system, a mathematical model of the ideal signal was developed in MATLAB, which was compared with the experimental results obtained through physical validation of the prototype and its output displayed on an oscilloscope. The correlation obtained confirmed the stability of the frequency, validating the design from a practical and theoretical perspective. Finally, a mechanical validation was performed, in which a signal conditioning stage was implemented that reduced the 12 V potential of the main circuit to logic levels compatible with an Arduino Uno microcontroller to ensure the integrity of the processing. The developed algorithm allowed the translation of these electrical signals into mechanical movement using a servomotor actuator, achieving a physical representation of the diaphragmatic respiratory cycle synchronized with the signal generator. A wireless on/off system was also integrated using an ESP32 module and a mobile application developed in MIT App Inventor, incorporating wireless activation protocols required in implantable devices after surgery.
Resumen : Enfermedades como la disfunción diafragmática, lesiones medulares cervicales o patologías del control autonómico, pueden llevar a una dependencia crítica de ventilación mecánica, afectando la calidad de vida del paciente. El presente trabajo describe el diseño y desarrollo de un prototipo generador de pulsos destinado a la estimulación del nervio frénico para la activación del diafragma. El sistema emplea un microcontrolador PIC16F628A para la generación de señales PWM procesadas mediante una etapa de potencia con un puente L293D, el cual permite una salida bifásica simétrica segura. Se establecieron parámetros de estimulación basados en la investigación fisiológica y anatómica de las estructuras y tejidos involucrados, definiendo una frecuencia de 20 Hz para lograr la tetanización muscular y un ancho de pulso de 150 µs basado en la cronaxia del nervio frénico. Para verificar la precisión del sistema, se desarrolló un modelo matemático de la señal ideal en MATLAB, el cual fue contrastado con los resultados experimentales obtenidos mediante la validación física del prototipo y su salida mostrada en un osciloscopio. La correlación obtenida confirmó la estabilidad de la frecuencia, validando el diseño desde una perspectiva práctica y teórica. Finalmente, se realizó una validación mecánica, en la cual se implementó una etapa de acondicionamiento de señal que redujo el potencial de 12 V del circuito principal a niveles lógicos compatibles con un microcontrolador Arduino Uno, para garantizar la integridad del procesamiento. El algoritmo desarrollado permitió la traducción de estas señales eléctricas en movimiento mecánico mediante un actuador servomotor, logrando una representación física del ciclo respiratorio diafragmático sincronizada con el generador de señales. Asimismo, se integró un sistema inalámbrico de encendido y apagado mediante un módulo ESP32 y una aplicación móvil desarrollada en MIT App Inventor, incorporando protocolos de activación inalámbrica requeridos en dispositivos implantables posterior a la intervención quirúrgica.
Palabras clave : ELECTRICAL STIMULATION
PHRENIC NERVE
DIAPHRAGM
BIOENGINEERING
ESP32
ARDUINO UNO
Fecha de publicación : 2026
URI : http://dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/32727
Idioma: spa
Pertenece a las colecciones: Grado

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