1. ´ ´
VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009 1
Dise˜ o y construcci´ n de un sistema generador
n o
de ultrasonido de alta potencia para fines
m´ dicos y est´ ticos
e e
Miguel Adolfo L´ pez Ortega
o
Domocenter Ltda.
Pasto, Nari˜ o
n
Colombia
miguel_626@hotmail.com
Resumen—Dentro de la medicina alternativa est´ el m´ to-
a e los cuales pueden producir efectos no deseados en el
do de tratamiento por medio de vibraciones mec´ nicas a organismo, y adem´ s, el dispositivo no cumpliria con
a
las cuales pueden ser aprovechadas por su grado de las normas t´ cnicas de calidad. Se puede recurrir a
e
penetraci´ n en funci´ n de la potencia que llevan, estas
o o ´
vibraciones mec´ nicas se hacen a frecuencias elevadas que
a osciladores anal´ gicos que generen la base frecuencial
o
est´ n en el rango del ultrasonido. Esta nueva tecnolog´a ha
a ı ´
para el cristal piezol´ ctrico, pero estos son suceptibles a
e
impactado tanto que tambi´ n se est´ usando en terapias
e a desfases debido a su construcci´ n an´ loga.
o a
de rehabilitaci´ n f´sica y en terapias de est´ tica corporal.
o ı e La mejor alternativa es usar osciladores digitales como
Debido a su aplicaci´ n, se debe tener sumo cuidado en
o el LTC6903 o el LTC6904 de Linear R , los cuales
˜
el diseno y fabricaci´ n de estos equipos, en el presente
o
art´culo se pretende dar una gu´a acerca de la aplicaci´ n
ı ı o pueden ser controlados digitalmente por medio de
de los microcontroladores para garantizar los par´ metros
a protocolos de comunicaci´ n como los son el SPI
o
de funcionamiento de estos equipos. o el I2 C desde un microcontrolador. La ventaja de
Index Terms—Ultrasonido terap´ utico, ultrasonido est´ tico,
e e ´
usar estos osciladores es que se puede almacenar el
microcontroladores, vibraciones mec´ nicas, frecuencia, con-
a valor de configuraci´ n en la memoria EEPROM del
o
trol. microcontrolador para ser usada cuantas veces sea
necesaria, garantizando el valor de frecuencia aplicado
I. ´
I NTRODUCCI ON al cristal piezoel´ ctrico.
e
UALQUIER material que vibre es una fuente de
C frecuencia, la cual dependiendo de su valor se
puede clasificar en infrasonidos, sonidos y ultrasonidos,
l´ gicamente estamos hablando de una onda m´ canica, la
o e
cual se genera por una diferencia de presi´ n. Dentro de
o
e ´
los m´ todos usados para lograr esta diferencia de presi´ n
o
est´ el efecto piezoel´ ctrico inverso, el cual se manifiesta
a e
en la deformaci´ n espacial de un material al ser expuesto
o
´
este a una diferencia de potencial. Este tipo de materiales
nos permite controlar la potencia mec´ nica de emisi´ n
a o
controlando un potencial el´ ctrico, lo cual puede hacerse
e
con un microcontrolador.
II . G ENERADORES DE FRECUENCIA
Los cristales piezoel´ ctricos poseen una frecuencia
e
central de oscilaci´ n la cual posee un ancho de banda
o
muy estrecho, por lo que la exactitud de la frecuencia
F IGURA 1. Esquema de conexi´ n entre el microcontro-
o
aplicada al cristal es muy importante, de no aplicar el lador y el generador de frecuencias digital via
potencial a la frecuencia adecuada, se generan arm´ nicos
o SPI.

2. ´ ´
VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009 2
Adem´ s, permite generar el proceso de calibraci´ n del
a o
sistema, con lo cual se puede encontrar la frecuencia de
oscilaci´ n de resonancia del cristal.
o
Gracias a la facilidad del manejo para la generaci´ n o
de frecuencia por medio de un microcontrolador, es
posible asignar las dos frecuencias de oscilaci´ n con
o
mucha precisi´ n, una para la frecuencia de 1MHz y la
o
otra para la frecuencia de 3MHz. Asignar la frecuencia
de oscilaci´ n de resonancia del cristal piezoel´ ctrico
o e
garantiza la m´ xima transmisi´ n de potencia.
a o
La asignaci´ n de la frecuencia de salida se realiza
o F IGURA 2. Esquema de conexi´ n para el control de fase.
o
mendiante el envio de dos bytes de configuraci´ n (DAC
o
y OCT), los cuales se calculan mediante las siguientes
ecuaciones: piezoel´ ctrico. Esta relaci´ n directa se utiliza para dar
e o
f una raz´ n de escala a la potencia de emisi´ n de la se˜ al
o o n
OCT = 3,322 Log (1) de ultrasonido, gracias a que hay una relaci´ n directa y
o
1039
proporcional entre el valor VRMS y la potencia de emisi´ n
o
2078 × 2(10+OCT)
DAC = 2048 − ultrasonica en W/cm2 .
f
Donde f es la frecuencia en Hertz que se quiere configu- IV . C ONTROL DE PRESENCIA Y DE TEMPERATURA
rar como salida. Una de las consecuencias de la generaci´ n de ondas
o
mec´ nicas de alta potencia -y de cualquier otro fen´ meno
a o
III . C ONTROL DE POTENCIA vibratorio- es el aumento en la temperatura del cristal
piezoel´ ctrico y por ende el calentamiento de la cabeza
e
Debido al amplio rango de aplicaciones del ultrasonido,
´
de tratamiento, este efecto secundario puede generar
las cuales van desde aplicaciones subcut´ neas a pocos
a
molestias en el usuario final del dispositivo, sobre todo
mil´metros de la piel hasta aplicaciones a varios cent´met-
ı ı
si las sesiones de tratamiento son prolongadas. Se hace
ros de profundidad, se ve la necesidad de controlar
necesario el uso de sensores de temperatura en el cristal
la potencia de emisi´ n de la se˜ al de ultrasonido sin
o n
para garantizar que se mantenga en una temperatura
afectar su frecuencia central de resonancia, ya que la
operativa1 .
profundidad de aplicaci´ n es funci´ n de la potencia de
o o
En casos en donde la resoluci´ n de la variable de control
o
emisi´ n. Esto se logra modificando la amplitud de la
o
no es cr´tica, se recurre al algoritmo de control ON-OFF,
ı
onda aplicada.
el cual desactiva la se˜ al de emis´ n de ultrasonido
n o
Una forma sencilla de controlar la amplitud y por ende
cuando se ha alcanzado un valor cr´tico y activa la se˜ al
ı n
la potencia de emisi´ n de la se˜ al de ultrasonido, es por
o n
nuevamente cuando la variable de control ha alcanzado
medio de un control de fase, el cual se basa en dejar
un valor nominal de trabajo. Estos valores -m´nimo y ı
actuar un porcentaje de la se˜ al de voltaje primaria, en
n
m´ ximo- operativos son programados en la sesi´ n de
a o
este caso, el voltaje de red.
calibraci´ n y se guardan en la memoria EEPROM del
o
Una parte vital para garantizar el control de fase es la
microcontrolador.
detecci´ n del cambio de polaridad de la onda senoidal
o
Por norma t´ cnica, cada sistema de generaci´ n de ul-
e o
del voltaje de red, a lo que se conoce como detecci´ n o
´
trasonido debe tener asignada una unica cabeza de
´
de cruce por cero, este es un evento el cual permite la
tratamiento; con lo que se garantiza que el sistema
sincronizaci´ n del pulso de disparo al elemento actuador,
o
generador-transductor siempre est´ en sintonia frecuen-
a
en este caso un triac, para el control del paso de onda
cial. Debido a que es un producto est´ ndar, se puede
a
efectivo.
presentar el caso de que se conecten diferentes cabezas
La relaci´ n entre la parte activa de la onda y el valor
o
de tratamiento a un equipo de generaci´ n de ultrasonido,
o
efectivo de voltaje aplicado est´ determinado por:
a
esto provocar´a un mal funcionamiento del equipo, ya
ı
Vp 1 que al no estar en sinton´a, no disipar´a la potencia
ı ı
VRM S = √ π−α+ sin 2α (2) adecuada a la frecuencia central de resonancia.
2π 2
Gracias al auge de los sensores digitales se puede dar
En donde α corresponde al angulo de disparo, el cual
´
cuantifica el valor de potencia transmitida al cristal 1 Estos valores los da la norma t´ cnica IEC60601-2-5
e

3. ´ ´
VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009 3
solucion a las dos problematicas anteriores: Contro- de modo pulsado.
lar la temperatura y controlar la unicidad del sistema Los microcontroladores ofrecen una amplia variedad de
generador-transductor. m´ dulos contadores, conocidos como TIMERs, con los
o
Sensores como el DS18S20, adem´ s de brindar un valor
a cuales se pueden crear bases de tiempo muy precisas,
de temperatura a una resoluci´ n de 12 bits provee un
o lo que ayuda a obtener frecuencias y ciclos de trabajo a
o ´
c´ digo unico de identificaci´ n; estos valores pueden ser
o medida.
accedidos por medio de un protocolo de comunicaci´ n o Haciendo uso de estos contadores y aprovechando el
llamado 1-wire, que, tal como lo indica su nombre, hecho de que el circuito generador de frecuencias se
hace uso de un solo pin para dicho proceso. puede habilitar o deshabiltar con tan solo el estado de
un pin, se logra todas las combinaciones posibles para
proveer al usuario final la mayor cantidad posible de
recursos a la hora de configurar una sesi´ n de tratamiento
o
por ultrasonido.
F IGURA 3. Esquema de conexi´ n para el sensor de tem-
o
peratura DS18S20.
F IGURA 4. Se˜ al de modulaci´ n obtenida usando el
n o
El c´ digo de identificaci´ n se accede desde la sesi´ n de
o o o TIMER2.
calibraci´ n y se guarda en la memoria EEPROM del mi-
o
crocontrolador. Este c´ digo permite diferenciar tambien
o En la figura[4] de puede apreciar la precisi´ n en los
o
la frecuencia de trabajo de una cabeza de tratamiento de tiempos de asignaci´ n para obtener una frecuencia de
o
1MHz de la de 3MHz, as´ mismo permite verificar si hay
ı modulaci´ n de 100Hz con un ciclo de trabajo del 25 %.
o
o no una cabeza de tratamiento conectada al dispositivo. De existir una alerta de temperatura, el bloqueo de la
Aunque los microcontroladores permiten trabajar con se˜ al de emisi´ n se hace deshabilitando al generador de
n o
n o ´
se˜ ales anal´ gicas, en este caso no es lo mas id´ neo, ya
o frecuencias sin involucrar a la parte de potencia lo que
que las se˜ ales de potencia ultrasonicas interferir´an con
n ı ayuda a proteger el equipo de los transcientes de voltaje
la se˜ al anal´ gica del sensor e involucran mas hardware
n o y corriente que se pueden inducir al conmutar cargas de
en el dise˜ o, lo que conlleva a mayores gastos.
n alta potencia.
V. ´
C ONTROL DE EMISI ON VI . ´
V ISUALIZACI ON E INTERFAZ DE USUARIO
Las sesiones de aplicaci´ n de se˜ ales ultrasonicas pueden
o n Como todo producto, el sistema de generaci´ n de ultra-
o
variar dependiendo del tratamiento. Puede haber sesiones sonido debe contar con una interfaz de usuario amigable
de tratamiento cont´nuo en las cuales se aplica la se˜ al
ı n y facil de manejar, ya que su uso est´ destinado a
a
continuamente o puede haber sesiones de tratamiento personas sin conocimientos t´ cnicos de fabricaci´ n. El
e o
pulsadas o moduladas en las cuales se asigna un ciclo uso de pantallas LCD y de teclados es inmodificable en
´
util de trabajo de la se˜ al ultrasonica.
n este tipo de dispositivos, ya que brindan ayudas visuales
La literatura recomienda frecuencias de modulaci´ n deo para la correcta configuraci´ n del equipo.
o
16Hz, 48Hz y 100Hz para las se˜ ales de ultrasonido de
n Uno de los modos de hacer que un equipo sea f´ cil a
1MHz y 3MHz, con ciclos de trabajo del 10 %, 20 %, de manejar con un m´nimo de pulsadores es el uso
ı
25 %, 50 % y 75 % para cada una de las frecuencias de men´ tipo ventana, este tipo de men´ se adapta
u u
de modulaci´ n y sesiones de trabajo de 1 minuto a 30
o a la aplicaci´ n directamente siguiendo unos pasos
o
minutos. A las sesiones de trabajo que hacen uso de las determinados de configuraci´ n, con lo cual el usuario
o
frecuencias de modulaci´ n se las conoce como sesiones
o solo tiene que recorrer las opciones y ajustar los

4. ´ ´
VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009 4
cuales envian por este protocolo la potencia generada
por la cabeza de tratamiento. El microcontrolador se
encarga de hacer el barrido en frecuencia cada 2kHz
y para cada salto de frecuencia activa gradualmente la
potencia mediante el control de fase, espera un tiempo
de 5 segundos para que la se˜ al de medida se estabilice
n
y luego guarda el dato enviado por el medidor de
potencia ultrasonica via RS-232.
F IGURA 5. Intefaz de usuario. Una vez recorrido todo el ancho de banda del cristal
piezoel´ ctrico, el microcontrolador verifica cual de los
e
datos enviados por la balanza es el mayor y guarda el
par´ metros para poner en marcha el dispositivo.
a valor de calibraci´ n en la memoria EEPROM para su
o
´
posterior uso. Este proceso es aplicable para las dos
Al contar con un medio de visualizaci´ n, se puede dar
o frecuencias de emisi´ n.
o
aviso al usuario del dispositivo sobre el estado de las
diferentes variables durante la sesi´ n de uso del equipo,
o VIII . R ESULTADOS
tales como: temperatura, potencia, tiempo de sesi´ n, o Una vez se montado el sistema, deben realizarse varias
modo de trabajo, etc. pruebas para garantizar que el equipo cumple con los
requerimientos de la norma t´ cnica de construcci´ n.
e o
VII . ´
C ALIBRACI ON La variable principal de verificaci´ n es la frecuencia
o
Como se ha mencionado en los apartados anteriores, el de emisi´ n del generador de frecuencia, ya que de
o
´
sistema generador-transductor es unico y por lo tanto no corresponder a la frecuencia de emisi´ n central del
o
existe un proceso de calibraci´ n, el cual consiste en
o transductor, generar´ arm´ nicos indeseados, los cuales se
a o
hallar la frecuencia central de oscilaci´ n del cristal
o introducir´ n al sistema el´ ctrico a modo de ruido.
a e
piezoel´ ctrico. Esta frecuencia se encuentra haciendo un
e
barrido en frecuencia dentro de los l´mites en el ancho
ı
de banda del cristal.
Cuando el cristal piezoel´ ctrico se encuentra en resonan-
e
cia la potencia emitida en sus paredes ser´ m´ xima, de
a a
lo contrario, la potencia emitida sera inestable, y en caso
de estabilizarse ser´ muy baja.
a
F IGURA 7. Forma de onda FFT para la frecuencia de
emisi´ n de 3MHz.
o
La figura [9] indica la forma de onda del potencial entre
los terminales MT1 y MT2 del TRIAC, resultado del nivel
m´nimo de potencia configurado en el equipo.
ı
La carga para el control de fase es un transformador
de 35VA de potencia, mediante el cual se rectifica la
se˜ al de 120Vac a 40Vdc, potencial con el cual trabaja
n
F IGURA 6. Intefaz RS-232 para calibraci´ n.
o el transductor ultras´ nico. La se˜ al de corriente cont´nua
o n ı
debe estar modulada a la frecuencia de resonancia del
Debido a que se trata de un dispositivo de producci´ n en
o transductor, se usa conmutadores MOSFET para tal fin.
l´nea, el proceso de calibraci´ n debe tomar el m´nimo
ı o ı
tiempo posible, por lo que no es adecuado hacerlo IX . C ONCLUSIONES
manualmente, por ello se hace uso de medidores de El uso de microcontroladores en dispositivos que
potencia ultrasonicos con interfaz serial RS-232 los involucren medidas y control de variables, aumentan la

5. ´ ´
VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009 5
Es importante conocer el sistema f´sico de aplicaci´ n, ya
ı o
´
que es justamente este el que indica las pautas a seguir
en el dise˜ o posterior.
n
´
A P E NDICE
´
E FECTO P IEZOEL E CTRICO I NVERSO
Es el resultado mec´ nico de deformaci´ n en las pare-
a o
des de un material, normalmente un cristal, al aplicar
un campo el´ ctrico con una determinada frecuencia, la
e
a ´
cual est´ en el rango de los ultrasonidos. Esta energ´a ı
F IGURA 8. Forma de onda FFT para la frecuencia de mec´ nica es suceptible de propagarse en un medio el´ sti-
a a
emisi´ n de 1MHz.
o co.
En los materiales piezoel´ ctricos las propiedades el´ ctri-
e e
cas y el´ sticas est´ n acopladas, por tanto los par´ metros
a a a
el´ ctricos y mec´ nicos tienen que estar presentes en
e a
las relaciones constitutivas. Generalmente el esfuerzo
T y la deformaci´ n S son los par´ metros mec´ nicos
o a a
considerados y el campo el´ ctrico E y el desplazamiento
e
diel´ ctrico D son los par´ metros el´ ctricos.
e a e
Para el efecto piezoel´ ctrico inverso se tiene:
e
S = sE T + dE (3)
Donde s es la compliancia del medio y d es la constante
F IGURA 9. Forma de onda para el control de fase con- piezoel´ ctrica.
e
figurado en un nivel m´nimo de potencia.
ı Un transductor est´ situado dentro de otro medio con
a
diferente impedancia ac´ stica, por lo que cuando una
u
excitaci´ n se propaga m´ s all´ del mismo, parte se
o a a
refleja, ya que la otra superficie tendr´ una impedancia
a
mucho mayor que el transductor, la se˜ al reflejada va a
n
anular a la se˜ al incidente en la frontera del cristal. Se
n
establece por tanto una condici´ n de contorno, la presi´ n,
o o
as´ como las dem´ s magnitudes ac´ sticas que cumplen
ı a u
la ecuaci´ n de onda deben ser nulas en la frontera del
o
transductor.
Hay un conjunto de frecuencias que cumplen esta condi-
ci´ n, es decir, que en el interior del transductor hay
o
un m´ ltiplo entero de semilongitudes de onda. A estas
u
F IGURA 10. Forma de onda aplicada al transductor para
una potencia media de 2.0 W/cm2 a una
frecuencias se las denomina frecuencias propias o de
frecuencia de 1MHz. resonancia y tienen la virtud de que maximizan la energ´a ı
transmitida dadas sus caracter´sticas.
ı
Debido a esto, la transferencia de potencia el´ ctrico–
e
trazabilidad del proceso de producci´ n ya que ayuda
o mec´ nica ser´ m´ xima cuando se cumpla que la frecuen-
a a a
a estandarizar ciertos procesos como lo son el de cia de la se˜ al el´ ctrica este dentro del rango del ancho
n e
calibraci´ n, en este caso en particular.
o de banda de las frecuencias propias o de resonancia
del transductor pero para que la potencia transferida al
Gracias a los diversos m´ dulos de comunicaci´ n que
o o transductor desde la fuente sea la m´ xima posible, las
a
poseen los microcontroladores, se puede hacer uso impedancias de ambas deben ser complejos conjugados,
de diversos dispositivos como lo son generadores de ´
esto con el fin de que la fase de la impedancia el´ ctrica
e
frecuencia digitales, sensores de temperatura, medidores sea cero a la frecuencia de resonancia del transductor.
de variables f´sicas, etc.
ı Para lograr el acople se usa, generalmente, una induc-
tancia, de modo que:

6. ´ ´
VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009 6
XC = XL (4)
j
− = jωL
ωC
Donde C es el valor de la capacitancia medida en los
extremos del transductor piezoel´ ctrico y L el valor de
e
la inductancia para el respectivo acople.
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o o
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[11] J. Sanchez y M. Canton. Microcontroller Programing, 1rd ed.
U.S.A.: CRC Press, 2007.
Miguel Adolfo L´ pez Ortega. Recibi´ el
o o
t´tulo de Ingeniero F´sico con Menci´ n
ı ı o
Honor´fica en la Universidad del Cauca
ı
(Res.223.16.08.07), departamento de Ciencias
Naturales, Exactas y de la educaci´ n, en
o
el a˜ o de 2007 (Colombia). Dentro de
n
su experiencia profesional se destaca ser
campe´ n andino y finalista mundial en el
o
concurso Imagine Cup de Microsoft con
el dise˜ o y construcci´ n de un Sistema de
n o
Diagn´ stico por Electroacopuntura, ingeniero
o
o ´
director de investigaci´ n y desarrollo en el area de equipos biom´ dicos
e
en la empresa Prismatec Ltda., en donde desarroll´ completamente
o
la l´nea de Ultrasonido Est´ tico y Terapeutico, as´ como equipos
ı e ı
de tratamiento con electroterapia, control de ascensores de carga,
sistemas de control de acceso, sistemas de monitoreo inal´ mbrico, etc.
a