´        ´VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009                                                   ...
´        ´VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009                                                   ...
´        ´VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009                                                   ...
´        ´VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009                                                   ...
´        ´VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009                                                   ...
´        ´VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009               6                       XC = XL     ...
Próxima SlideShare
Cargando en…5
×

Ultrasonido dual fointec

985 visualizaciones

Publicado el

0 comentarios
0 recomendaciones
Estadísticas
Notas
  • Sé el primero en comentar

  • Sé el primero en recomendar esto

Sin descargas
Visualizaciones
Visualizaciones totales
985
En SlideShare
0
De insertados
0
Número de insertados
2
Acciones
Compartido
0
Descargas
30
Comentarios
0
Recomendaciones
0
Insertados 0
No insertados

No hay notas en la diapositiva.

Ultrasonido dual fointec

  1. 1. ´ ´VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009 1Dise˜ 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.comResumen—Dentro de la medicina alternativa est´ el m´ to- a e los cuales pueden producir efectos no deseados en eldo de tratamiento por medio de vibraciones mec´ nicas a organismo, y adem´ s, el dispositivo no cumpliria con alas cuales pueden ser aprovechadas por su grado de las normas t´ cnicas de calidad. Se puede recurrir a epenetraci´ 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 oest´ n en el rango del ultrasonido. Esta nueva tecnolog´a ha a ı ´ para el cristal piezol´ ctrico, pero estos son suceptibles a eimpactado tanto que tambi´ n se est´ usando en terapias e a desfases debido a su construcci´ n an´ loga. o ade rehabilitaci´ n f´sica y en terapias de est´ tica corporal. o ı e La mejor alternativa es usar osciladores digitales comoDebido 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 oart´culo se pretende dar una gu´a acerca de la aplicaci´ n ı ı o pueden ser controlados digitalmente por medio dede los microcontroladores para garantizar los par´ metros a protocolos de comunicaci´ n como los son el SPI ode funcionamiento de estos equipos. o el I2 C desde un microcontrolador. La ventaja deIndex Terms—Ultrasonido terap´ utico, ultrasonido est´ tico, e e ´ usar estos osciladores es que se puede almacenar elmicrocontroladores, vibraciones mec´ nicas, frecuencia, con- a valor de configuraci´ n en la memoria EEPROM del otrol. 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 deC frecuencia, la cual dependiendo de su valor sepuede clasificar en infrasonidos, sonidos y ultrasonidos,l´ gicamente estamos hablando de una onda m´ canica, la o ecual se genera por una diferencia de presi´ n. Dentro de o e ´los m´ todos usados para lograr esta diferencia de presi´ n oest´ el efecto piezoel´ ctrico inverso, el cual se manifiesta a een la deformaci´ n espacial de un material al ser expuesto o´este a una diferencia de potencial. Este tipo de materialesnos permite controlar la potencia mec´ nica de emisi´ n a ocontrolando un potencial el´ ctrico, lo cual puede hacerse econ un microcontrolador. II . G ENERADORES DE FRECUENCIALos cristales piezoel´ ctricos poseen una frecuencia ecentral de oscilaci´ n la cual posee un ancho de banda omuy estrecho, por lo que la exactitud de la frecuencia F IGURA 1. Esquema de conexi´ n entre el microcontro- oaplicada al cristal es muy importante, de no aplicar el lador y el generador de frecuencias digital viapotencial a la frecuencia adecuada, se generan arm´ nicos o SPI.
  2. 2. ´ ´VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009 2Adem´ s, permite generar el proceso de calibraci´ n del a osistema, con lo cual se puede encontrar la frecuencia deoscilaci´ n de resonancia del cristal. oGracias a la facilidad del manejo para la generaci´ n ode frecuencia por medio de un microcontrolador, esposible asignar las dos frecuencias de oscilaci´ n con omucha precisi´ n, una para la frecuencia de 1MHz y la ootra para la frecuencia de 3MHz. Asignar la frecuenciade oscilaci´ n de resonancia del cristal piezoel´ ctrico o egarantiza la m´ xima transmisi´ n de potencia. a oLa asignaci´ n de la frecuencia de salida se realiza o F IGURA 2. Esquema de conexi´ n para el control de fase. omendiante el envio de dos bytes de configuraci´ n (DAC oy OCT), los cuales se calculan mediante las siguientesecuaciones: 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 . fDonde f es la frecuencia en Hertz que se quiere configu- IV . C ONTROL DE PRESENCIA Y DE TEMPERATURArar 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 eDebido al amplio rango de aplicaciones del ultrasonido, ´ de tratamiento, este efecto secundario puede generarlas cuales van desde aplicaciones subcut´ neas a pocos a molestias en el usuario final del dispositivo, sobre todomil´metros de la piel hasta aplicaciones a varios cent´met- ı ı si las sesiones de tratamiento son prolongadas. Se haceros de profundidad, se ve la necesidad de controlar necesario el uso de sensores de temperatura en el cristalla potencia de emisi´ n de la se˜ al de ultrasonido sin o n para garantizar que se mantenga en una temperaturaafectar 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 oemisi´ n. Esto se logra modificando la amplitud de la o no es cr´tica, se recurre al algoritmo de control ON-OFF, ıonda aplicada. el cual desactiva la se˜ al de emis´ n de ultrasonido n oUna forma sencilla de controlar la amplitud y por ende cuando se ha alcanzado un valor cr´tico y activa la se˜ al ı nla potencia de emisi´ n de la se˜ al de ultrasonido, es por o n nuevamente cuando la variable de control ha alcanzadomedio de un control de fase, el cual se basa en dejar un valor nominal de trabajo. Estos valores -m´nimo y ıactuar un porcentaje de la se˜ al de voltaje primaria, en n m´ ximo- operativos son programados en la sesi´ n de a oeste caso, el voltaje de red. calibraci´ n y se guardan en la memoria EEPROM del oUna 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 odel 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 sistemasincronizaci´ n del pulso de disparo al elemento actuador, o generador-transductor siempre est´ en sintonia frecuen- aen este caso un triac, para el control del paso de onda cial. Debido a que es un producto est´ ndar, se puede aefectivo. presentar el caso de que se conecten diferentes cabezasLa relaci´ n entre la parte activa de la onda y el valor o de tratamiento a un equipo de generaci´ n de ultrasonido, oefectivo 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 darEn 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. 3. ´ ´VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009 3solucion a las dos problematicas anteriores: Contro- de modo pulsado.lar la temperatura y controlar la unicidad del sistema Los microcontroladores ofrecen una amplia variedad degenerador-transductor. m´ dulos contadores, conocidos como TIMERs, con los oSensores 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 elllamado 1-wire, que, tal como lo indica su nombre, hecho de que el circuito generador de frecuencias sehace 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 oEl 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- ocrocontrolador. Este c´ digo permite diferenciar tambien o En la figura[4] de puede apreciar la precisi´ n en los ola frecuencia de trabajo de una cabeza de tratamiento de tiempos de asignaci´ n para obtener una frecuencia de o1MHz de la de 3MHz, as´ mismo permite verificar si hay ı modulaci´ n de 100Hz con un ciclo de trabajo del 25 %. oo no una cabeza de tratamiento conectada al dispositivo. De existir una alerta de temperatura, el bloqueo de laAunque 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 queque las se˜ ales de potencia ultrasonicas interferir´an con n ı ayuda a proteger el equipo de los transcientes de voltajela se˜ al anal´ gica del sensor e involucran mas hardware n o y corriente que se pueden inducir al conmutar cargas deen 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 USUARIOLas sesiones de aplicaci´ n de se˜ ales ultrasonicas pueden o n Como todo producto, el sistema de generaci´ n de ultra- ovariar dependiendo del tratamiento. Puede haber sesiones sonido debe contar con una interfaz de usuario amigablede tratamiento cont´nuo en las cuales se aplica la se˜ al ı n y facil de manejar, ya que su uso est´ destinado a acontinuamente o puede haber sesiones de tratamiento personas sin conocimientos t´ cnicos de fabricaci´ n. El e opulsadas 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 visualesLa literatura recomienda frecuencias de modulaci´ n deo para la correcta configuraci´ n del equipo. o16Hz, 48Hz y 100Hz para las se˜ ales de ultrasonido de n Uno de los modos de hacer que un equipo sea f´ cil a1MHz y 3MHz, con ciclos de trabajo del 10 %, 20 %, de manejar con un m´nimo de pulsadores es el uso ı25 %, 50 % y 75 % para cada una de las frecuencias de men´ tipo ventana, este tipo de men´ se adapta u ude modulaci´ n y sesiones de trabajo de 1 minuto a 30 o a la aplicaci´ n directamente siguiendo unos pasos ominutos. A las sesiones de trabajo que hacen uso de las determinados de configuraci´ n, con lo cual el usuario ofrecuencias de modulaci´ n se las conoce como sesiones o solo tiene que recorrer las opciones y ajustar los
  4. 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 elpar´ 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 dosAl contar con un medio de visualizaci´ n, se puede dar o frecuencias de emisi´ n. oaviso al usuario del dispositivo sobre el estado de lasdiferentes variables durante la sesi´ n de uso del equipo, o VIII . R ESULTADOStales como: temperatura, potencia, tiempo de sesi´ n, o Una vez se montado el sistema, deben realizarse variasmodo 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 oComo 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 oexiste un proceso de calibraci´ n, el cual consiste en o transductor, generar´ arm´ nicos indeseados, los cuales se a ohallar la frecuencia central de oscilaci´ n del cristal o introducir´ n al sistema el´ ctrico a modo de ruido. a epiezoel´ ctrico. Esta frecuencia se encuentra haciendo un ebarrido en frecuencia dentro de los l´mites en el ancho ıde banda del cristal.Cuando el cristal piezoel´ ctrico se encuentra en resonan- ecia la potencia emitida en sus paredes ser´ m´ xima, de a alo contrario, la potencia emitida sera inestable, y en casode 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 delDebido 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 ıtiempo posible, por lo que no es adecuado hacerlo IX . C ONCLUSIONESmanualmente, por ello se hace uso de medidores de El uso de microcontroladores en dispositivos quepotencia ultrasonicos con interfaz serial RS-232 los involucren medidas y control de variables, aumentan la
  5. 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– etrazabilidad del proceso de producci´ n ya que ayuda o mec´ nica ser´ m´ xima cuando se cumpla que la frecuen- a a aa estandarizar ciertos procesos como lo son el de cia de la se˜ al el´ ctrica este dentro del rango del ancho n ecalibraci´ n, en este caso en particular. o de banda de las frecuencias propias o de resonancia del transductor pero para que la potencia transferida alGracias a los diversos m´ dulos de comunicaci´ n que o o transductor desde la fuente sea la m´ xima posible, las aposeen 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 efrecuencia 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. 6. ´ ´VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009 6 XC = XL (4) j − = jωL ωCDonde C es el valor de la capacitancia medida en losextremos del transductor piezoel´ ctrico y L el valor de ela inductancia para el respectivo acople. R EFERENCIAS [1] W. Cooper y A. Helfrick. Instrumentaci´ n electr´ nica moderna o o y T´ cnicas de medici´ n, 1rd ed. Mexico: Prentice Hall, 1991. e o [2] Irwin, David. An´ lisis b´ sico de circuitos en ingenier´a, 3rd ed. a a ı M´ xico: Pearson Educaci´ n, 1997. e o [3] Equipos electrom´ dicos: Requisitos particulares para la seguri- e dad de los equipos terap´ uticos de ultrasonido, IEC60601-2-5. e ICONTEC. Colombia, 2002. [4] R. Figliola y D. Beasley. Mediciones Mec´ nicas, Teor´a y dise˜ o., a ı n 3rd ed. Mexico: Alfaomega, 2003. [5] E. Valdes and R. Pallas. Microcontrollers, Fundamentals and applications with PIC, 1rd ed. U.S.A.: CRC Press, 2003. [6] W. Heipertz. et. al. Terapia F´sica, 1rd ed. U.S.A.: CRC Press, ı 2007. [7] Angulo, Jos´ . et. al. Microcontroladores avanzados, 1rd ed. e Espa˜ a: Thomson, 2006. n [8] W. Bolton. Mecatr´ nica, Sistemas de control electr´ nico en la o o ingenier´a mec´ nica y el´ ctrica, 3rd ed. Mexico: Alfaomega, ı a e 2006. [9] H. Bishop. Mechatronics, an introduction, 1rd ed. U.S.A.: CRC Press, 2006.[10] Thyristor: Theory and Design Considerations, Handbook ON Semiconductor. Rev. 1, Nov-2006.[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 een la empresa Prismatec Ltda., en donde desarroll´ completamente ola l´nea de Ultrasonido Est´ tico y Terapeutico, as´ como equipos ı e ıde tratamiento con electroterapia, control de ascensores de carga,sistemas de control de acceso, sistemas de monitoreo inal´ mbrico, etc. a

×