REPORTE DE PROYECTO FINAL - 148.206.53.231

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA INGENIERÍA BIOMÉDICA

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CORTE A 1 MHz PARA ELECTROCIRUGÍA 1

REPORTE DE PROYECTO FINAL

“ DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CORTE A 1 MHz PARA

ELECTROCIRUGÍA ” Alumnos: Jiménez Martínez Daniel Molina Galicia Gualberto Profesor: Donaciano Jiménez Vázquez Trimestre: 08- P Fecha: 11/ 08 / 08



1. Introducción 1.1 Electrocirugía Desde la antigüedad conocemos la capacidad curativa del calor. Hipócrates lo preconizaba como elemento curativo y Abulcasis para controlar la hemorragia. Son Benjamín Franklin y John Wesley quienes comienzan a utilizar corriente eléctrica continua para calentar un electrodo y cauterizar tejidos. Aunque es en Francia donde Arsené D’Arsonval, utiliza por primera vez en 1893 la corriente alterna sobre los tejidos a través de una descarga de alto voltaje en forma de chispas que destruye superficialmente la piel (fulguración). Un discípulo suyo, Rivière, en 1907 describe la “coagulación blanca” al aplicar corriente alterna de alta frecuencia. Doyen un año después emplea por primera vez la corriente alterna bipolar sobre los tejidos. Pero el avance definitivo de la electrocirugía y su difusión se deben a Bovie y a Cushing. El primero era físico y diseñó un aparato con dos generadores adosados, uno para cortar basado en un tubo al vacío y otro que coagulaba a través de chispas. Cushing en 1926 utilizó estos generadores adosados para una intervención neuroquirúrgica. 190 1.2 Fundamentos de Electrocirugia. El bisturí libera energía mecánica sobre el tejido a través del filo en un punto de presión concentrada. El bisturí eléctrico, sin embargo, lo que hace es liberar calor sobre los tejidos. Dependiendo del calor que aplicamos sobre los tejidos producimos daños distintos (tabla 1). Tabla 1. Efecto del calor sobre los tejidos. Temperatura Mecanismo Efecto tisular > 45°C Alteración enzimas celulares Daño celular 70-80°C Desnaturalización de proteinas Coagulación blanca 90°C Desecación Coagulación 100°C Vaporización agua intracelular Corte >200°C Desintegración células Carbonización Es decir cuando aplicamos electricidad que produce menos de 100º C coagulamos el vaso, pero si excede esta temperatura destruimos la célula. Aunque si la temperatura es mayor de 200º C lo que se produce es una carbonización. La electricidad es una fuente de calor que por radiación produce en los tejidos un efecto tisular. Esto no significa que podemos utilizar cualquier tipo de corriente. La corriente que se utiliza en electrocirugía es corriente alterna. La corriente alterna constituye un fenómeno físico que se repite cíclicamente un número determinado de veces durante un segundo de tiempo y puede abarcar desde uno hasta millones de ciclos o hertz (Hz) por segundo, esta es la frecuencia de corriente.



Si aplicáramos la corriente eléctrica de la línea de 120 V p-p sobre nuestro cuerpo estaríamos expuestos al efecto farádico que consiste en la estimulación de nervios y músculos lo que puede producir extrasístoles y fibrilación ventricular con resultados mortales. Este efecto tiene su máxima repercusión con corrientes de 100 Hz, pero a medida que aumenta la frecuencia de la corriente evitamos estos efectos indeseables sobre el cuerpo humano y a partir de los 300 Khz se produce el efecto térmico. La UEQ convierte una electricidad de baja frecuencia a una electricidad de alta frecuencia que produce un efecto térmico y evita los efectos indeseables sobre la estimulación nerviosa y muscular. Otro concepto que conviene aclarar al principio, es la diferencia entre energía bipolar y unipolar o monopolar. La electricidad necesita de un circuito eléctrico que en el caso de la electromedicina está compuesto de generador, cables, electrodos y paciente. La diferencia entre ambos modos es la siguiente:

Modo monopolar: la corriente generada por la UEQ llega al electrodo activo y la electricidad retorna al electrodo de dispersión.

Modo bipolar: Sólo se incluye en el circuito el tejido interpuesto entre los dos electrodos.

En electrocirugía hablamos de potencia:

Potencia (Watios) = voltaje (v) x intensidad (amp) La ley Joule, permite calcular la energía disipada en forma de calor en un conductor

Q = I2 (Intensidad) x Resistencia x tiempo. Que sustituyendo tenemos la siguiente fórmula:

Calor = V2 / R x T. Es decir que el calor en los tejidos, objetivo que perseguimos, es mayor cuando aumentamos el voltaje o lo mantenemos en el tiempo. También podemos concluir que cuando aumenta la resistencia, necesitamos más voltaje para el mismo calor. 1.3 Efectos tisulares de la electricidad. Las células están formadas por aniones (-) y cationes (+). Al aplicar una corriente de alta frecuencia sobre las células, los aniones y cationes oscilan rápidamente en el interior del citoplasma y elevan la temperatura en el interior de la célula. Como decíamos anteriormente la electricidad puede producir:

Coagulación blanca: es la desnaturalización de las proteínas producida con temperaturas de 70-80ºC.

Desecación, que es la pérdida de agua de las células aunque conservan su arquitectura. Se consigue con temperaturas de 90ºC.

Corte. Cuando la temperatura alcanza los 100ºC el citoplasma hierve, con la

consiguiente formación de vapor que conlleva la explosión de la célula.



Carbonización. Efecto producido con temperaturas de 200ºC.

En la práctica es difícil distinguir entre coagulación blanca y la desecación, nos referiremos a ambos con el término coagulación. 1.4 Unidad Electroquirúrgica (UEQ) La UEQ convierte la corriente doméstica de 60 Hz a voltajes superiores a 500 Hz. Con esta corriente de alta frecuencia evitamos los efectos indeseables sobre el cuerpo humano (efecto farádico) y aprovechamos el efecto térmico sobre los tejidos, que dependiendo del calor aplicado podrá cortar o coagular. Si la UEQ sólo convirtiera la corriente a alta frecuencia, nos permitiría cortar con monopolar y coagular con bipolar. No podríamos coagular ni carbonizar los tejidos. Para ello la UEQ realiza otra misión importantísima que es la modulación de la corriente. Hay por tanto una corriente no modulada, otra modulada y por último una mixta.

1. Corriente no modulada. Es la corriente que no está modificada por el generador. Es decir es una onda continua de bajo voltaje, que genera un calor intenso cuando se aplica a través de un electrodo puntiforme.

2. Corriente modulada. Recordamos que la corriente utilizada en electrocirugía es una corriente alterna de alta frecuencia. Cuando la UEQ “modula” la corriente lo que hace es producir corriente en menos del 10% del tiempo, lo que se denomina ciclo activo o de trabajo. Esta corriente tiene un mayor voltaje y en el periodo que no está activo, se disipa el calor a los tejidos adyacentes y produce la carbonización superficial o fulguración.

3. Corrientes mixtas (blend). La corriente está activa entre el 50 y el 80%. El voltaje es intermedio entre la modulada y no modulada.

1.5 Sistema electroquirúrgico completo Este sistema contiene un circuito cerrado y un amplificador el cual se hace operar a través del abastecimiento de poder, el cual en su regreso es alimentado por la fuente de energía. La producción del amplificador es así alimentada dentro de un sistema de acoplamiento de la corriente de alta frecuencia a la resistencia quirúrgica dada por el paciente. Cuando elevamos la temperatura de un tejido vivo por encima de los 70°C comienza a coagularse la proteína. Deja de ser tejido“vivo”,si bien conserva muchas de sus características orgánicas.



La Radiofrecuencia es una oscilación eléctrica-magnética. Como tal, provoca agitación molecular en tejidos que por su constitución natural poseen gran cantidad de agua y sales siendo capaces de conducir corrientes eléctricas. En un tejido, la capacidad de conducir es proporcional a la cantidad de agua y sales que lo constituye, Los efectos de la corriente sobre las personas, es casi independiente de la frecuencia, hasta unos 1.000 ciclos/s, no importando si esta es continua o alterna. Por debajo de este valor aparecen fenómenos térmicos, farádicos y electrolíticos, principalmente. Para frecuencias por encima de las 350 KHz, las corrientes no interfieren apreciablemente con los procesos nerviosos y sólo producen calor. Podemos entender así, cómo y por qué, las corrientes elegidas para la electro cirugía, se desarrollan en frecuencias, por encima de los 500 KHz (0.5 MHz). A estas frecuencias la conducción eléctrica y la absorción orgánica de las ondas se hace más compleja. A medida que la frecuencia aumenta, la energía, como vimos, tiende a ser radiada. Aparecen pues dos mecanismos de producción de calor: por efecto Joule, debido a la resistencia eléctrica, y por absorción de radiación electromagnética, debido a las estructuras moleculares. En electro cirugía se hacen los dos importantes a frecuencias hasta los 1 MHz. Para frecuencias entre 1 MHz y 3 MHz de ciclos, es dominante la radiación electromagnética. Si el efecto que queremos obtener es el de coagular los tejidos en contacto, debemos de rebajar el calor transmitido a los tejidos con el fin de que tan sólo hiervan en sus propios líquidos y formen coágulo rápidamente. Si a la onda generada para el corte puro se la modula con una semionda parcial senoidal, aumentando ligeramente la amplitud, obtendremos los efectos deseados. Estaríamos ante, lo que en electro cirugía se llama: coagulación. A esta onda se la sigue llamando: parcialmente rectificada. La onda, la modularemos con una semionda completa senoidal, manteniendo los mismos parámetros que en el caso anterior. Estaremos ante, lo que en electro cirugía se llama corte combinado/ corte con coagulación. A esta onda se la conoce por completamente rectificada. A Continuación mencionaremos algunos principios de electrónica para entender el problema: Corriente alterna parcialmente rectificada. Presenta una forma de onda altamente amortiguada, por lo que tiene un efecto de deshidratación de los tejidos, este tipo de corriente es producida por un aparato generador de chispas por lo que no está diseñado para el corte de tejido. Corriente alterna totalmente rectificada. Presenta oscilaciones moderadamente amortiguadas y tiene un efecto de coagulación en los tejidos acompañada de un corte pobre. Con esta corriente se obtiene buen control de hemorragia y coagulación aceptable, pero existe contracción del tejido(Figura 2). Corriente alterna totalmente rectificada y filtrada. Presenta una forma de onda de la misma amplitud y su efecto sobre los tejidos es el de producir un corte quirúrgico; produce la mínima coagulación de todas las corrientes.



1.6 Divisor de fase El divisor de fase, es un amplificador que simultáneamente es emisor común y colector común. Se elige RC = RE = RL tal que la tensión de salida en el colector tenga igual magnitud que la tensión de salida en el emisor, pero esas tensiones se encuentran 180o fuera de fase. Las dos señales de salida de este circuito son aproximadamente iguales en amplitud a la señal de entrada: esto es, las razones de ganancia de tensión, V1/V1i y V2/V i son aproximadamente iguales a uno, en magnitud. En el emisor, la salida esta en fase con la señal de entrada, mientras que la salida del colector esta 180o fuera de fase con la señal de entrada.

2. Objetivo Se implementará un sistema básico para corte a 1 MHz utilizando transistores y MOSFET´s

3. Desarrollo teórico 3.1 Amplificador emisor común El amplificador emisor común, se llama así porque las corrientes de base y de colector se combinan en el emisor. Para el diseño del amplificador emisor común, se trabaja primero con el lado colector-emisor del transistor más que en lado base-emisor. Existen dos condiciones para satisfacer. La primera coloca el punto Q en el centro de la línea para una máxima excursión en la tensión de salida. La segunda limita ICQ al valor requerido para proporcionar salida simétrica para una entrada dada. Por lo general, VCC, VBE, β, y RL

están especificados. RC y RE se determinan por las otras condiciones especificadas de ganancia de tensión, ganancia de corriente y resistencia de entrada.

Paso 1 Para colocar el punto Q en el centro de la línea de carga, utilizamos la siguiente ecuación.

cdca

CCCQ RR

VI

+=

Paso 2 Utilizamos la línea de carga de ca para determinar VCEQ.

donde

acCQCC RIV 2=

2

'CCCEQ

VV =



Paso 3 Seleccionamos RB para estabilidad en la polarización.

ERR ββ 1.0=

Paso 4 Utilizamos la ecuación de polarización para determinar VBB

++= E

BCQBEBB R

RIVV

β

Paso 5 A partir de RB y VBB encontramos R1 y R2

CC

BB

B1

VV-1

RR =

BB

CCB

V

VRR =2

3.2 Diseño del amplificador con un 2N2222 Elegimos para el diseño

RC = RL = 1KΩ Av = -10

De la ecuación de ganancia obtenemos RE

( )

Av

RRR CL

E

//−= = 50Ω

Posteriormente obtenemos Rca

Ω=+= 550// LCE RRRRca

Obtenemos hib

Ω=== 47.35.7

26

||

26

mA

mV

I

mVh

CQib

Teniendo RE y RC obtenemos Rcd

Ω=+= 1050RCRERcd

( )E

CL

R

RRAv

//−=



De hay obtenemos ICQ

mARcdRca

VI CC

CQ 5.7−=+

=

Teniendo obtenemos RE

Ω=−Ω= 5.4650 ibE hR

Obteniendo RE y con β calculamos RB

Ω=== 930)5.46)(200(1.01.0 EB RR β

Para obtener las resistencia de dolarización R1 y R2 primeramente calculamos VBB

++= EB

CQBEBB RR

IVVβ

= V08.1)7.0(200

9305.46)0075.0( −=−+

+−

Ω=−

== K02.1

12

08.11

930

VV-1

RR

CC

BB

B1

Ω=−

−== KV

VRR

BB

CCB 3.1008.1

)12(9302

Con los valores calculados obtenemos la ganancia de:

( )

E

CL

R

RRAv

//−= = 10.75

5.46

500 =

4. Material y equipo

Cristal de Cuarzo 4Mz Capacitares electroliticos Capacitares dielectricos Resistencias ¼ de Potencia Transistores 2N2222, 2N3904 CI Amplificador LF357N ( de alta frecuencia ) PIC 18f452 Núcleo de Ferrita IRFP 460 ICL 7667 CD 4050 Base para bobina Alambre No 18 y 20 para transformador



Osciloscopio Fuente de alimentación Multimetro Generador de funciones PC ( Simulador Micro-Cap9 )

5. Procedimiento 5.1 Generación de la Onda Senoidal pura a 4Mz Se utilizó un microprocesador PIC 18f452 para general la onda senoidal pura a 4 Mz utilizando la siguiente configuración Figura 1

Ver anexo 1

El siguiente diagrama del circuito es una configuración para el oscilador Colpitts utilizando el cristal de cuarzo de 4Mz, se utilizó este circuito para comparar cual señal generada era mas estable y pura a 4 Mz Figura 2

Oscilador Colpitts. Ver anexo 2



5.2 Etapa de Amplificación Figura 3

Circuito simulado en Microcap 9.

Utilizando el transistor 2N2222 se implementó este amplificador.

Figura 4



5.3 Etapa de Separador de Fases

Figura 5

5.4 Circuito de Acoplamiento ( buffer ) y etapa de potencia Debido a que los MOSFET´s solo pueden trabajar con ciclos positivos era necesario acoplar la señal amplificada y defasada con un circuito de acoplamiento que acondicionara la señal a1Mz 10V para trabajar la etapa de potencia. Se utilizaron los siguientes circuitos integrados. Figura 6

Buffer Inversor TTL/CMOS Circuito de Acoplamiento para MOSFET Ver anexo 3



Figura 7

Buffer No Inversor TTL/CMOS Circuito de acoplamiento para MOSFET Ver anexo 4

Figura 8

Este fue el circuito de acoplamiento Para el IRFP460. Ver anexo 5



Figura 9

Construcción de nuestro transformador con relación 1:10

6. Resultados 6.1 Etapa de oscilación

Señal generada con el microprocesador PIC 18f452



Señal generada con el oscilador Tipo colpitts de la Figura 2

6.2 Amplificación

Señal amplificada con el circuito Integrado lf357

La siguiente grafica nos muestra la ganancia entre la entrada de la señal generada a 1MHz y la señal de salida en un rango de frecuencias de 100kHz a 9MHz. Grafica del circuito de la figura 3. Simulación con microcap 9



6.3 Etapa de desfase

Estas señales se obtuvieron utilizando el circuito de la figura 5.

6.4 Etapa de acoplamiento y potencia

Esta fue la señal amplificada a 1.2MHz en la etapa de acompla- miento. Señal de entrada Vo=1V Señal de salida Vo=10V

7. Conclusiones Del trabajo realizado se concluye lo siguiente: El electrocoagulador es un equipo bastante agresivo en cuanto a su forma de coagulación a si como de corte, pero para reducir el daño que genera este equipo se han hecho investigaciones las cuales nos indican que al elevar la frecuencia, se puede reducir el daño producido el equipo. Es por esto que es importante hacer un diseño para mayores frecuencias, lo cual no es facil ya que existen varias complicaciones como el echo de que los distintos componentes tienen una respuesta en frecuencia muy baja, alrededor de 1 MHz a esta frecuencia los distintos componentes se comportan de manera optima, para mayores frecuencias los distintos componentes pierden su caracteristicas ideales, otro conflicto es el echo del acoplamiento de las distintas etapas en particular la etapa de potencia fue difícil mantener la misma señal de entrada que la salida se perdió ganancia y frecuencia.



8. Bibliografía

Circuitos Microelectrónicas 4ta Edición Adel S. Sedra Ed Oxford

http://www.mastermagazine.info/termino/5881.php http://espanol.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080112033337AAmz8Vt http://www.hvn.es/servicios_asistenciales/ginecologia/documentos/Ponencias2006/2006Electrocirugia.pd



9. ANEXOS ANEXO 1



ANEXO 2



ANEXO 3



ANEXO 4



ANEXO 5

REPORTE DE PROYECTO FINAL - 148.206.53.231

Documents

Transcript of REPORTE DE PROYECTO FINAL - 148.206.53.231