Ultrasonido dual fointec

VI FORO INTERNACIONAL DE INNOVACION TECNOLOGICA, FOINTEC 2009 1

Diseno y construccion de un sistema generadorde ultrasonido de alta potencia para fines

medicos y esteticosMiguel Adolfo Lopez Ortega

Domocenter Ltda.Pasto, Narino

[email protected]

Resumen—Dentro de la medicina alternativa esta el meto-do de tratamiento por medio de vibraciones mecanicaslas cuales pueden ser aprovechadas por su grado depenetracion en funcion de la potencia que llevan,estasvibraciones mecanicas se hacen a frecuencias elevadas queestan en el rango del ultrasonido. Esta nueva tecnologıa haimpactado tanto que tambien se esta usando en terapiasde rehabilitacion fısica y en terapias de estetica corporal.Debido a su aplicacion, se debe tener sumo cuidado enel diseno y fabricacion de estos equipos, en el presenteart ıculo se pretende dar una guıa acerca de la aplicacionde los microcontroladores para garantizar los parametrosde funcionamiento de estos equipos.

Index Terms—Ultrasonido terapeutico, ultrasonido estetico,microcontroladores, vibraciones mecanicas, frecuencia, con-trol.

I . INTRODUCCION

CUALQUIER material que vibre es una fuente defrecuencia, la cual dependiendo de su valor se

puede clasificar en infrasonidos, sonidos y ultrasonidos,logicamente estamos hablando de una onda mecanica, lacual se genera por una diferencia de presion. Dentro delos metodos usados para lograresta diferencia de presionesta el efecto piezoelectrico inverso, el cual se manifiestaen la deformacion espacial de un material al ser expuestoeste a una diferencia de potencial. Este tipo de materialesnos permite controlar la potencia mecanica de emisioncontrolando un potencial electrico, lo cual puede hacersecon un microcontrolador.

II . GENERADORES DE FRECUENCIA

Los cristales piezoelectricos poseen una frecuenciacentral de oscilacion la cual posee un ancho de bandamuy estrecho, por lo que la exactitud de la frecuenciaaplicada al cristal es muy importante, de no aplicar elpotencial a la frecuencia adecuada, se generan armonicos

los cuales pueden producir efectos no deseados en elorganismo, y ademas, el dispositivo no cumpliria conlas normas tecnicas de calidad. Se puede recurrir aosciladores analogicos que generen la base frecuencialpara el cristal piezolectrico, peroestos son suceptibles adesfases debido a su construccion analoga.La mejor alternativa es usar osciladores digitales comoel LTC6903 o el LTC6904 de Linear R©, los cualespueden ser controlados digitalmente por medio deprotocolos de comunicacion como los son el SPIo el I2C desde un microcontrolador. La ventaja deusar estos osciladores es que se puede almacenar elvalor de configuracion en la memoriaEEPROMdelmicrocontrolador para ser usada cuantas veces seanecesaria, garantizando el valor de frecuencia aplicadoal cristal piezoelectrico.

FIGURA 1. Esquema de conexion entre el microcontro-lador y el generador de frecuencias digital via

SPI.


Ademas, permite generar el proceso de calibracion delsistema, con lo cual se puede encontrar la frecuencia deoscilacion de resonancia del cristal.Gracias a la facilidad del manejo para la generacionde frecuencia por medio de un microcontrolador, esposible asignar las dos frecuencias de oscilacion conmucha precision, una para la frecuencia de 1MHz y laotra para la frecuencia de 3MHz. Asignar la frecuenciade oscilacion de resonancia del cristal piezoelectricogarantiza la maxima transmision de potencia.La asignacion de la frecuencia de salida se realizamendiante el envio de dos bytes de configuracion (DACy OCT), los cuales se calculan mediante las siguientesecuaciones:

OCT = 3,322 Log

(f

1039

)(1)

DAC = 2048− 2078× 2(10+OCT)

f

Dondef es la frecuencia en Hertz que se quiere configu-rar como salida.

III . CONTROL DE POTENCIA

Debido al amplio rango de aplicaciones del ultrasonido,las cuales van desde aplicaciones subcutaneas a pocosmilımetros de la piel hasta aplicaciones a varios centımet-ros de profundidad, se ve la necesidad de controlarla potencia de emision de la senal de ultrasonido sinafectar su frecuencia central de resonancia, ya que laprofundidad de aplicacion es funcion de la potencia deemision. Esto se logra modificando la amplitud de laonda aplicada.Una forma sencilla de controlar la amplitud y por endela potencia de emision de la senal de ultrasonido, es pormedio de un control de fase, el cual se basa en dejaractuar un porcentaje de la senal de voltaje primaria, eneste caso, el voltaje de red.Una parte vital para garantizar el control de fase es ladeteccion del cambio de polaridad de la onda senoidaldel voltaje de red, a lo que se conoce comodeteccionde cruce por cero, este es un evento el cual permite lasincronizacion del pulso de disparo al elemento actuador,en este caso un triac, para el control del paso de ondaefectivo.La relacion entre la parte activa de la onda y el valorefectivo de voltaje aplicado esta determinado por:

VRMS =Vp√2π

√π − α +

12

sin 2α (2)

En dondeα corresponde alangulo de disparo, el cualcuantifica el valor de potencia transmitida al cristal

FIGURA 2. Esquema de conexion para el control de fase.

piezoelectrico. Esta relacion directa se utiliza para daruna razon de escala a la potencia de emision de la senalde ultrasonido, gracias a que hay una relacion directa yproporcional entre el valor VRMS y la potencia de emisionultrasonica en W/cm2.

IV . CONTROL DE PRESENCIA Y DE TEMPERATURA

Una de las consecuencias de la generacion de ondasmecanicas de alta potencia -y de cualquier otro fenomenovibratorio- es el aumento en la temperatura del cristalpiezoelectrico y por ende el calentamiento de la cabezade tratamiento,este efecto secundario puede generarmolestias en el usuario final del dispositivo, sobre todosi las sesiones de tratamiento son prolongadas. Se hacenecesario el uso de sensores de temperatura en el cristalpara garantizar que se mantenga en una temperaturaoperativa1.En casos en donde la resolucion de la variable de controlno es crıtica, se recurre al algoritmo de controlON-OFF,el cual desactiva la senal de emison de ultrasonidocuando se ha alcanzado un valor crıtico y activa la senalnuevamente cuando la variable de control ha alcanzadoun valor nominal de trabajo. Estos valores -mınimo ymaximo- operativos son programados en la sesion decalibracion y se guardan en la memoriaEEPROMdelmicrocontrolador.Por norma tecnica, cada sistema de generacion de ul-trasonido debe tener asignada unaunica cabeza detratamiento; con lo que se garantiza que el sistemagenerador-transductor siempre esta en sintonia frecuen-cial. Debido a que es un producto estandar, se puedepresentar el caso de que se conecten diferentes cabezasde tratamiento a un equipo de generacion de ultrasonido,esto provocarıa un mal funcionamiento del equipo, yaque al no estar en sintonıa, no disiparıa la potenciaadecuada a la frecuencia central de resonancia.Gracias al auge de los sensores digitales se puede dar

1Estos valores los da la norma tecnica IEC60601-2-5


solucion a las dos problematicas anteriores: Contro-lar la temperatura y controlar la unicidad del sistemagenerador-transductor.Sensores como elDS18S20, ademas de brindar un valorde temperatura a una resolucion de 12 bits provee uncodigo unico de identificacion; estos valores pueden seraccedidos por medio de un protocolo de comunicacionllamado 1-wire , que, tal como lo indica su nombre,hace uso de un solo pin para dicho proceso.

FIGURA 3. Esquema de conexion para el sensor de tem-peraturaDS18S20.

El codigo de identificacion se accede desde la sesion decalibracion y se guarda en la memoriaEEPROMdel mi-crocontrolador. Este codigo permite diferenciar tambienla frecuencia de trabajo de una cabeza de tratamiento de1MHz de la de 3MHz, ası mismo permite verificar si hayo no una cabeza de tratamiento conectada al dispositivo.Aunque los microcontroladores permiten trabajar consenales analogicas, eneste caso no es lo mas idoneo, yaque las senales de potencia ultrasonicas interferirıan conla senal analogica del sensor e involucran mas hardwareen el diseno, lo que conlleva a mayores gastos.

V . CONTROL DE EMISION

Las sesiones de aplicacion de senales ultrasonicas puedenvariar dependiendo del tratamiento. Puede haber sesionesde tratamiento contınuo en las cuales se aplica la senalcontinuamente o puede haber sesiones de tratamientopulsadas o moduladas en las cuales se asigna un cicloutil de trabajo de la senal ultrasonica.La literatura recomienda frecuencias de modulacion de16Hz, 48Hz y 100Hz para las senales de ultrasonido de1MHz y 3MHz, con ciclos de trabajo del 10 %, 20 %,25 %, 50 % y 75 % para cada una de las frecuenciasde modulacion y sesiones de trabajo de 1 minuto a 30minutos. A las sesiones de trabajo que hacen uso de lasfrecuencias de modulacion se las conoce como sesiones

de modo pulsado.Los microcontroladores ofrecen una amplia variedad demodulos contadores, conocidos comoTIMERs, con loscuales se pueden crear bases de tiempo muy precisas,lo que ayuda a obtener frecuencias y ciclos de trabajo amedida.Haciendo uso de estos contadores y aprovechando elhecho de que el circuito generador de frecuencias sepuede habilitar o deshabiltar con tan solo el estado deun pin, se logra todas las combinaciones posibles paraproveer al usuario final la mayor cantidad posible derecursos a la hora de configurar una sesion de tratamientopor ultrasonido.

FIGURA 4. Senal de modulacion obtenida usando elTIMER2.

En la figura[4] de puede apreciar la precision en lostiempos de asignacion para obtener una frecuencia demodulacion de 100Hz con un ciclo de trabajo del 25 %.De existir una alerta de temperatura, el bloqueo de lasenal de emision se hace deshabilitando al generador defrecuencias sin involucrar a la parte de potencia lo queayuda a proteger el equipo de los transcientes de voltajey corriente que se pueden inducir al conmutar cargas dealta potencia.

VI . V ISUALIZACI ON E INTERFAZ DE USUARIO

Como todo producto, el sistema de generacion de ultra-sonido debe contar con una interfaz de usuario amigabley facil de manejar, ya que su uso esta destinado apersonas sin conocimientos tecnicos de fabricacion. Eluso de pantallasLCD y de teclados es inmodificable eneste tipo de dispositivos, ya que brindan ayudas visualespara la correcta configuracion del equipo.Uno de los modos de hacer que un equipo sea facilde manejar con un mınimo de pulsadores es el usode menu tipo ventana, este tipo de menu se adaptaa la aplicacion directamente siguiendo unos pasosdeterminados de configuracion, con lo cual el usuariosolo tiene que recorrer las opciones y ajustar los


FIGURA 5. Intefaz de usuario.

parametros para poner en marcha el dispositivo.

Al contar con un medio de visualizacion, se puede daraviso al usuario del dispositivo sobre el estado de lasdiferentes variables durante la sesion de uso del equipo,tales como: temperatura, potencia, tiempo de sesion,modo de trabajo, etc.

VII . CALIBRACI ON

Como se ha mencionado en los apartados anteriores, elsistema generador-transductor esunico y por lo tantoexiste un proceso de calibracion, el cual consiste enhallar la frecuencia central de oscilacion del cristalpiezoelectrico. Esta frecuencia se encuentra haciendo unbarrido en frecuencia dentro de los lımites en el anchode banda del cristal.Cuando el cristal piezoelectrico se encuentra en resonan-cia la potencia emitida en sus paredes sera maxima, delo contrario, la potencia emitida sera inestable, y en casode estabilizarse sera muy baja.

FIGURA 6. IntefazRS-232 para calibracion.

Debido a que se trata de un dispositivo de produccion enlınea, el proceso de calibracion debe tomar el mınimotiempo posible, por lo que no es adecuado hacerlomanualmente, por ello se hace uso de medidores depotencia ultrasonicos con interfaz serialRS-232 los

cuales envian por este protocolo la potencia generadapor la cabeza de tratamiento. El microcontrolador seencarga de hacer el barrido en frecuencia cada 2kHzy para cada salto de frecuencia activa gradualmente lapotencia mediante el control de fase, espera un tiempode 5 segundos para que la senal de medida se estabilicey luego guarda el dato enviado por el medidor depotencia ultrasonica viaRS-232 .

Una vez recorrido todo el ancho de banda del cristalpiezoelectrico, el microcontrolador verifica cual de losdatos enviados por la balanza es el mayor y guarda elvalor de calibracion en la memoriaEEPROMpara suposterior uso.Este proceso es aplicable para las dosfrecuencias de emision.

VIII . RESULTADOS

Una vez se montado el sistema, deben realizarse variaspruebas para garantizar que el equipo cumple con losrequerimientos de la norma tecnica de construccion.La variable principal de verificacion es la frecuenciade emision del generador de frecuencia, ya que deno corresponder a la frecuencia de emision central deltransductor, generara armonicos indeseados, los cuales seintroduciran al sistema electrico a modo de ruido.

FIGURA 7. Forma de onda FFT para la frecuencia deemision de 3MHz.

La figura [9] indica la forma de onda del potencial entrelos terminalesMT1y MT2delTRIAC, resultado del nivelmınimo de potencia configurado en el equipo.La carga para el control de fase es un transformadorde 35VA de potencia, mediante el cual se rectifica lasenal de 120Vac a 40Vdc, potencial con el cual trabajael transductor ultrasonico. La senal de corriente contınuadebe estar modulada a la frecuencia de resonancia deltransductor, se usa conmutadoresMOSFETpara tal fin.

IX . CONCLUSIONES

El uso de microcontroladores en dispositivos queinvolucren medidas y control de variables, aumentan la


FIGURA 8. Forma de onda FFT para la frecuencia deemision de 1MHz.

FIGURA 9. Forma de onda para el control de fase con-figurado en un nivel mınimo de potencia.

FIGURA 10. Forma de onda aplicada al transductor parauna potencia media de 2.0 W/cm2 a una

frecuencia de 1MHz.

trazabilidad del proceso de produccion ya que ayudaa estandarizar ciertos procesos como lo son el decalibracion, en este caso en particular.

Gracias a los diversos modulos de comunicacion queposeen los microcontroladores, se puede hacer usode diversos dispositivos como lo son generadores defrecuencia digitales, sensores de temperatura, medidoresde variables fısicas, etc.

Es importante conocer el sistema fısico de aplicacion, yaque es justamenteeste el que indica las pautas a seguiren el diseno posterior.

APENDICE

EFECTOPIEZOELECTRICO INVERSO

Es el resultado mecanico de deformacion en las pare-des de un material, normalmente un cristal, al aplicarun campo electrico con una determinada frecuencia, lacual esta en el rango de los ultrasonidos.Esta energıamecanica es suceptible de propagarse en un medio elasti-co.En los materiales piezoelectricos las propiedades electri-cas y elasticas estan acopladas, por tanto los parametroselectricos y mecanicos tienen que estar presentes enlas relaciones constitutivas. Generalmente el esfuerzoT y la deformacion S son los parametros mecanicosconsiderados y el campo electricoE y el desplazamientodielectricoD son los parametros electricos.Para el efecto piezoelectrico inverso se tiene:

S = sET + dE (3)

Dondes es la compliancia del medio yd es la constantepiezoelectrica.Un transductor esta situado dentro de otro medio condiferente impedancia acustica, por lo que cuando unaexcitacion se propaga mas alla del mismo, parte serefleja, ya que la otra superficie tendra una impedanciamucho mayor que el transductor, la senal reflejada va aanular a la senal incidente en la frontera del cristal. Seestablece por tanto una condicion de contorno, la presion,ası como las demas magnitudes acusticas que cumplenla ecuacion de onda deben ser nulas en la frontera deltransductor.Hay un conjunto de frecuencias que cumplen esta condi-cion, es decir, que en el interior del transductor hayun multiplo entero de semilongitudes de onda. A estasfrecuencias se las denomina frecuencias propias o deresonancia y tienen la virtud de que maximizan la energıatransmitida dadas sus caracterısticas.Debido a esto, la transferencia de potencia electrico–mecanica sera maxima cuando se cumpla que la frecuen-cia de la senal electrica este dentro del rango del anchode banda de las frecuencias propias o de resonanciadel transductor pero para que la potencia transferida altransductor desde la fuente sea la maxima posible, lasimpedancias de ambas deben ser complejos conjugados,esto con el fin de que la fase de la impedancia electricasea cero a la frecuencia de resonancia del transductor.Para lograr el acople se usa, generalmente, una induc-tancia, de modo que:


XC = XL (4)

− jωC

= jωL

DondeC es el valor de la capacitancia medida en losextremos del transductor piezoelectrico y L el valor dela inductancia para el respectivo acople.

REFERENCIAS

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Miguel Adolfo L opez Ortega. Recibio eltıtulo de Ingeniero Fısico con MencionHonorıfica en la Universidad del Cauca(Res.223.16.08.07), departamento de CienciasNaturales, Exactas y de la educacion, enel ano de 2007 (Colombia). Dentro desu experiencia profesional se destaca sercampeon andino y finalista mundial en elconcurso Imagine Cup de Microsoft conel diseno y construccion de un Sistema deDiagnostico por Electroacopuntura, ingeniero

director de investigacion y desarrollo en elarea de equipos biomedicosen la empresa Prismatec Ltda., en donde desarrollo completamentela lınea de Ultrasonido Estetico y Terapeutico, ası como equiposde tratamiento con electroterapia, control de ascensores de carga,sistemas de control de acceso, sistemas de monitoreo inalambrico, etc.

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