Diseño e implementación de la cama de un tomógrafo de resonancia magnética de imágenes. Carlos Díaz Novo 1, Alberto López Delis 2

Transcripción

1 Diseño e implementación de la cama de un tomógrafo de resonancia magnética de imágenes. Carlos Díaz Novo 1, Alberto López Delis 2 RESUMEN:Se presenta la tecnología de construcción de la cama para un tomógrafo de RMI, sus especificaciones técnicas en lo que se refiere a la autonomía mecánica y el bloque de la electrónica de control. El presente trabajo es la base para la realización práctica del cálculo, diseño, construcción, introducción de nuevos materiales y componentes electrónicos, puesta a punto y caracterización de los sistemas de movimiento. Palabras Claves: Tomógrafo, Resonancia Magnética de Imágenes, Sistema Mágnetico, Posicionamiento, Tabla Portapaciente, Motor de Paso, Microcontrolador. encuentra la Resonancia Magnética de Imágenes (RMI), la cual además de permitir la visualización del interior de los cuerpos opacos, en particular el cuerpo humano, brinda la posibilidad de obtener información única en su tipo de la estructura y la cinética molecular del cuerpo investigado. El sistema de excitación y recepción está integrado, entre otras cosas, por un conjunto de bobinas y una electrónica especializada, que tienen como función provocar la perturbación de la magnetización primeramente y recibir a posteriori la señal inducida por ella en las bobinas de recepción cuando esta retorna a su posición de alineamiento inicial. Esta señal es recibida y procesada por el sistema, presentándose finalmente en el display en forma de imágenes. 2 3 INTRODUCCIÓN Dentro de los métodos más novedosos, prometedores y menos invasivos de diagnóstico en la medicina se encuentra la Resonancia Magnética de Imágenes (RMI), la cual además de permitir la visualización del interior de los cuerpos opacos, en particular el cuerpo humano, brinda la posibilidad de obtener información única en su tipo de la estructura y la cinética molecular del cuerpo investigado. En una estación de RMI se pueden identificar varios sistemas fundamentales: el sistema magnético, el sistema de excitación y recepción de radio frecuencia, el sistema de gradientes, el procesador de imágenes y el display. En muchos casos en el sistema magnético, el principal componente es un electroimán como se muestra en la Figura 1, encargado de crear un campo magnético estático, denotado por B0 y cuya inducción se mide en Tesla (T). Este campo provoca la polarización de los momentos magnéticos de determinados núcleos y la consecuente magnetización del objeto investigado. Dentro de los métodos más novedosos, prometedores y menos invasivos de diagnóstico en la medicina se Figura 1. Conjunto del sistema magnético (1), cama (2), tubo de gradientes (3), bastidor (4). Asociado al sistema que genera el campo principal B0 está el sistema de posicionado del paciente, donde se encuentra como elemento principal la cama como se muestra en la Figura 1. Un diseño adecuado del mismo permite colocar de manera rápida y con precisión milimétrica al paciente dentro del imán en una posición ergonometrícamente cómoda. La posición milimétrica es imprescindible para la ubicación correcta de las estructuras anatómicas y la reproducibilidad de los estudios. Un bloque electrónico y las posibilidades mecánicas del movimiento de la cama lo garantizan Sección de Diseño Mecánico. Centro de Biofísica Médica. Universidad de Oriente. novo@cbm.uo.edu.cu 2 Sección de Electrónica. Centro de Biofísica Médica. Universidad de Oriente. alberto@cbm.uo.edu.cu 16

2 DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA Implementación del movimiento vertical La cama la componen una estructura soporte, la tabla portapaciente y un mecanismo de movimiento vertical como se muestra en la Figura 2, compuesto por dos pares de tijeras que sostienen a la estructura soporte. Por medio de estas y con la ayuda de una transmisión tornillo tuerca (mecanismo de fijación de altura), que trabaja como actuador instalado a la estructura de apoyo del equipo, se garantiza el movimiento vertical del sistema en los procesos de calibración y puesta a punto. El Figura 4 muestra con mas detalles los diferentes elementos del sistema. b Figura 2. Mecanismo de movimiento vertical: (a) par de tijeras, (b) transmisión tornillo tuerca. Este mecanismo se encuentra expuesto a las más severas exigencias de carga y sobre el mismo recaen las mayores responsabilidades relacionadas con la precisión en el posicionado vertical. Se ha tomado en consideración la tendencia que se observa en los sistemas modernos a simplificar, compactar y aligerar esta parte, así como de dar la sensación de diseños montados al aire o como comúnmente se denominan "en voladizo". El mecanismo para el movimiento vertical debe proporcionar un error de paralelismo de ± 1 mm entre las guías fijas al bastidor (estructura soporte estática instalada en el interior del imán) y las guías del mecanismo, todo lo cual fue a controlado en el proceso de diseño a través de la simulación teórica integral que se le practicó a las piezas por separado y al mecanismo de desplazamiento en su totalidad. El mapa de distribución de tensiones se presenta en el Anexo 1. Implementación del movimiento horizontal Sobre la estructura superior y por medio de ambas guías, véase Figura 4, se desliza la tabla que porta directamente el paciente. Las guías están compuestas básicamente de plásticos poliextruidos [1, 2] en elementos con formas constructivas resistentes a las exigencias de cargas que aparecen durante el funcionamiento del equipo. En el caso de la tabla se tuvo en cuenta que al ser un elemento que se introduce junto con el paciente en el interior del imán, esta debe ser transparente al campo B0, a los campos de radiofrecuencia generado por la bobina de excitación y a los campos pulsantes de alta intensidad de los gradientes. La confección de la misma a base de plástico reforzado con fibra de vidrio, material no magnético que presenta propiedades mecánicas similares a los metales [3], evita cualquier efecto de apantallamiento y distorsión durante la excitación y recepción de la señal. El accionamiento en la instalación se implementa a través de la transmisión del movimiento, por medio de un tornillo de avance, fijo a la estructura superior y la tuerca fija a la tabla. Este sistema motriz recibe la fuerza proveniente del motor por pasos, con un ángulo de paso de 1,8 y una corriente máxima por cada fase de 6,1 A, el voltaje de alimentación es de 3,6 V, el torque es de 81kg/cm y su peso de 6,6 kg. El motor garantiza el movimiento de entrada del paciente en el interior del área de examen (magneto) y fija las tres posiciones, atendiendo a la zona que se quiera estudiar, como se muestra en el Figura 4. El motor se blinda mediante un recubrimiento de acero con el objetivo de atenuar la influencia del campo magnético, este se fija a la posición axial en la parte extrema de la cama, en la zona más alejado del centro del magneto en donde se registran valores de inducción de campo por debajo de 5 Gauss, que no pueden afectar el funcionamiento del mismo. Teniendo en cuenta las exigencias técnicas, este motor de paso satisface las necesidades que se derivan del diseño en cuanto a capacidad de carga y precisión de posicionado para una máquina de RMI. Una interfaz electrónica entre el motor y el sistema de control garantiza el movimiento de la cama hacia la zona de examen. 17

3 Figura 3. Mapa de distribución de tensiones correspondiente al pedestal soporte de las guías de la cama. Figura 4. Imagen del equipo ensamblado. 18

4 Sistema de Control Automático El desplazamiento se efectúa al oprimir un conjunto de teclas, ubicadas en el panel frontal del tomógrafo, las mismas permiten el movimiento de la cama en un sentido u otro a través del sistema magnético. A la vez la distancia recorrida se va visualizando en un indicador de 7 segmentos. Este desplazamiento es controlado por un programa, almacenado en memoria EPROM interna del microcontrolador Intel 8751H. El sistema de control genera una referencia inicial (REF), para el conteo y visualización del movimiento en la zona de interés. El programa de control muestrea periódicamente la señal REF, indicador de la posición 0 de la cama. A partir de excitadores de líneas [4], activando el relé que suministra la alimentación al motor de paso. Cuando se detecta un nivel lógico "0" (el centro del área de interés coincide en posición con el sistema de referencia, proceso de preposicionado que se produce al presionar las teclas IN ó OUT como se muestra en la vista frontal del panel de control de la Figura 5, se efectúa el envío de una secuencia de códigos al motor. Esta secuencia de códigos es de medio paso [5], lo que produce una variación en ángulo de 0,9º, en dependencia del orden en que se envíe la secuencia así será la dirección en que se desplazará la cama. Durante el movimiento de la cama, constantemente se lee el estado de los topes (sistema de sensores implementado a través de interruptores ópticos ubicados en los extremos de la misma), que permiten avisar cuando se arribó a uno de estos. Estos interrupores se utilizan previendo los límites de seguridad para el desplazamiento de la cama. Como parámetros técnicos de la instalación se obtuvieron: longitud de regulación en la vertical = 300 mm, desplazamiento máximo en la horizontal = 1,2 m, velocidad de movimiento en la horizontal = 30 mm/s, precisión de la detección automática en la posición horizontal= ± 1 mm, altura de la tabla portapaciente al suelo = 450 mm. IN REF OUT DISPLAY Figura 5. Vista frontal "Espejo" del panel de control para el desplazamiento de la cama. 19

5 CONCLUSIONES La explotación del equipo satisface los requerimientos de posicionado para los estudios por RMI, y ha sido construido y puesto a punto para los tomógrafos de Resonancia Magnética cubanos de la serie Giroimag. Las características con que se ha dotado la instalación, además de aumentar el confort y dar flexibilidad al sistema, eleva el valor de uso del equipo por lo que hace del mismo un producto mas competitivo. La modularidad del sistema nos permite hacer cambios y mejoras en el mismo, sin modificaciones apreciables en la filosofía del diseño. Este sistema desarrollado con ligeros cambios podría utilizarse para otros equipos de imageanología. El equipo cumple con requisitos ergonómicos relacionados con el confort y la seguridad que se encuentran contenidos en estudios (6) y normativas nacionales, relacionadas con la suavidad y continuidad de los movimientos. Por otro lado el hecho de que la estación sea controlada por una unidad inteligente a base de un microcontrolador, como se describiera anteriormente dota a la tecnología de grandes posibilidades para ser introducida en cualquier rama de la técnica y fundamentalmente en la industria médica. Como parámetros técnicos de la instalación se obtuvo una longitud de regulación en la vertical = 300 mm, longitud de desplazamiento máximo en la horizontal = 1.2 m, velocidad de movimiento en la horizontal = 30 mm/s, el sistema posee detección automática de la posición en la horizontal, precisión = ± 1 mm y la altura de la tabla portapaciente al suelo es de 450 m. BIBLIOGRAFIA 1. Design Manual Structures with Extren Fiberglass Shapes. 1 ra Edición (1998). 2. Ryan Herco Product Guide. 23 rd Edition, (1998). 3. Pesorenko GS, Yakovlev AP, Matveev VV. Manual de Resistencia de Materiales. 2 da ed. Mir, (1989). 4. SGS :Low Schottky TTI ICs, Data Book. 4 th Edition, (1987). 5. Angulo Usátegui JM, Avilés González A. Curso de Robótica. 1 ra Edición, (1989). 6. McCormick EJ. Ergonomía. Factores Humanos en Ingeniería y Diseño. 3 ra ed. Barcelona: Gustavo Gili, (1976). AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a los operarios y demás compañeros de Biofísica Médica que hicieron posible este trabajo, a su vez a los Doctores Alejandro Bordelois y Carlos Cabal por la revisión del manuscrito. 20