INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA DISEÑO DE UN PROTOTIPO GENERADOR DE ONDAS CAVITATORIAS PARA LA FRAGMENTACIÓN DE CÁLCULOS RENALES T É S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA P R E S E N T A : JESÚS ESPINOZA ESPINOSA ALEJANDRO REVILLA AZPEITIA ASESORES: M.C. Flores Martínez Joel Ing. Franco Martínez María Teresa Ciudad de México, 2016

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3 ÍNDICE OBJETIVO GENERAL... 1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 1 JUSTIFICACIÓN... 2 ANTECEDENTES... 4 ESTADO DEL ARTE... 4 ASPECTOS HISTÓRICOS DE LAS ONDAS DE CHOQUE Y SUS APLICACIONES EN MEDICINA... 4 CAPÍTULO I LITIASIS ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA DEL APARATO URINARIO: ENTORNO DE FORMACIÓN DE CÁLCULOS RENALES DESCRIPCIÓN DE LA UROLITIASIS MANIFESTACIONES CLÍNICAS DE LA LITIASIS RENAL LITOGÉNESIS URINARIA SATURACIÓN URINARIA INHIBIDORES DE LA LITIASIS URINARIA CLASIFICACIÓN DE LOS CÁLCULOS RENALES INDICACIONES DE LA EXTRACCIÓN ACTIVA DE CÁLCULOS CIRUGÍA ABIERTA PARA LA EXTRACCIÓN DE CÁLCULOS RENALES DISOLUCIÓN QUIMIOLÍTICA DE CÁLCULOS MEDIANTE IRRIGACIÓN PERCUTÁNEA LITOTRICIA EXTRACORPÓREA POR ONDAS DE CHOQUE (LEOC) CONTRAINDICACIONES DE LA LEOC LOCALIZACIÓN DE LA MASA LITIÁSICA REALIZACIÓN DE LA LEOC COMPLICACIONES CAPITULO II ULTRASONIDO ULTRASONIDO DEFINICIÓN FÍSICA DEL SONIDO APLICACIONES DEL ULTRASONIDO FISIOTERAPIA ABSORCIÓN MEDICAMENTOSA CIRUGÍA ESTÉTICA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL ULTRASONIDO GENERACIÓN DE UN ULTRASONIDO INTERACCIÓN CON LOS TEJIDOS TRANSDUCTORES PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ONDAS DE CHOQUE CAPÍTULO III ELABORACIÓN DE UN TEJIDO PHANTOM PROPAGACIÓN DEL ULTRASONIDO EN UN MEDIO PARÁMETROS ACÚSTICOS DE LOS TEJIDOS PHANTOM PHANTOMS ULTRASÓNICOS COMO TEJIDOS EQUIVALENTES DESARROLLO DE PHANTOMS SIMULADORES DE TEJIDOS MATERIAL Y EQUIPO UTILIZADO EN LA FABRICACIÓN DEL PHANTOM REACTIVOS FABRICACIÓN DEL PHANTOM PROTOCOLO PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL PHANTOM i

4 CAPITULO IV DISEÑO DEL PROTOTIPO REQUISITOS DE DISEÑO FUENTE DE ALIMENTACIÓN OSCILADOR DE ONDA SENOIDAL TRANSDUCTOR DE ULTRASONIDO ELEMENTOS DE DISEÑO ELEMENTOS DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN ELEMENTOS DE DISEÑO DEL OSCILADOR SENOIDAL ELEMENTOS DE DISEÑO DEL TRANSDUCTOR DE ULTRASONIDO CONSTRUCCIÓN DE UN INDUCTOR CAPÍTULO V CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO CONSTRUCCIÓN DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN CONSTRUCCIÓN DEL OSCILADOR DE ONDA SENOIDAL ELABORACIÓN DEL CIRCUITO IMPRESO Y ENSAMBLE DE COMPONENTES CONSTRUCCIÓN DEL TRANSDUCTOR DE ULTRASONIDO CAPITULO VI PRUEBAS Y RESULTADOS SIMULACIÓN DE LA RESPUESTA DEL PROTOTIPO RESPUESTA REAL DEL PROTOTIPO PRUEBAS REALIZADAS CON EL TEJIDO PHANTOM RESISTENCIA ELÉCTRICA DEL TEJIDO PHANTOM ANEXO I CONDICIONES DE DISEÑO DE LA RED DE POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR 2N ANEXO II ANÁLISIS TRANSITORIO DEL CIRCUITO RLC ANEXO III BIBLIOGRAFÍA ii

5 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir un prototipo electrónico para el tratamiento de cálculos renales que simule el funcionamiento del método de Litotricia Extracorpórea. OBJETIVOS ESPECÍFICOS o Construir un sistema electrónico para la generación de ondas ultrasónicas. o Diseñar un prototipo cuyos componentes se encuentren disponibles en el mercado nacional. o Simular las propiedades eléctricas y acústicas de un riñón mediante la técnica phantom. o Hacer pruebas con apoyo del generador de ondas sobre el tejido phantom para simular el funcionamiento del prototipo creado. o Realizar pruebas con el prototipo sobre el tejido phantom y analizar los resultados 1

6 JUSTIFICACIÓN La litiasis es la formación de cálculos en algunas vías excretoras y están denominados según el origen de su formación: Urolitiasis, que incluye todos aquellos formados en el aparato urinario; Colelitiasis, ubicado en la vesícula biliar; Sialolitiasis, que consiste en los formados en las glándulas salivales. La litiasis renal, que está incluida en la clasificada de urolitiasis, se define como la presencia de uno o más litos o cálculos en el riñón que a su vez se encuentran en diferentes partes del sistema urinario. Esta patología no tiene una estadística confiable en México, sin embargo, el Hospital General de México ha calculado una incidencia de 24 en cada 1000 mexicanos, por tanto, entre el 10% y 12% de la población llega a tener cálculos renales. Con una relación de 3:1 los hombres lo padecen en mayor frecuencia que las mujeres. La litiasis renal tiende a la recurrencia en el primer año de 10%, 35% a los 5 años y del 50% a los 10 años. En la actualidad la litiasis tiene un origen multifactorial en el que participan factores físicoquímicos, desequilibrios metabólicos, renales o el padecimiento de tumores. La presencia de la litiasis se presenta en los siguientes porcentajes: Renal cálcica: Está presente en 7 de cada 10 de los pacientes con litiasis renal y en un elevado porcentaje de ellos se observan alteraciones metabólicas urinarias, siendo las más frecuentes la hipercalciuria y la hipocitraturia (Arrabal, M., 2012). Renal acido-úrica: Aparecen con menor frecuencia. De estruvita: Se forman a partir de la interacción de los productos de degradación de proteínas y bacterias causantes de infecciones en la orina (Medica Sur, 2013). De cistina: Éste tipo de cálculo es formado por los desperdicios provenientes de los huesos, ligamentos y cartílagos de nuestro cuerpo (NKUDIC, 2013). En nuestro país el 80% de los cálculos son mixtos, los litos de calcio en 75%, los de fosfato de magnesio también conocidos como de estruvita tienen una presencia del 15%-20%, los litos de ácido úrico de 5% a 10% y los de causas metabólicas en un porcentaje menor al 1% (Hospital General de México, 2014). La litotricia con ondas de choque aplicada a la litiasis extracorpórea, aparece cuando ya se tenían desarrolladas técnicas quirúrgicas tanto abiertas como endourológicas, que permitían el tratamiento de la litiasis con elevados índices de éxito y escasas complicaciones. El desarrollo de la litotricia con ondas de choque o litotricia extracorpórea aparece como una técnica de apoyo y con la ventaja de no ser invasiva (Mohamed, Z. y Mohamed, A., 1994). La facilidad de la propagación de las ondas de choque brinda resultados a corto plazo. 2

7 Algunas otras formas de tratamiento pueden ser por la ingestión de medicamentos o, como ya se mencionó, la quirúrgica. El primero sólo se utiliza en casos de litiasis pielocalicial o ureteral menores de 1 cm, es eficiente únicamente cuando se demuestra una buena permeabilidad de la vida excretora. Así mismo tratamientos por ingesta de medicamentos son empleados en personas de edad avanzada (Sánchez, R., 1988). En el caso de la litotricia extracorpórea de alta frecuencia dirigida a la litiasis, fragmenta el cálculo en pedazos que pueden ser fácilmente excretados, liberados o extraídos posteriormente. Este proceso tiene la gran ventaja de evitar la cirugía abierta a pesar de ser costoso y que pueda requerir varias aplicaciones (Medica Sur, 2004). Se han mencionado los métodos que se utilizan en el tratamiento contra la litiasis y de ahí la importancia de este trabajo que pretende obtener el mismo beneficio de un Litotriptor, con una diferencia en lo que se refiere al tamaño y al costo, además de la facilidad de manipulación. Con la finalidad de obtener una terapia que muestre resultados satisfactorios en la eliminación de litios. Este trabajo presenta la propuesta de diseñar un sistema generador de ondas cavitatorias para el tratamiento por Litotricia Extracorpórea. Debido a los diferentes tipos de litos que aparecen y su clasificación de acuerdo a su ubicación se hablará únicamente a los cálculos renales, haciendo énfasis en el tratamiento de la litiasis renal cálcica, que se presenta con mayor incidencia en los que padecen esta enfermedad, con la gran ventaja de no ser un tratamiento invasivo. Dirigido a la sociedad con menores posibilidades económicas para evitar su tratamiento en hospitales especializados o privados, con la finalidad de que tengan acceso a un tratamiento similar de iguales beneficios a un precio accesible. Tiene la ventaja de la portabilidad que permite a los médicos atender a los pacientes de una manera más rápida y que facilita las aplicaciones del tratamiento sin descartar que el paciente no tenga una sensación extraña de estar bajo o sobre un aparato de grandes dimensiones que brinda el mismo beneficio. 3

8 ANTECEDENTES ESTADO DEL ARTE En el Siglo XVIII, se realizan las primeras operaciones endoscópicas para extraer cálculos renales con ayuda de instrumentos transvesicales con tenazas en la punta que podían destruir los litios. Actualmente se le conoce como litotricia ciega. En 1890, Nitze, desarrolla el cistoscopio. En el Siglo XIX, se comienza a utilizar disoluciones orales, que consiste en poder disolver por medio de ingesta de medicamentos o sustancias. En 1980, se desarrolla el uteroscopio conjuntamente con los métodos de punción lumbar para extraer el cálculo renal con ayuda del endoscopio a estos métodos se les conoció como Endourología. A finales de los años 90 s se comienza a utilizar el catéter doble jota o pigtail, que consiste en un catéter de sonda ureteral blanda para la extracción de los cálculos. En los años 80 s, paralelamente al desarrollo de la Endourología, se trabajó en el desarrollo de la eliminación de los cálculos renales por medio de la Litotripsia extracorpórea. Este método fue el primero en utilizar ondas de choque en el tratamiento de la litiasis (Vegas, F., 2001). ASPECTOS HISTÓRICOS DE LAS ONDAS DE CHOQUE Y SUS APLICACIONES EN MEDICINA En 1966, por accidente, la compañía aeroespacial Dornier descubrió la transmisión de las ondas de choque por el cuerpo humano. Cuando un ingeniero tocó una cartulina de uso diario en el mismo momento en que recibía un impacto de un proyectil de alta velocidad, con lo cual, sintió una especie de shock eléctrico, sin evidencia alguna de fenómenos eléctricos reales. En 1971 se consiguió la primera desintegración in vitro de cálculos renales mediante ondas de choque. Entre 1972 y 1974 se realizaron investigaciones sobre la desintegración de los cálculos renales por ondas de choque, producidas mediante la descarga de un electrodo bajo el agua y enfocadas con ayuda de un hemi-elipsoide (Candela, M., 2013). En 1974 y 1978, Chaussy efectuó estudios in vitro e in vivo sobre la reacción de las ondas de choque enfocadas sobre los tejidos, con el fin de descartar la posibilidad de lesionar de manera grave los tejidos vecinos tras la aplicación del tratamiento. 4

9 En 1980, Chaussy, en el Departamento de Urología de la Universidad de Munich, trató con éxito al primer paciente con cálculos renales mediante la litotricia extracorpórea por ondas de choque (por sus siglas en ingles Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy) E.S.W.L. (Schippapietra, J., 2001). En 1983 se desarrolló en modelo Dornier HM3 que comienza a producirse en serie y a distribuirse en diferentes hospitales del mundo (Schippapietra, J., 2001 y Candela, M., 2013). En 1984 es aprobada la utilización del equipo Dornier HM3 por la Food and Drug Administration (FDA) difundiendo este método por todo el mundo (Candela, M., 2013). La aparición de la ESWL, que es aplicada externamente al cuerpo mediante la generación de energía, posibilita la fragmentación de los cálculos renales y facilita su expulsión a través de las vías urinarias (Schippapietra, J., 2001). 5

10 CAPÍTULO I LITIASIS Debido al amplio campo que refiere a la litiasis renal, se mencionan algunos aspectos básicos referentes a la fisiología y anatomía en los que es apta la formación de cálculos renales, para posteriormente hacer una descripción general de la litiasis renal, mencionando los mecanismos de formación de cálculos renales, así como su respectiva clasificación. Además de algunas técnicas para el análisis de la litiasis renal 1.1. ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA DEL APARATO URINARIO: ENTORNO DE FORMACIÓN DE CÁLCULOS RENALES. El aparato urinario (Figura 2.1) está compuesto por dos vías excretoras convergentes a la vejiga y que se inician en los riñones, órganos encargados de la producción de orina, con forma de frijol, de dimensiones aproximadas de 12 cm de longitud por 6 cm de ancho por 3 de espesor y de un peso en la proximidad de 150 g. Figura Aparto urinario. 6

11 Un corte de riñón (Figura 2.2) muestra dos zonas bien definidas: la corteza y la médula. En el centro del órgano se aprecia un seno renal, que es donde comienzan las vías excretoras y acceden los vasos sanguíneos y nervios. La medula está formada por unidades denominadas pirámides de Malpighi. Las papilas renales se encargan de recoger el producto liberado por las áreas sebosas. Figura Visión interna del riñón El aparato urinario continúa con los uréteres, que son conductores de 25 a 30 cm de longitud, que se encargan del transporte de la orina desde la pelvis renal hasta la vejiga, reservorio elástico muscular el cual se encarga de la continua producción de orina y su expulsión intermitente y a voluntad. La cantidad de orina almacenada por la vejiga es variable entre los 300 y 350 cc que son las cantidades estimulantes a la expulsión de la orina, pasando por los 750 a 1,000 cc que pueden ser retenidos con esfuerzo y molestia, hasta llegar a litros en distenciones por obstrucción que pueden incluso provocar un desgarre o ruptura. Finalmente a través de la uretra la orina es expulsada, conducto que comunica la vejiga directamente con al exterior (Sarrat, R., 1993). En lo concerniente al aparato urinario, los riñones están relacionados con el mantenimiento constante de la composición del organismo, como lo es la relación acido-base y el balance de la sal en el cuerpo, proceso en el cual son extraídos los desechos de la sangre conllevados por el metabolismo celular y desechándolos a través de la orina. 7

12 1.2. DESCRIPCIÓN DE LA UROLITIASIS La urolitiasis consiste en la generación de cálculos en el sistema urinario. Un cálculo urinario es una estructura sólida que es provocada por la alteración en el balance físico-químico y/o variaciones en el aparato urinario, desde los túbulos colectores hasta la uretra. El tamaño mínimo de esta estructura es de 1000 micras, y están formadas principalmente por elementos cristalinos o sales urinarias y en una medida menos de elementos amorfos originales y/o inorgánicos, que pueden ser mixtos con sustancias no cristalinas de alto peso molecular (García, M., 1993). La formación de cálculos (Tabla 1.1) tienen un origen multifactorial epidemiológico que favorecen su aparición, algunos dependen del propio individuo, como la herencia, la raza, edad, sexo, entre otras cosas y otros en relación con factores medio-ambientales (Tabla 1.2), entre los que destacan los hábitos alimenticios y de ingesta de líquidos, factores climáticos y estacionales, distribución geográfica, profesión e incluso nivel socioeconómico. En cada caso de formación de cálculos se deben tomar en cuenta la influencia de ambos factores epidemiológicos. Tabla 1.1 Marcadores de riesgo de la urolitiasis Edad Sexo Raza Herencia Marcadores de riesgo Prevalencia máxima de la enfermedad entre la tercera y quinte década de vida. La litiasis afecta predominantemente al sexo masculino. En las mujeres predomina la litiasis de origen infeccioso o las relacionadas con defectos metabólicos, mientras que en os hombres predomina la litiasis oxalocálcica, así como la litiasis úrica. Los asiáticos tienes una predisposición a padecer la enfermedad a diferencia de la raza negra, con una menor propensión, Juega un papel de vital importancia en la litiasis úrica, xantínicas, cistinúricas y de litiasis cálcica. Tabla 1.2 Factores de riesgo Dieta Ingesta de líquidos Factores de riesgo Puede favorecer la eliminación por la orina tanto de sustancias litógenas, como inhibidores de la cristalización. Son muy frecuentes los hábitos y excesos dietéticos, individuales y familiares que favorecen la litiasis en alguna de sus formas. El aporte oral de líquidos provoca una dilución osmótica extracelular, que produce una dilución y disminuye la precipitación cristalina en las personas predispuestas a formar cálculos. Por el contrario, la baja diuresis se considera como uno de los factores de riesgo más importantes. 8

13 Factores climáticos y estacionales Distribución geográfica Nivel socioeconómico y profesión El aumento de la temperatura atmosférica determina el de las piedras hídricas, la disminución de a diuresis, y la elevación de la concentración urinaria de solutos, favoreciendo la enfermedad litiásica. Las manifestaciones clínicas de esta aparecen con mayor frecuencia en la época estival. La litiasis urinaria es frecuente en estados unidos, Europa central, países mediterráneos, Pakistán, India y China, a diferencia de Sudamérica y la mayor parte de África. Un nivel socioeconómico alto conlleva una mayor frecuencia de dietas ricas en proteínas animales, azúcares, alimentos que conducen a una mayor presencia urinaria de oxalato, urato y calcio, lo que aumenta la presencia de litógeno. Las profesiones que componen una vida sedentaria y/o que se desempañan en un ambiente caluroso tienen un mayor factor de litiasis. El estrés es considerado un factor de riesgo importante. Los sectores más marginados, así como los países subdesarrollados, presentan un predominio de la litiasis infecciosa MANIFESTACIONES CLÍNICAS DE LA LITIASIS RENAL La existencia de un cálculo en el aparato urinario puede determinar múltiples manifestaciones clínicas como son: Litiasis asintomática. La presencia de un cálculo calicial, piélico, incluso ureteral, se pueden tener de una manera totalmente silenciosa, sin síntomas clínicos o biológicos. Litiasis oligosintomática. La existencia de un cálculo localizado en un cáliz, pelvis renal o divertículo calicial suele ponerse en evidencia por síntomas de escasas intensidad: dolores sordos, incomodidad o pinchazos. Son dolores crónicos de tipo lumbar que se alivian y desaparecen con el reposo, desencadenados por la actividad física. Cólico nefrítico. Es el caso más grave de la litiasis. El dolor depende según el tipo de cálculo, la localización del mismo y de las alteraciones mecánicas o dinámicas del flujo urinario, como la hiperpresión y disfunción de la vía urinaria. Los traumas en la zona del cálculo aumentan la intensidad del cólico y puede enclavar el lito (Drach, G., 1983). Cálculo renal séptico. Es la complicación de un cálculo renal que obstruye las vías urinarias provocando infecciones en la vía obstruida. La litiasis urinaria, sea o no obstructiva, favorece la aparición de infecciones urinarias, así como la aparición de otras patologías que se presentan a causa de la presencia del cálculo o provocadas por la obstrucción que este provoca. 9

14 1.3. LITOGÉNESIS URINARIA De manera global el proceso litogénico tiene un fenómeno central, el fenómeno de sobresaturación de diversas sustancias en la orina que se pueden cristalizar formando concreciones sólidas, indicando una ausencia de los inhibidores de la cristalización, por la alta presencia de sustancias que promueven dicha cristalización y por factores morfológicos renales. Por tanto, para la formación de cálculos, la función renal debe permitir la excreción de una cantidad excesiva de elementos químicos en condiciones saturadas y ph adecuado para su cristalización favorecido por la ausencia de inhibidores de la precipitación y agregación cristalina. En cuanto comienza su formación, es indispensable que permanezcan en el riñón hasta alcanzar un tamaño que haga imposible su expulsión de manera normal para que sean considerados cálculos. Existe un equilibrio entre los factores dependientes de los componentes de la orina y los factores morfológicos. Cuando el equilibrio se altera, es de alta probabilidad un episodio litiásico. La ocurrencia de estos casos se debe, por ejemplo, a la alta concentración de compuestos litógenos en la orina, por mencionar algunos, la hipercalciuria, hiperoxaluria, hiperuricosuria o la presencia nula o parcialmente baja de los inhibidores, como son: hipomagnesemia, hiperuricosuria. Aun así, es necesario, en la mayoría de los casos, la alteración de los factores inhibidores de la composición de la orina y los factores morfoanatómicos para el desarrollo de un lito, mencionado esto, en su mayoría es necesaria la eliminación de un sólo cálculo para evitar su reincidencia. (García, M.; Arrabal, M. y Campoy, P., 1993) SATURACIÓN URINARIA La saturación de una sustancia iónica se define como el cociente de su producto de actividad iónica en solución y su producto de solubilidad termodinámico. El producto de solución termodinámico define que en algunas condiciones de fuerza iónica y temperatura limitaran la formación de sustancias ionizables, lo cual altera el equilibrio de dichas sustancias. Así, una disolución saturada es estable por un tiempo indefinido, es decir que no se cristaliza y las partículas sólidas en contacto con esta solución no tienden a disolverse. Por el contrario, una disolución sobresaturada contiene un exceso de soluto y por tanto intentará alcanzar nuevamente un estado de equilibrio. La teoría actual sobre la formación de cristales hace alusión a que estos se forman a través de tres etapas claramente diferenciadas: la nucleación, el crecimiento cristalino y la agregación cristalina. 10

15 Tomando en cuenta el proceso de cristalización, la orina, se puede clasificar en tres tipos: infrasaturada, metaestable e hipersaturada, dependiendo del ph de dicha sustancia, la temperatura, presencia de complejantes y fuerza iónica del medio (Figura 2.3) En donde: Figura Saturación urinaria Kf: Solubilidad condicionada a la formación de cálculo de forma espontanea Ks: Solubilidad termodinámica Uno de los factores necesarios para la nucleación, crecimiento y agregación del cristal, es la sobresaturación urinaria. Sin embargo, los factores que provocan el proceso de cristalización son variados, y cabe la posibilidad de que incluso un sujeto sano presente orinas normalmente sobresaturadas (Robertson, W., 1968). De esta manera, la orina litogénica s encuentra sobresaturada en algún momento, respecto al oxalato cálcico, ácido úrico, fosfatos cálcicos, entre otras. Normalmente, la concentración de estos elementos únicamente causa la formación de estas sales de forma intermitente, y se mantiene por debajo el resto del tiempo, de manera que se requiere de promotores o una desactivación de inhibidores para la formación de cristales INHIBIDORES DE LA LITIASIS URINARIA Los inhibidores de la urolitiasis, son una seria de sustancias orgánicas e inorgánicas estabilizadoras de la orina, que permiten la concentración de la orina de elementos químicos susceptibles de cristalizar, interfiriendo en los sitios activos de crecimiento del cristal o bien formando complejos más solubles el unirse a las sustancias cristalinas y facilitando su expulsión (Robertson, W., 1985). 11

16 Por tanto, los inhibidores de la cristalización se definen como toda sustancia que impide o dificulta la formación de un determinado material cristalino al intervenir en una o varias de las etapas de su formación, nucleación, crecimiento cristalino y/o agregación. Entre los inhibidores de la urolitiasis destacan diversas especies químicas de bajo peso molecular, como el citrato, el magnesio, el pirofosfato y algunos compuestos macromoleculares, en su mayoría, proteínas sintéticas en el riñón, que juegan un papel importante en el proceso de inhibición de la litogénesis. En la Tabla 2.3 siguiente se mencionan algunos de los inhibidores de la litogénesis oxalocálcica y fosfocálcica, indicando las etapas de la cristalización que resultan afectadas por su actividad (Grases, F., 1988). Tabla 2.3 Inhibidores de la litogénesis Oxalato cálcico Fosfato cálcico Nucleación Citrato Macromoléculas Magnesio Glicosaminoglicanos Fitato Pirofosfato Citrato Fluoruro Magnesio Fitato Crecimiento cristalino Citrato Nefrocalcina Glicosaminoglicanos Magnesio Pirofosfato Fitato Pirofosfato Citrato Fluoruro Magnesio Agregación Pirofosfato Citrato Glicosaminoglicanos Proteína de Tamm Horsfall Pirofosfato Citrato Glicosaminoglicanos 1.4. CLASIFICACIÓN DE LOS CÁLCULOS RENALES De manera general, la litiasis renal se puede clasificar, de acuerdo a su composición química, en seis grupos: Litiasis de oxalato cálcico (70-80% de los casos) Litiasis de fosfato cálcicos (5-10% de los casos) Litiasis de ácido úrico (5-10% de los casos) Litiasis de estruvita o infecciosa (5% de los casos) Litiasis de cistina (1% de los casos) Litiasis medicamentosa (1% de los casos) Esta clasificación es de gran importancia en la práctica clínica ya que permiten conocer las posibles alteraciones urinarias susceptibles de haber desencadenado el proceso litiásico, proporcionando información adecuada para el tratamiento de la enfermedad y tratar de evitar la reincidencia (Daudon, M., 1993). 12

17 A continuación se describen los distintos tipos de cálculos renales más frecuentes, según la clasificación ya mencionada, en función de su composición. De esta manera, se mencionaran brevemente los mecanismos de formación de los diferentes tipos de litos así como los principales factores de su formación INDICACIONES DE LA EXTRACCIÓN ACTIVA DE CÁLCULOS Es importante evaluar el tamaño, la localización y la forma de los cálculos en el momento de presentación inicial, la probabilidad de expulsión espontánea, la presunta composición de los cálculos, los síntomas y la presencia de una infección urinaria u obstrucciones. Además, ha de determinarse la situación médica y social del paciente. En los cálculos con un diámetro superior a 6 mm está indicada la extracción. Los cálculos renales asintomáticos originan problemas clínicos con el tiempo. Los cálculos pequeños (menores a 6 mm) en un cáliz pueden causar dolor o molestias Considerables. Estos cálculos deben extraerse mediante una técnica mínimamente invasora (Psihramis. KE, 1987) CIRUGÍA ABIERTA PARA LA EXTRACCIÓN DE CÁLCULOS RENALES Con los avances en los métodos no invasivos, se han reducido sustancialmente las indicaciones de la cirugía abierta de cálculos. La mayoría de los casos que requieren cirugía abierta consisten en situaciones litiásicas difíciles, por lo que los urólogos deben mantener sus conocimientos, destreza y experiencia en las técnicas quirúrgicas renales y uretrales abiertas. Sin embargo, debido a las diferentes modalidades terapéuticas disponibles actualmente para el tratamiento quirúrgico de los cálculos, puede ser discutible si una operación abierta resulta apropiada en un caso concreto. Una intervención quirúrgica abierta puede ser preferible cuando el volumen principal del cálculo se encuentra localizado periféricamente en los cálices, especialmente cuando podrían necesitarse varios accesos percutáneos y varias sesiones de ondas de choque (probablemente insatisfactorias) para lograr una eliminación completa de los cálculos (Tiselius. HG et al, 1999, Lingeman. JE, 1987). Desde el inicio de la cirugía de la litiasis como tal, a finales del siglo XIX, hasta nuestros días, los diferentes intentos quirúrgicos para conseguir la extracción de los cálculos del riñón pueden clasificarse en los siguientes grupos de técnicas: Extracción a través del parénquima o nefrolitotomía Extracción resecando parénquima o neurectomia parcial Extracción a través de la pelvis o piel litotomía Nefrectomía 13

18 1.7. DISOLUCIÓN QUIMIOLÍTICA DE CÁLCULOS MEDIANTE IRRIGACIÓN PERCUTÁNEA La disolución quimiolítica de cálculos o fragmentos de cálculos es un complemento útil de la Nefrolitotomía Percutánea (NLP) y la cirugía abierta para lograr una eliminación más completa de pequeños cálculos o fragmentos residuales. El tratamiento quimiolítico oral es una alternativa para eliminar los cálculos de ácido úrico (Tiselius. HG et al, 1999, Fahlenkamp. C et al, 1989) LITOTRICIA EXTRACORPÓREA POR ONDAS DE CHOQUE (LEOC) La LEOC es una tecnología que utiliza ondas de choque focalizadas para la desintegración de cálculos renales y uretrales. Las ondas de choque son ondas de presión producidas por una descarga eléctrica de alto voltaje en un electrodo sumergido bajo el agua. La descarga eléctrica es generada por un condensador durante un corto espacio de tiempo. El electrodo está situado en el foco geométrico de un reflector semielipsoidal y cuando se le aplica una descarga eléctrica se produce una vaporización explosiva del agua que genera las ondas de choque. Las ondas de choque se comportan como ondas elásticas y por tanto se rigen por las mismas leyes de propagación que las ondas acústicas. En el medio por el que se transmiten lo hacen por sucesivos fenómenos de descomposición molecular en fuerzas de compresión y tensión. La velocidad de propagación depende de la densidad del medio que atraviesen las ondas (Williams. A et al, 1989). Cuando la onda encuentra un límite o interface entre dos medios (agua y cálculos) de diferente densidad, los impulsos compresivos pueden superar las fuerzas de tensión del medio con mayor densidad. La velocidad del sonido en el medio litiásico es significativamente diferente a la que atraviesa otros medios (tejidos corporales). Por ello, cuando la onda se acerca al cálculo, la energía se refleja, creando una fuerza compresiva en la superficie anterior del cálculo. En la superficie posterior litiásica, la reflexión de esa fuerza de compresión genera una onda tensional que atraviesa el cálculo en dirección contraria hacia la superficie anterior. Si la fuerza tensional supera las fuerzas de cohesión del cálculo se produce la fragmentación litiásica. El proceso de cavitación con colapso de las burbujas y producción de micro-chorros energéticos, también ejerce un efecto erosivo, que puede ser evidenciado por la presencia de pequeños cráteres profundos en la superficie anterior del cálculo. La onda compresiva se refleja como una onda de tensión en la superficie posterior del cálculo, debido a la gran diferencia en impedancia entre el cálculo y el medio fluido que lo rodea. Esta onda, en ocasiones, supera la fuerza tensional del cálculo, produciendo un descascarillado en su superficie posterior. Así pues, distintos mecanismos físico-energéticos contribuyen a la 14

19 fragmentación litiásica. Unos actúan en la superficie anterior del cálculo (fuerzas compresivas, mecanismo de cavitación), otras en la superficie posterior (descascarillado), y otras en el interior (onda tensional reflejada) ver Figura 2.4 (Coleman. A et al, 1987). Figura mecanismos de fragmentación litiásica. Ondas de choque (O Ch); Superficie anterior del cálculo (SA); zona media del cálculo (ZM); superficie posterior del cálculo (SP); 1. Acción de ondas compresivas (Oc); 2. Fenómeno de cavitación (Cav); 3. Reflexión de ondas tensionales (Ot), plano de fractura; 4. Descarrillado (Desc.) CONTRAINDICACIONES DE LA LEOC La LEOC tiene algunas contraindicaciones. Entre ellas figuran: Embarazo Coagulación de la sangre no controlada Infecciones urinarias no controladas Aneurismas aórticos o de las arterias renales cerca del cálculo tratado Malformaciones óseas graves Obesidad grave 15

20 LOCALIZACIÓN DE LA MASA LITIÁSICA La velocidad de eliminación de los cálculos ubicados en los cálices inferiores es menor que la de los localizados en otras partes del riñón. La velocidad de eliminación de los cálculos ubicados en el polo superior es más rápida que la de los localizados en el polo inferior. Muchos cálculos renales se localizan en el cáliz inferior. La mejor manera de tratar estos cálculos es discutible. La mayoría de los fragmentos residuales se alojan en el sistema calicial inferior. Estos cálculos se originan en los cálices del polo inferior o gravitan hacia allí desde otros lugares. Sigue sin saberse por qué los cálculos se desarrollan preferentemente en los cálices del polo inferior, aunque la acumulación de fragmentos en esta ubicación se debe con toda probabilidad a la acción de la gravedad (Musa. AA, 2008). En ausencia de una explicación geométrica, se ha comprobado que el tamaño de los cálculos es el factor más importante. Aunque la geometría del sistema pielocalicial inferior es importante en la eliminación de los fragmentos, la potencia discriminativa no es suficientemente alta para predecir el resultado de la LEOC ni para ayudar a seleccionar métodos alternativos de eliminación de cálculos (Pearle. MS et al, 2005) REALIZACIÓN DE LA LEOC El resultado óptimo del tratamiento con LEOC (tasa elevada de ausencia de cálculos, tasa baja de retratamiento, pocos indicios de complicaciones y procedimientos complementarios) depende de numerosos factores. Algunos de estos factores son más importantes de lo que parecen a primera vista. Los resultados del tratamiento dependen del cirujano, de modo que los mejores resultados los obtiene un urólogo que ha tratado a un mayor número de pacientes, ha aplicado un número elevado de descargas y ha contado con el mayor tiempo de radioscopia (Logarakis. NF et al, 2000). También es importante cerciorarse de que existe un acoplamiento acústico adecuado entre la almohadilla del cabezal de tratamiento y la piel del paciente. Un defecto (bolsa de aire) en el gel de acoplamiento refleja el 99% de las ondas de choque, de modo que un defecto de tan sólo 2% en la capa gel de acoplamiento reduce la fragmentación de los cálculos en un 40% (Pishchalnikov. YA et al, 2006). El gel ecográfico es, probablemente, el mejor producto disponible de acoplamiento para la litotricia (Cartledge. JJ et al, 2001). A fin de reducir las bolsas de aire, el gel ecográfico debe introducirse en el colchón de agua directamente desde el envase en lugar de hacerlo con la mano (N eucks. JS et al, 2008). Durante el tratamiento se requiere un control minucioso del dolor para limitar los movimientos inducidos por el dolor y las excursiones respiratorias excesivas. 16

21 El número de ondas de choque que pueden aplicarse en cada sesión depende del tipo de litotriptor y de la potencia de las ondas de choque. No hay consenso acerca del número máximo de ondas de choque. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia de las ondas de choque, también el daño tisular. La disgregación de los cálculos aumenta con frecuencias más bajas. Para mejorar la fragmentación de los cálculos y prevenir la lesión renal, el tratamiento debe iniciarse con una configuración energética más baja, con un aumento escalonado de la potencia (G rasso. M et al, 1995) COMPLICACIONES Cuando la LEOC se utiliza para tratar cálculos renales grandes (es decir, diámetro mayor a 20 mm), algunas complicaciones frecuentes son: Dolor Hidronefrosis debida a calle litiásica Fiebre Sepsis de origen urinario ocasional, debido a dificultades para expulsar las partículas litiásicas, especialmente cuando la disgregación no resulta suficiente (Baltaci. S et al, 1992, michaels. Ek et al, 1989). CAPITULO II ULTRASONIDO 2.1. ULTRASONIDO Para comenzar a hablar de ultrasonido es necesaria la definición de sonido. La palabra sonido, se refiere a vibraciones mecánicas en un medio elástico, con las cuales se pueden hacer vibrar la membrana timpánica, convirtiéndose en vibraciones sonoras dependientes de su frecuencia, en donde las frecuencias inferiores a los 20 Hz son subsónicas ó infrasonidos y las superiores a los 20,000 Hz se consideran ultrasonido. tipos: Las ondas sónicas son clasificadas dependiendo de su frecuencia y son clasificadas en tres Infrasonidos: Son ondas de 20 vibraciones por segundo, en otras palabras, de menos de 20 Hz, que es el límite inferior de audición del oído humano. Sonido: Ondas de 20 a 20,000 Hz, que conforman todo el espectro de sonido que el humano es capaz de escuchar. Ultrasonidos: Son ondas mecánicas que tienen una frecuencia superior a los 20,000 Hz, aunque los utilizados en la medicina, comúnmente, varían entre los 0.5 y 3 MHz y hasta 10 MHz para ecografías (Jésica I, 2012). 17

22 2.2. DEFINICIÓN FÍSICA DEL SONIDO Hay cuatro propiedades básicas que caracterizan a un tono, a saber: frecuencia, intensidad, duración y timbre. La frecuencia es el número de oscilaciones por unida de tiempo realizada por la fuente sonora. La frecuencia se mide en Hertz (Hz), en honor al físico alemán Heinrich Hertz, descubridor de las ondas electromagnéticas, y corresponde a una oscilación por segundo. La intensidad del sonido se define como la potencia acústica por unidad de área. El contexto habitual es la medición de intensidad de sonido en el aire en el lugar del oyente. Las unidades básicas son V/m 2 o V/cm 2. La duración corresponde al tiempo que se mantienen las vibraciones producidas por un sonido. Éste parámetro está relacionado con el ritmo. Dicho parámetro viene representado en la onda por los segundos que ésta contenga. El timbre es el matiz que caracteriza sonido, que puede ser agudo o grave según la altura de la nota que corresponde a su resonador predominante. En concreto el sonido es la vibración mecánica de un medio elástico sólido, líquido o gaseoso, a través del cual se transmite la energía, de un modo continuo, desde la fuente que lo provoca al destino por ondas progresivas. Las ondas sonoras son un tipo particular de ondas llamadas ondas elásticas y se producen en un medio que posea masa y elasticidad. El sonido y su propagación obedecen a la ley sinusoidal. Ya que se desplaza o propaga longitudinalmente, (las partículas se desplazan en la misma dirección en la que avanza las ondas sonoras). "T" es el tiempo necesario para que se repita la oscilación y "A" la amplitud de la onda. Al punto más alto se le llama "cresta o pico", al punto más bajo "valle o vientre" y al centro "punto de equilibrio"(ver figura 2.1). Figura 2.1 Ciclo del sonido en un medio. 18

23 Velocidad del sonido: La velocidad depende de la masa, presión, temperatura y de la elasticidad del medio en el que se propaga. En un medio homogéneo, como el aire, el sonido se desplaza en todas direcciones creando el campo acústico esférico (Figura 2.2). Figura 2.2 Campo acústico en el Aire. El tono de referencia es de 1000 Hz, es el sonido que sale en la carta de ajuste. Si un tono contiene el doble de vibraciones por segundo que otro tono, la diferencia de los dos tonos es una octava. Los tonos puros (frecuencias simples) no contienen suficiente información con respecto a ondas vocales o musicales. Sólo hay un instrumento que crea el tono puro, es el diapasón (Figura 2.3) los demás no. Este sonido es usado en las medidas de los equipos. Figura 2.3 Diapasón 19

24 2.3. APLICACIONES DEL ULTRASONIDO FISIOTERAPIA El ultrasonido en fisioterapia utiliza la compresión y dilatación cíclica de ondas de frecuencia entre 1 y 3 MHz. La absorción de ultrasonido en tejidos blandos oscila en el rango de 2 a 5 cm 2, y la absorción decrece cuando las ondas penetran más profundamente. Esto permite la absorción por el tejido conectivo: ligamentos, tendones, fascia y tejidos de cicatrización. Los beneficios del ultrasonido en la fisioterapia son de dos tipos: térmicos y no térmicos. Los efectos térmicos se deben al calentamiento por absorción de las ondas sonoras. Los efectos no térmicos se deben a cavitación, micro inducción e inducción acústica. La cavitación resulta de la producción de burbujas microscópicas de aire, que transmiten las vibraciones para estimular las membranas celulares. Esta estimulación física mejora la capacidad de reparación celular en respuesta a las inflamaciones. La fisioterapia ultrasónica suele recomendarse para tratamiento de músculos y articulaciones, aunque no existe evidencia clara de su efectividad ABSORCIÓN MEDICAMENTOSA Se ha utilizado ultrasonido en varias terapias medicamentosas para mejorar la farmacodinamia en tejidos predeterminados, incluyendo la absorción transdérmica, la concentración de quimioterapia en el sitio del tumor, o la disposición de drogas trombolíticas en un coágulo sanguíneo. Adicionalmente se ha aplicado para facilitar la soldadura en una fractura ósea. Los efectos de la exposición a un ultrasonido alrededor de 1.58 MHz en el transporte de drogas sobre tejidos blandos se incrementan cuando se aplica un gradiente de presión para inducir la convección de fluidos a través del mismo. La farmacodinamia se ha medido en cerebros de equinos y músculos de aves, mostrando que el ultrasonido mejora la absorción y transporte, más aún cuando se aplica presión externa. Una teoría sobre el particular que se investiga en Cornell es que la exposición al ultrasonido del parénquima cerebral incrementa la penetración del material infundido (Josue, M., 2012). 20

25 CIRUGÍA ESTÉTICA Se utiliza comúnmente el ultrasonido en cirugía estética y reparadora para diferentes fines: para coadyuvar a los tratamientos de mesoterapia, en hidrolipoclasia, y como complemento en lipoescultura y lipoaspiración. La hidrolipoclasia ultrasónica aprovecha los efectos de la plasmosis hacer estallar las células hidratadas mediante ondas de choque ultrasónicas, lo que libera glicerol que se elimina metabólicamente por heces y orina. Se aplica para reducción de abdomen, papada, interior de piernas y otras zonas con exceso de tejido adiposo. También se utiliza el ultrasonido para reducir y mejorar estéticamente cicatrices provenientes de heridas o cirugías (Arqueros, 2013) CIRUGÍA CON ULTRASONIDO FOCALIZADO (FUS) GUIADA POR RESONANCIA MAGNÉTICA (RM) La cirugía con ultrasonido focalizado guiada por RM es un procedimiento ambulatorio, no invasivo, que usa ondas ultrasónicas focalizadas para destruir un conjunto de células. Puede utilizarse en neurocirugía para tratamiento de Parkinson y temblor esencial. También es utilizado en el tratamiento de fibromas uterinos, permitiendo su destrucción sin afectar ninguno de los otros tejidos alrededor del fibroma (Anónimo, 2014) LIMPIEZA DENTAL El ultrasonido se utiliza en odontología para tartrectomía, vale decir, la eliminación del sarro depositado sobre el esmalte. Este efecto se logra mediante cavitación, que permite destruir en pequeños fragmentos la capa de sales TRATAMIENTO DE LITIASIS En litiasis el ultrasonido se utiliza para complementar la cirugía endourológica, facilitando la extracción de cálculos grandes mediante su previa desintegración. Considerando la potencia necesaria para lograr la desintegración. Sin embargo, se han desarrollado equipos de ultrasonido que generan ondas de choque pulsátiles, lo que reduce notablemente la termogénesis. Todo lo referente a esta aplicación está escrito en el capítulo anterior (Capítulo II). 21

26 2.4. VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL ULTRASONIDO La velocidad de propagación es aquella en la que el sonido viaja a través de un medio, y se considera típicamente de m/s en los tejidos blandos. La velocidad de propagación del sonido varía dependiendo del tipo y características del material por el que atraviese. Los factores que determinan la velocidad del sonido a través de una sustancia son la densidad y la compresibilidad, de tal forma que los materiales con mayor densidad y menor compresibilidad transmitirán el sonido a una mayor velocidad. Esta velocidad varía en cada tejido; por ejemplo, en la grasa, las ondas sonoras se mueven más lentamente; mientras que en el aire, la velocidad de propagación es tan lenta, que las estructuras que lo contienen no pueden ser evaluadas por ultrasonido. Por otro lado, la velocidad es inversamente proporcional a la compresibilidad; las moléculas en los tejidos más compresibles están muy separadas, por lo que transmiten el sonido más lentamente GENERACIÓN DE UN ULTRASONIDO Cualquier objeto que vibre es una fuente de sonido. Las ondas sonoras pueden ser generadas mecánicamente (diapasón), en medicina se generan por medio de transductores electro acústicos. Efecto piezoeléctrico: son cambios eléctricos que se producen en la superficie externa del material piezoeléctrico al aplicar presión a los cristales de cuarzo y a ciertos materiales poli cristalinos (titanito de plomo- zirconato y titanato de bario). En el cuerpo humano se observan estos efectos especialmente en tejidos óseos, fibras de colágeno y proteínas corporales. Este efecto es reversible. Efecto piezoeléctrico invertido: si los materiales arriba mencionados son expuestos a una corriente eléctrica alterna experimentan cambios en la forma, de acuerdo con la frecuencia del campo eléctrico, convirtiéndose así en una fuente de sonido (David, W., 2014) INTERACCIÓN CON LOS TEJIDOS Cuando la energía acústica interactúa con los tejidos corporales, las moléculas tisulares son estimuladas y la energía se transmite de una molécula a otra adyacente. La energía acústica se mueve a través de los tejidos mediante ondas longitudinales y las moléculas del medio de transmisión oscilan en la misma dirección. Estas ondas sonoras corresponden básicamente a la rarefacción y compresión periódica del medio en el cual se desplazan (Figura 2.4). La distancia de una compresión a la siguiente (distancia entre picos de la 22

27 onda) constituye la longitud de onda, y se obtiene de dividir la velocidad de propagación entre la frecuencia. El número de veces que se comprime una molécula es la frecuencia (f) y se expresa en ciclos por segundo o Hertz. Figura 2.4 Longitud de la onda. Compresión y rarefacción. Cuando una onda de ultrasonido atraviesa un tejido se sucede una serie de hechos; entre ellos, la reflexión o rebote del haz ultrasónico hacia el cabezal, que es llamada "eco". Una reflexión ocurre en el límite o interfase entre dos materiales y provee la evidencia de que un material es diferente a otro; esta propiedad es conocida como impedancia acústica y es el producto de la densidad y velocidad de propagación. El contacto de dos materiales con diferente impedancia acústica da lugar a una interfase entre ellos (Figura 2.5). Así es como la impedancia (Z) es igual al producto de la densidad (D) de un medio por la velocidad (V) del sonido en dicho medio: Z = VD. Cuando dos materiales tienen la misma impedancia acústica, este límite no produce un eco. Si la diferencia en la impedancia acústica es pequeña se produce un eco débil; por otro lado, si la diferencia es amplia, se produce un eco fuerte y si es muy grande se refleja todo el haz de ultrasonido. Figura 2.5 Interacción del Ultrasonido con los tejidos 23

28 En los tejidos blandos la amplitud de un eco producido en la interfase entre dos tejidos representa un pequeño porcentaje de las amplitudes incidentes. Cuando se emplea la escala de grises, las reflexiones más intensas o ecos reflejados se observan en tono blanco (hiperecoicos) y las más débiles, en diversos tonos de gris (hipoecoicos) y cuando no hay reflexiones, en negro (anecoicos) TRANSDUCTORES Un transductor es un dispositivo que transforma el efecto de una causa física, como la presión, la temperatura, la dilatación, la humedad, etc., en otro tipo de señal. En otras palabras, todo aquel dispositivo que transforma un tipo de energía a otra. En el caso de los transductores de ultrasonido, la energía ultrasónica se genera en el transductor, que contiene los cristales piezoeléctricos; éstos poseen la capacidad de transformar la energía eléctrica en sonido y viceversa, de tal manera que el transductor o sonda actúa tanto como emisor y receptor de ultrasonidos (Figura 2.6). Figura 2.6 Transductor La circonita de plomo con titanio es una cerámica usada frecuentemente como cristal piezoeléctrico y constituye el alma del transductor. Existen cuatro tipos básicos de transductores: sectoriales, anulares, de arreglo radial y los lineales; difieren tan sólo en la manera en que están dispuestos sus componentes. Los transductores lineales son los más frecuentemente empleados en ecografía músculoesquelética: se componen de un número variable de cristales piezoeléctricos, usualmente de 64 a 256, que se disponen de forma rectangular y que se sitúan uno frente al otro. Funcionan en grupos, de modo que al ser estimulados eléctricamente producen o emiten simultáneamente un haz ultrasónico. 24

29 2.8. PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ONDAS DE CHOQUE Aunque las ondas de choque, sónicas y ultrasónicas (éstas se diferencian de las otras simplemente en que su longitud de onda es menor) se transmiten por las mismas leyes de la física acústica, son claramente diferentes, si se las estudia desde el punto de vista de contenido energético (Figura 2.7). Figura onda de choque y onda ultrasónica. Graficas de presión (P) contra tiempo (T). Las ondas de choque tienen un componente de presión (P) exclusivamente positivo y una relajación lenta y gradual, su transmisión a través del agua ocurre a una velocidad ligeramente superior a la del sonido. Por el contrario, las ondas ultrasónicas tienen un componente de presión positivo y otro negativo de tensión que van alternando de forma gradual. Las rápidas vibraciones longitudinales de la broca ultrasónica rompen la piedra cuando se le aplican los ultrasonidos. 25

30 El uso de las ondas de choque para la destrucción de las concreciones renales se basa en las siguientes propiedades físicas: Si cuando la onda de choque alcanza el cálculo, la presión que produce excede las fuerzas de cohesión de la piedra, ésta se quiebra. Cuando la onda de choque se transmite a través del agua las pérdidas de energía al atravesar el cuerpo hasta alcanzar el cálculo son mínimas, 10% de energía por cada 10 cm de tejido blando atravesado, aproximadamente. Las ondas de choque pueden ser focalizadas con precisión si se utiliza un reflector elipsoidal, de ahí se deriva la base de su eficacia y a la vez inocuidad en litotricia. Las ondas de choque generadas por descargas eléctricas de un electrodo bajo el agua son fácilmente reproductibles en clínica y de ahí surge su utilidad en medicina. Cuando atraviesan el organismo las ondas de choque no son lesivas para el mismo (loughlin. Kr, 1994). Las ondas de choque son ultrasonidos de alta potencia que se utilizan desde hace años en litotricia para romper los cálculos del riñón. Sus efectos se transmiten por el agua del cabezal y a través del gel a la piel del paciente. Las ondas de choque (ESWT) son ultrasonidos de alta potencia que se utilizan desde hace años en litotricia para romper los cálculos del riñón. Sus efectos se transmiten por el agua del cabezal y a través del gel de la piel del paciente. Estas ondas o impactos suelen ser electromecánicos o electrohidráulicos, de alta o baja energía._susefectos producen efectos mecánicos o biológicos según se utilicen unos u otros y de pendiendo de la patología a tratar. Los efectos generales de las ondas de choque son analgésicos a baja energía, regenerativos a mediana energía y de cavitación o pulverización a alta energía y se utiliza unas u otras dependiendo del uso deseado. 26

31 CAPÍTULO III ELABORACIÓN DE UN TEJIDO PHANTOM 3.1. PROPAGACIÓN DEL ULTRASONIDO EN UN MEDIO Los medios en los cuales se pueden propagar las ondas mecánicas son capaces de soportar deformaciones en su interior. Estas pueden ser de tipo de compresión o dilatación y están presentes en sólidos líquidos y gases. En ambos tipos de deformaciones se puede asumir que cada punto de medio material se asemeja a un resorte, lo cual no es más que plantearse la hipótesis de un modelo de elasticidad ideal, donde no existiría el fenómeno de amortiguación. Matemáticamente la elasticidad se define a través de constantes elásticas para cada material, es decir la elasticidad define las condiciones de un medio para permitir la propagación de ondas mecánicas en su seno. La velocidad y la atenuación son dos variables experimentales de la acústica en la caracterización de materiales. A partir de la medición de estos dos parámetros se puede obtener información estructural de un cuerpo con diversas aplicaciones en la industria y la medicina PARÁMETROS ACÚSTICOS DE LOS TEJIDOS. Es de vital importancia conocer las propiedades acústicas de los tejidos. Existen dos propiedades del ultrasonido que deben ser consideradas al evaluar una muestra. Estas son: Atenuación (absorción, scattering y dispersión) del haz ultrasónico. [db/cm] Velocidad de propagación. [m/s] La atenuación se define como la caída en la amplitud de la señal y se expresa mediante un coeficiente cuyo valor depende de la frecuencia, la distancia y el material. Los tejidos blandos tienen un coeficiente atenuación que crece exponencialmente con la frecuencia, debido a la visco elasticidad. Dicha absorción depende del cuadrado de la frecuencia. La atenuación ultrasónica en tejidos corresponde a la suma de las perdidas correspondientes a la absorción, al scattering y a la dispersión. El proceso de scattering, es la discontinuidad elástica dentro del tejido absorbiendo la energía y entonces son reemitidas en una dirección de propagación diferente. La atenuación es dependiente de la temperatura, pero en muchos tejidos tiene aparentemente un cambio muy pequeño. 27

32 En la tabla 3.1 se detallan los parámetros acústicos para algunos tejidos. Tabla 3.1. Propiedades acústicas del tejido para 37 C, a una frecuencia de 1 MHz 3.2. PHANTOM Un recurso empleado para evaluar nuevas técnicas, comprender deficiencias en la detección de la información deseada o bien para preparar la transición de la técnica de la fase de laboratorio a la clínica, requiere del uso de objetos inanimados estables y reproducibles llamados phantom PHANTOMS ULTRASÓNICOS COMO TEJIDOS EQUIVALENTES. En la ultrasonografía para diagnóstico, entiéndase como phantoms los cuerpos de prueba utilizados para imitar las propiedades acústicas del tejido humano, haciendo posible el estudio de la interacción del tejido con el ultrasonido. Los cuerpos de prueba pueden ser clasificados en dos tipos: el primero busca imitar las propiedades ultrasónicas del tejido tales como la velocidad de propagación de la onda (VPO), los coeficientes de atenuación y dispersión, etc.; y el segundo, que tiene como objetivo principal aproximarse a la apariencia sonográfica de los tejidos a través de volúmenes que simulan quistes y/o órganos. Los phantoms que pertenecen a la primera categoría, usualmente son hechos de materiales con propiedades acústicas muy próximas de aquellas mostradas por el tejido, por 28

33 ejemplo agar mezclado con grafito en polvo, geles de silicato de magnesio, y espumas de poliuretano. Estos phantoms, además de tener un costo elevado, son de construcción compleja. Por otro lado, los phantoms utilizados para simular quistes o determinadas masas de tejido, son más simples de ser construidos. Ellos pueden ser ecogénicos o transparentes al ultrasonido. El material ecogénico produce dispersión y consiste, en general, de harina para empanizar suspendida en gelatina, o bien en polvo de carburo de silicio suspendido en agar (Gloria M., 2010) DESARROLLO DE PHANTOMS SIMULADORES DE TEJIDOS. Para este prototipo se desarrolló un phantom de tejido suave, con el que se simula la velocidad de propagación del ultrasonido en tejido, así como su consistencia. Se fabricó un sólo tipo de phantom de tejido suave, el cual se logra alterando las propiedades ultrasónicas de interés; a través de la variación de las concentraciones de diversas sustancias. Las propiedades que se modificaron son: Velocidad: glicerina Consistencia: Agar-agar. Simulación de la velocidad: Para simular la velocidad acústica, los factores más importantes son los alcoholes, de éstos se escogió al glicerol porque su pendiente sigue el mismo patrón de comportamiento que la del agua, la cual es similar a la de los tejidos que se desean simular. Simulación de la consistencia: La concentración de agar elegida para el phantom fue de 2.5%, ya que con 1.5% de concentración la muestra quedaba poco firme y con el 5% de agar, se dificultaba su manejo MATERIAL Y EQUIPO UTILIZADO EN LA FABRICACIÓN DEL PHANTOM. Cuchara Balanza analítica Posillo para hervir agua Recipiente para verter la mezcla REACTIVOS. Agua bidestilada Agar-agar Glicerina 29

34 FABRICACIÓN DEL PHANTOM Se fabricó un phantom que simula las propiedades acústicas de los tejidos blandos (velocidad ultrasónica 1.54 ±0.006 mm/µs) Se tomó en cuenta para cada compuesto escogido, sus aportaciones en la obtención de las propiedades ultrasónicas (velocidad y consistencia). Las cantidades de los componentes utilizados en el phantom fueron las siguientes: 92.5% agua bidestilada. 2.5% agar. 5% glicerol. Las ecuaciones para el cálculo de las concentraciones y las masas de los compuestos, se muestran a continuación, y se ejemplifican para 100 ml de agua y 2.5 % de agar. % agua + % glicerol = 97.5 % Para la determinación de masa de agar, se utiliza: m agar = ( %agar*m agua) / %agua DETERMINACIÓN DE LA MASA DE AGUA. El porcentaje del agua viene dado por % de agua +5 % Glicerol = 97.5 %. Por lo que el porcentaje de agua es 92.5 %. Eso significa que la masa de 100 ml es el 92.5 % y como la densidad es 1 g/ml, se puede ver que: m agua=100 g= 92.5 % DETERMINACIÓN DE LA MASA DE AGAR. Una vez determinada la masa de agua y su valor porcentual, se obtiene la masa de agar. En este caso el valor es: m agar = (2.5*100g)/92.5=2.70 g. 30

35 DETERMINACIÓN DE LA MASA DE GLICEROL. La masa de glicerol se determina realizando una regla de tres entre la relación de los porcentajes y masas de agua y glicerol: x = (100 g*5 %)/92.5 %= 5.40 g PROTOCOLO PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL PHANTOM. 1. Se determinan las masas de agua, agar y glicerina. 2. Se calienta el agua bidestilada en la parrilla y se coloca un agitador magnético al centro del recipiente. 3. Se mide la temperatura del agua continuamente hasta que ésta alcanza una temperatura entre 70 C y 80 C, intervalo de temperatura en el que se presenta el punto de fusión del agar. Se recomienda añadir el polvo de agar poco a poco al agua, para evitar la formación de cúmulos de agar y facilitar la incorporación de éste al agua, evitando que al elevarse la temperatura se quemen esos cúmulos se facilite la formación de burbujas. 4. Al llegar a 80 C se vierte la glicerina a la mezcla. Se reduce la temperatura de calentamiento hasta los 50 C para evitar que la mezcla tenga pérdidas por evaporación de líquido y que comience a solidificar. 5. Se vierte con cuidado la mezcla dentro de un recipiente. 6. Cuando la mezcla ha solidificado con el transductor dentro de ella (ahora ya hecha gelatina), se observa en ocasiones que pueden quedar imperfecciones en su parte superior que no afectan la medición, pues la cara del transductor está perfectamente acoplada al phantom. Se sugiere, para prolongar la vida útil del phantom, envolver éste en plástico, evitando así que se evapore el alcohol, y mantenerlo en refrigeración. Finalmente se obtiene un phantom que simula las características acústicas de un tejido suave (Figura 3.1), con el que se puede trabajar de manera preliminar en diferentes ámbitos, principalmente de las ciencias médicas. 3.6 Phantom de un tejido suave. 31

36 CAPITULO IV DISEÑO DEL PROTOTIPO 4.1 REQUISITOS DE DISEÑO. El objetivo principal del generador de ondas ultrasónicas es producir una señal senoidal a partir de una fuente de alimentación de corriente directa con la finalidad de excitar un transductor que haga posible la transmisión de ondas de ultrasonido. El sistema consta de una fuente de alimentación de Corriente Directa (CD), un oscilador de onda senoidal y la implementación de un transductor para la transmisión de las ondas producidas en la etapa de oscilación. Figura 4.1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN OSCILADOR DE ONDA SENOIDAL TRANSDUCTO R DE ULTRASONIDO Figura 4.1 Diagrama a bloques del sistema generador ondas ultrasónicas A continuación se describe la función básica de cada una de las etapas que conforman el sistema FUENTE DE ALIMENTACIÓN. El principal objetivo de una fuente de alimentación es de proporcionar un valor de tensión adecuado para el funcionamiento de cualquier dispositivo. La fuente de alimentación se encarga de convertir la entrada de tensión alterna de la red en una tensión continua y consta de varias etapas que son: Transformación, rectificación, filtrado y regulación OSCILADOR DE ONDA SENOIDAL. Se conoce con el nombre de oscilador a todo circuito que, partiendo de una fuente de alimentación continua, es capaz de proporcionar una salida de corriente alterna, independientemente de su forma de onda. Es posible encontrar osciladores de onda senoidal, onda cuadrada, diente de sierra, etc. Tradicionalmente; sin embargo, se reserva el nombre de osciladores a aquellos cuya salida es una senoide, recibiendo el resto nombres especiales. 32

37 DESCRIPCIÓN BÁSICA DE UN OSCILADOR SENOIDAL. Dentro del grupo de osciladores senoidales podemos hacer una subdivisión en función de la frecuencia de la onda de salida: Osciladores de radiofrecuencia: Su frecuencia de salida está comprendida dentro de la gama de radiofrecuencia (3-300 GHz); se caracterizan porque incluyen un circuito tanque (LC paralelo) o un cristal piezoeléctrico. Osciladores de baja frecuencia: Debido al gran volumen que ocuparían las bobinas o cristales de cuarzo construidos para una frecuencia baja, los osciladores de este tipo están compuestos por una red de resistencias y capacitores. Su frecuencia de salida está comprendida dentro de la gama de baja frecuencia ( KHz). En la figura 4.2 se muestra el esquema de principio de un oscilador, en el que se observa un amplificador con una red de realimentación. Los amplificadores realimentados, en los que la señal realimentada está en contrafase con la señal original de entrada se les llaman de realimentación negativa, siendo la entrada efectiva del amplificador menor que la señal original. Ahora bien, si esta señal realimentada está en fase con la señal de entrada, el resultado es una señal efectiva mayor, llegando incluso a darse el caso de que sin señal de entrada, obtener una forma de onda de salida, tal es el caso de los osciladores. A este tipo de realimentación se le conoce con el nombre de realimentación positiva. Figura 4.2 Diagrama a bloques de un oscilador senoidal TRANSDUCTOR DE ULTRASONIDO. Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada en otra de diferente a la salida. En el caso de los transductores de ultrasonido éstos poseen la capacidad de transformar la energía eléctrica en ultrasonido y viceversa, de tal manera que el transductor o sonda actúa como emisor y receptor de ultrasonidos. 33

38 4.2 ELEMENTOS DE DISEÑO ELEMENTOS DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN. Todas las fuentes de corriente directa constan de las siguientes secciones: (a) Etapa de atenuación Esta etapa consta básicamente de un transformador que está formado por un bobinado primario y uno o varios bobinados secundarios, que tiene como función principal convertir la energía eléctrica alterna de la red, en energía alterna de otro nivel de voltaje, por medio de la acción de un campo magnético. Además provee una aislación galvánica entre la entrada y la salida. (b) Etapa de rectificación Esta etapa queda constituida por diodos rectificadores cuya función es de rectificar la señal proveniente del bobinado secundario del transformador. Existen 2 tipos de configuraciones que son rectificación de media onda y de onda completa. (c) Etapa de filtrado Esta etapa queda constituida por uno o varios capacitores que se utilizan para eliminar la componente de tensión alterna que proviene de la etapa de rectificación. Los capacitores se cargan al valor máximo de voltaje entregado por el rectificador y se descargan lentamente cuando la señal pulsante desaparece. Permitiendo lograr una nivel de tensión lo más continua posible. (d) Etapa de regulación Esta etapa consiste del uso de uno o varios circuitos integrados que tienen la función de mantener constante las características del sistema y tienen la capacidad de mantener el estado de la salida independientemente de la entrada ELEMENTOS DE DISEÑO DEL OSCILADOR SENOIDAL OSCILADOR LC Los osciladores LC son circuitos osciladores que utilizan un circuito tanque LC para los componentes que determinan la frecuencia. La operación del circuito tanque involucra un intercambio de energía entre cinética y potencial. 34

39 CIRCUITO TANQUE Se conoce con el nombre de circuito tanque al formado por la conexión en paralelo de un capacitor (C) y una bobina (L), ver figura 4.3, el nombre proviene de su capacidad de almacenar energía eléctrica y magnética. Suponiendo que C está inicialmente descargado, conmutamos S1 a la posición 1, por lo que circula una corriente de carga del capacitor. t=0 E Figura 4.3 Circuito tanque Cuando C está totalmente cargado, se conmuta a la posición 2, por lo cual circula una corriente de descarga a través de L, creando un campo magnético en ésta. Cuando la corriente de descarga tiende a desaparecer, la bobina, a costa de la energía almacenada en su campo magnético, induce una corriente del mismo sentido que la que lo había creado, dando como resultado una carga de C de polaridad opuesta a la anterior. Al agotarse la energía del campo magnético se encuentra con un capacitor cargado con polaridad inversa a la inicial; en ese momento comienza a descargarse, nuevamente, a través de L con una corriente de sentido inverso, repitiéndose el proceso anterior. Así, se ha completado un ciclo del proceso de oscilación, que seguiría, indefinidamente si no fuera porque la resistencia interna de los componentes produce una pérdida de energía por efecto Joule; por ello, al cabo de cada ciclo, la tensión entre extremos de C es inferior a la del ciclo anterior, llegando con el tiempo a desaparecer. En la gráfica, ver figura 4.4 se representa el oscilograma de la tensión entre extremos del tanque, llamándose a este tipo de onda "amortiguada" porque la amplitud es continuamente decreciente. Nótese que a pesar de que la amplitud es decreciente, el tiempo que tarda en completarse cada ciclo es constante. Figura 4.4 oscilación del circuito tanque, tiempo (t [s.]), periodo (T [s]), voltaje del capacitor (VC [volts]). 35

40 Ahora bien, si mediante algún método se pudiera hacer que, al agotarse el campo magnético, durante el semiperíodo de carga directa de C, el interruptor S1 conmutase durante un breve período de tiempo a la posición 1, se conseguiría reponer la cantidad de energía perdida en las resistencias para, acto seguido, volver a la posición 2 y comenzar un nuevo ciclo. Este es el método empleado por los osciladores, obligando a un transistor que se encuentra cortado a conducir durante un breve período de tiempo para reponer la energía del tanque. Para la implementación en el generador de ondas ultrasónicas se eligió un oscilador Colpitts con transistor BJT en configuración de base común OSCILADOR COLPITTS. El oscilador Colpitts es un circuito electrónico basado en un oscilador LC diseñado por Edwin H. Colpitts. Se trata de un oscilador de alta frecuencia que debe obtener a su salida una señal de frecuencia determinada sin que exista una entrada. El oscilador Colpitts es muy utilizado en generadores de frecuencia de alta calidad y se usa principalmente para obtener frecuencias por encima de 1 MHz. La figura 4.5 muestra el esquema de un circuito oscilador Colpitts. Figura 4.5 estructura básica de un oscilador Colpitts. 36

41 En este circuito la frecuencia de oscilación es la del circuito tanque, al estar en serie dos capacitores, es necesario emplear el capacitor equivalente para hallar su frecuencia de oscilación (f), que responde entonces a la expresión: f = 1 2 π LC (4.1) Dónde: f =frecuencia de oscilación [Hz]. L= inductancia [H]. C= capacitancia [F]. Existen diferentes tipos de dispositivos de conmutación (transistores), ver figura 4.6, sin embargo, en el diseño del prototipo se ha decidido utilizar transistores de unión bipolar (BJT) en los circuitos Colpitts porque su respuesta en frecuencia es mayor que en los transistores de efecto de campo (FET), es decir, que son más rápidos y su frecuencia de corte superior es mayor. El transistor elegido para la construcción del dispositivo es el 2N

42 Figura 4.6 clasificación de los transistores TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR (BJT) DESCRIPCIÓN BÁSICA El transistor de unión bipolar (BJT) es un dispositivo electrónico de tres terminales, construido mediante dos junturas de semiconductores tipo P y N. La relación entre Tensión y Corriente del puerto de salida (colector-emisor) varía según la intensidad de corriente que circula por el puerto de entrada (base-emisor). 38

43 POTENCIA ADMITIDA Debido a que hay circulación de corriente entre dos puntos que tienen una diferencia de potencial, corriente de colector (Ic) con el voltaje de colector-emisor (Vce) y la corriente de base (Ib) con el voltaje base-emisor (Vbe), el transistor disipa potencia, la cual provoca un aumento de temperatura, que puede llegar a fundir o quemar el transistor. En general los transistores especifican cual es la potencia máxima que pueden disipar (Pmax), que no debe superarse, calculando P = Vce * Ic, siempre debe ser P < Pmax. El transistor 2N2222 soporta un voltaje de colector-emisor máximo de 30 volts y una corriente de colector máxima de 800 ma por lo que la potencia máxima soportada por dicho transistor es de 24 W DISPOSITIVOS COMERCIALES Los transistores BJT se comercializan mediante nombres codificados, por ejemplo BC547, BC557, 2N2222, etc. Tienen diferencias constructivas que definen las características eléctricas tales como los valores máximos soportados de potencia, tensión, la ganancia de corriente, variación con la temperatura, etc. Además se diferencian en la forma del encapsulado, la posición de los pines, tamaño, etc. Toda esta información, suele resumirse en lo que se llama una hoja de datos (datasheet) ELEMENTOS DE DISEÑO DEL TRANSDUCTOR DE ULTRASONIDO. El transductor empleado en el sistema generador de ondas ultrasónicas es del tipo inductivo a continuación se presenta las características de diseño para un transductor de este tipo. Las bobinas constituyen un elemento común en cualquier circuito de un sistema de energía eléctrica (inductancias de las líneas, transformadores, cargas, etc.). En el campo de la electrónica de potencia también actúan con un papel indispensable en cualquier convertidor electrónico. El diseño de estos elementos y su construcción depende de la aplicación particular en la que vayan a formar parte. El envío de una corriente a través de una bobina de alambre, con o sin núcleo, establece un campo magnético por y alrededor de la unidad. Este componente, de construcción un tanto simple se llama inductor (también se le conoce como bobina). Su nivel de inductancia determina la fuerza de campo magnético alrededor de la bobina debido a una corriente aplicada. Cuanto más alto sea el nivel de inductancia, más grande será la fuerza del campo magnético. La inductancia se mide en Henries (H), por el físico estadounidense Joseph Henry. La mayoría de los inductores opera en el intervalo de los mili Henries (mh) o micro Henries (uh) (Boylestad, Robert L, 2011). 39

44 4.3. CONSTRUCCIÓN DE UN INDUCTOR El nivel de inductancia tiene sensibilidades que dependen del área interna de la bobina, de la longitud de la unidad y de la permeabilidad del material del núcleo. También es sensible al número de vueltas de alambre en la bobina, como lo dicta la ecuación 4.2. L = μn2 A l (4.2) Dónde: μ=permeabilidad [Wb/A*m] N=número de vueltas A= Área de la sección transversal del núcleo [m 2 ] l = longitud de la bobina [m] L=Herts [H] El transductor utilizado para la transmisión de las ondas ultrasónicas consiste básicamente en una bobina con núcleo de ferrita. En la figura 4.8 se muestran los tipos de bobinas más comunes y sus aplicaciones. (Boylestad, 2011) Tabla 4.1 Tipos y aplicaciones de las bobinas más comunes. BOBINA FORMA FUNCIÓN Con núcleo de aire Se utiliza en frecuencias elevadas. Pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en seria Con núcleo olido Consisten en cerrar las bobinas dentro de una cubierta metálica cilíndrica o cuadrada, cuya misión es imitar el flujo electromagnético creado por la propia bobina y que puede afectar negativamente a los componentes cercanos a la misma. Nido de abeja Se utiliza en los cilindros sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de onda media y larga. 40

45 De núcleo toroide Ferrita enrolladlas sobre núcleo de ferrita Gracias a su forma se consiguen altos valores indicativos en un volumen mínimo. El flujo generad no se dispersa hacia exterior ya que por su forma se crea un flujo magnésico cerrado, dotándolas de un gran rendimiento y precios. Soporta valores de inductancia bastante altos. En radio permite emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor. CAPÍTULO V CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO En el capítulo anterior se describió el procedimiento que se siguió para satisfacer los requerimientos para el diseño del prototipo. En base a ello en este capítulo se pretende dar una descripción de la forma en la que los componentes seleccionados se han de ensamblar y de esta manera llevar a cabo la construcción del prototipo. 5.1 CONSTRUCCIÓN DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN. En este proyecto no se llevó a cabo la construcción de la fuente de alimentación debido a que hoy en día existe en el mercado una gran variedad de estos dispositivos además de que esta etapa no es el principal objetivo de desarrollo. Hacer una fuente regulada es muy económico. Los materiales se consiguen fácilmente en cualquier almacén de electrónica. Consta de un transformador, un puente de diodos, un regulador, dos condensadores, un par de conectores y un circuito impreso que podrá ser fabricado a partir del diagrama esquemático. El Circuito impreso se puede realizar mediante la técnica de planchado. Basta con estudiar el diagrama eléctrico, para su correcta conexión. 41

46 En el prototipo fabricado en este proyecto se implementó una fuente de alimentación regulada de 10 volts cuyo diagrama esquemático se puede observar en la figura 5.1. Figura 5.1 Diagrama esquemático de una fuente de voltaje regulada a 10 volts. 5.2 CONSTRUCCIÓN DEL OSCILADOR DE ONDA SENOIDAL. De acuerdo con los parámetros establecidos en el capítulo anterior en este se procede con la construcción de un oscilador de Colpitts. A continuación se encuentra el diseño elaborado para obtener un oscilador Colpitts a base de un circuito tanque y del transistor 2N2222. La figura 5.2 muestra el esquema de un circuito oscilador Colpitts. Las resistencias R1, R2, R3 y R5 y la fuente de voltaje V, se encargan de la polarización del transistor, los condensadores C 1, C 2 y C5 cumplen la función de desacoplar y los condensadores C 3 y C 4 y la bobina L1 forman parte del circuito tanque que se encarga de la oscilación del circuito. 42

47 Figura 5.2: Diagrama esquemático de un oscilador Colpitts. En la tabla 5.1 se encuentran los valores de las resistencias y la fuente de voltaje que se propuestos en las hojas de especificaciones para la polarización del transistor 2N2222. Tabla 5.1: Valores de los elementos encargados de la polarización del transistor 2N2222. Elemento V R 1 R 2 R 3 R 4 Valor 10 V 82 KΩ 1 KΩ 18 KΩ 2.2 KΩ 43

48 En la tabla 5.2 se encuentran los condensadores que se escogieron para el desacople; estos se determinaron de tal forma que no afectaran la frecuencia de resonancia del circuito tanque. Tabla 5.2: valores de los condensadores de desacople. Elemento C 1 C 2 C 3 Valor 3.3 nf 22 ρf 330 ρf Se pretende que el circuito de la figura 5.2 oscile a una frecuencia mínima de MHz, y se tiene una bobina de 450 nf, el valor de los condensadores C3 y C4 se determina de la siguiente manera: La relación entre C3 y C4 que generalmente se asume para el diseño de este oscilador es: C 4 = 2C 3 (5.1) La frecuencia de oscilación está dada así: f osc = 1 2π L 1 C equ = MHz (5.2) De la anterior ecuación remplazamos el valor de L1 (450 nf) y entonces Cequ que es igual al equivalente serie de los condensadores C 3 y C 4. C equ = C3 C4 = 79.17pF (5.3) C3+C4 44

49 Con la anterior ecuación y con la relación planteada anteriormente entre C 3 y C 4 se puede entonces hallar el valor de estos condensadores. Estos se encuentran en la tabla 5.3. Tabla 5.3: valores de los condensadores del circuito tanque. Elemento Valor C3 C ρf ρf La figura 5.3 muestra el esquema del oscilador Colpitts con los valores especificados en las tablas anteriores. R5 R1 82kΩ 2.2kΩ C2 V1 10 V C5 330pF R3 18kΩ Q1 2N2222 R2 22pF C1 C pF C pF L1 450nH 1kΩ 3.3nF Figura 5.3: esquema del circuito oscilador Colpitts. 45

50 Los componentes electrónicos utilizados en la construcción del oscilador senoidal Colpitts se describen en la tabla 5.4. Con la finalidad de hacer un mejor análisis del diagrama esquemático que facilite el ensamble del circuito. Tabla 5.4 componentes utilizados en la construcción del oscilador Colpitts. NOMENCLATURA NOMBRE VALOR/UNIDADES V1 Fuente de voltaje 10 volts. C1 Capacitor cerámico 3.3 nf. C2 Capacitor cerámico 22 pf. C3 Capacitor cerámico pf C4 Capacitor cerámico pf. C5 Capacitor cerámico 330 pf. R1 Resistor 82 KΩ. R2 Resistor 1 KΩ. R3 Resistor 18 KΩ. R5 Resistor 2.2 KΩ. L1 Inductor 450 nh. Q1 Transistor de unión bipolar (BJT). 2N2222 NPN ELABORACIÓN DEL CIRCUITO IMPRESO Y ENSAMBLE DE COMPONENTES. Una vez hecho el análisis del diagrama esquemático del oscilador Colpitts y obtenido el valor de cada componente se continúa con el diseño de la placa de circuito impreso, para ello se utiliza la herramienta PCB Wizard ya que es muy intuitivo, de manejo sencillo y no requiere demasiados recursos del PC. 46

51 DISEÑO CON PCB WIZARD. El diseño en PCB Wizard parte del diagrama esquemático que se determinó anteriormente en la figura 5.4 se observa dicho diagrama capturado en una plantilla de diseño PCB. Figura 5.4 Diagrama del oscilador capturado en PCB Wizard. Una vez que se ha capturado el diagrama se obtiene una imagen de las pistas del circuito, ver figura 5.5, ahora se cuenta con los elementos necesarios para proceder con la técnica de planchado del circuito impreso. Figura 5.5 Diagrama de las pistas del circuito que serán plasmadas en la placa de cobre. 47

52 Mediante la herramienta PCB Wizard es posible obtener un estimado de como se observa el circuito después del ensamble de los componentes en la placa. Ver figura 5.6 Figura 5.6 Apariencia real del circuito ensamblado En la figura 5.7 se observa la placa real una vez que ha sido impreso sobre ella el diseño del circuito ofrecido por PCB Wizard. Figura 5.7 Circuito impreso sobra la placa de cobre 48

53 A continuación se muestra en la figura 5.8 el circuito impreso con los componentes ensamblados. Entrada de la fuente de alimentación Terminales de conexión de la bobina del circuito tanque (transductor) Polarización del transistor Circuito tanque Transistor 2N2222 Figura 5.8 Circuito ensamblado. 5.3 CONSTRUCCIÓN DEL TRANSDUCTOR DE ULTRASONIDO En el capítulo anterior se establecieron los parámetros de diseño de un transductor inductivo, de acuerdo con las características analizadas anteriormente se eligió llevar a cabo la construcción de un transductor con núcleo de ferrita. Para la construcción de dicho transductor se utilizó un núcleo en U recuperado de un flyback viejo de un televisor. El bobinado consta de 85 vueltas en 5 capas de hilo esmaltado de cobre de 1 milímetro de grosor. (Ver figura 5.9) Figura 5.9 Transductor inductivo. 49

54 En la figura 5.10 se puede observar el aspecto real del transductor una vez construido. Figura Transductor de ultrasonido El transductor es conectado a la etapa de oscilación y ésta a la vez a la fuente de alimentación, ver figura Con esto el prototipo está listo para ser puesto en funcionamiento. Figura Prototipo conectado para ser puesto en funcionamiento CAPITULO VI PRUEBAS Y RESULTADOS 6.1. SIMULACIÓN DE LA RESPUESTA DEL PROTOTIPO. En el capítulo 4 se establecieron los requerimientos de diseño para el oscilador senoidal utilizado en el prototipo, a continuación se describe el proceso de simulación de la respuesta ofrecida por dicho oscilador, la figura 6.1 muestra el diagrama esquemático que se utilizó para la simulación de esta etapa del prototipo. 50

55 XSC1 R3 R1 82kΩ 2.2kΩ C2 Ext Trig + V1 10 V C1 330pF R2 18kΩ Q1 2N2222 R4 1kΩ 22pF C3 3.3nF C pF C pF L1 450nH + A _ + B Figura 6.1 Esquema del circuito oscilador Colpitts utilizado para la simulación. La señal de oscilación ofrecida por el oscilador Colpitts se observó en distintos instantes de tiempo, la figura 6.2 muestra la gráfica que resulto de la simulación de este circuito. Figura 6.2 resultado de la simulación del circuito oscilador Colpitts. 6.2 RESPUESTA REAL DEL PROTOTIPO. En el capítulo 5 se explicó el proceso de construcción del prototipo, mismo que una vez terminado fue puesto a prueba, mediante el uso de un osciloscopio fue posible observar la respuesta real del prototipo, el resultado de esta medición se puede observar en la figura

56 Figura 6.3 Señal emitida por el prototipo. Se puede observar claramente que la respuesta emitida por el prototipo generador de ondas ultrasónicas proporciona una respuesta con un valor superior al esperado de MHz, esto se puede atribuir al uso del transductor (flayback de TV), ya que al ser el núcleo del embobinado tiende la amplificación de la frecuencia emitida. 6.3 PRUEBAS REALIZADAS CON EL TEJIDO PHANTOM. Una vez finalizado el proceso de construcción del prototipo y después de comprobar que la respuesta es la esperada, se procede con la fase de pruebas en el tejido phantom RESISTENCIA ELÉCTRICA DEL TEJIDO PHANTOM. Para poder estudiar los efectos que las ondas ultrasónicas tienen sobre el tejido phantom es necesario conocer además de las propiedades que se analizaron en el capítulo 3 la resistividad que posee el tejido en condiciones normales, es decir antes de recibir las ondas ultrasónicas por el generador. 52

57 La prueba se llevó a cabo colocando dos electrodos en los extremos del phantom (Ver figura 6.4.) y mediante el utilización de un multímetro digital se obtiene el valor de la resistencia. Figura 6.4 Medición de la resistencia eléctrica del phantom. La medición descrita anteriormente se realizó colocando los electrodos a diferentes profundidades en el phantom (ver figura 6.5). Figura 6.5 Medición de la resistencia a diferentes profundidades del phantom. En la tabla 6.1 se puede observar los valores obtenidos con los electrodos a diferentes profundidades del phantom. Tabla 6.1 Medición de la resistencia a diferentes profundidades del phantom. PROFUNDIDAD (mm) IMPEDANCIA MEDIDA (MΩ)

58 Obsérvese que la magnitud de la resistencia medida en el phantom no varía con la profundidad, situación que permite establecer que como se dijo en el capítulo 3 las propiedades del tejido phantom son uniformes. Conocer la resistencia eléctrica del tejido phantom, mismo que se utiliza como simulación de un riñón humano por sus características físicas sirve de mucho pues de este modo al ser sometido a las ondas ultrasónicas emitidas por el transductor del prototipo interpretaremos os cambios que pudiera haber en sus propiedades eléctricas. Para llevar a cabo el análisis de las propiedades eléctricas del tejido phantom cuando este es sometido a sesiones de ondas ultrasónicas con el prototipo se diseñó un sistema que sirve de referencia para cuantificar las variaciones en las propiedades eléctricas del tejido. En la figura 6.6 se observa el mecanismo implementado para realizar la medición con ayuda de un osciloscopio. Figura 6.6 Mecanismo implementado para la medición de las propiedades eléctricas del tejido. Entre la señal introducida por el generador (CH1) al arreglo serie formado por el phantom, la resistencia de referencia y la señal de salida (CH2) existe un desfase que nos permite calcular la impedancia eléctrica que presenta el tejido phantom, cuando este es excitado por el generador de ondas. En la figura 6.7 se observa el desfase entre estas dos señales. Figura 6.7 Desfase entre la señal de entrada y la de salida. 54