UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA

UNIDAD IZTAPALAPA

INGEN IERlA BlOMEDlCA

REPORTE FINAL

SEMINARIO DE PROYECTO TERMINAL I I

ASESOR: ING. DIPL, ENRIQUE HERNANDEZ M,

ALUMNO: FRANCISCO JAVIER ZAVALA SANCHEZ.

MATRICULA : 91 22 1480

MEXICO, 1995.

I N D I C E

l a . PARTE

INTRODUCCION

1.1 RESUMEN DEL DESARROLLO HISTORIC0

1.2 CONSIDERACIONES TEORICAS

1.3 ANTECEDENTES

2a. PARTE

DESCRIPCION DEL EQUIPO

2.1 DESARROLLOS PREVIOS

2.2 COMPOSICION ESTRUCTURAL

2.3 FUNCIONAMIENTO

3a. PARTE

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

DISEÑO DEL EQUIPO

GENERADOR DE PULSOS DE SlNCRONlA

GENERADOR DE PULSOS DE ALTO VOLTAJE

GENERADOR DE BASE DE TIEMPO

GANANCIA COMPENSADA EN EL TIEMPO

AMPLIFICADOR DE RADIOFRECUENCIA

DEMODU LADO R

AMPLIFICADOR DE VIDEO

4a. PARTE

DISEÑO INDUSTRIAL DEL EQUIPO

4.1 MODU LOS I N D EPEN D I ENTES

4.2 TABL ILLAS DE CIRCUITO IMPRESO

4.3 INSTALACION DEL EQUIPO

RESULTADOS

CONCLUSIONES

BI BL lOGRAFlA

EQUIPO PARA GENERACION DE IMAGENES CON ULTRASONIDO EN MODO "A".

1. INTRODUCCION

1.1 RESUMEN DEL DESARROLLO HISTORICO.

Los primeros in ten tos pa ra localizar objetos sumergidos con ultrasonido, da--

t a n probablemente de la época de l hundimiento de l T i tan ic e n 1912. Langevin y

colaboradores t r a t a r o n de emplear e l u l t rasonido du ran te la Primera Guer ra Mun - dia l . En 1914 repo r ta ron la const rucc ión de un generador de u l t rason ido que -

empleaba e l efecto piezoeléctr ico recíproco. El desarrol lo de esta tecnología con - du jo a los pr imeros sistemas de S.O.N.A.R. ("Sound Navigat ion and Ranging")

y a las primeras aplicaciones a n i ve l indust r ia l , como los detectores de f isuras-

e n piezas de metal fund ido .

La pr imera apl icación de l u l t rasonido e n e l campo médico data de 1937, año - e n que Dussik v isual izó los ventr ícu los cerebrales.

E l mayor estímulo que rec ib ió e l diagnóstico p o r ultrasonido, se debió a la -

Segunda Guerra Mundial, época e n la que se perfeccionaron las tecnologías del-

rada r y del sonar. E n efecto, la ut i l ización de c i rcu i tos avanzados de radar , -

mejoró considerablemente la calidad de los instrumentos ultrasónicos.

Uti l izando desechos de equipos de guerra, as í como algunos equipos para -

aplicaciones indust r ia les disponibles, var ios g rupos de cientí f icos in ic iaron e l es -

t u d i o de la aplicación d e l u l t rason ido a l diagnóstico médico. En 1952, el grupo-

de l D r . Douglass Howry y e l Ing. John T. Wild publ icó sus pr imeros resultados

sobre la obtención de una imagen bidimensional empleando u l t rasonido. Se mon-

t ó un t ransduc tor e n una gu ía c i rcu la r den t ro de un tanque, y se sentaba a l pa -

ciente sumergido hasta e l cuello en e l cen t ro del tanque, mientras e l t ransduc to r

emitía haces u l t rasónicos radiales.

En Dinamarca, la Dra . l n g e Edler de Lund fue p ionera e n la card iograf ía -

por u l t rasonido o ecocardiografía.

En 1958, Grenwood y Baum obtuv ie ron la pr imera imagen bidimensional de l - ojo. Por su parte, e l D r . I a n Donald de Glasgow, fue el pr imero e n apl icar e l -

u l t rason ido e n e l campo de la Gineco-obstetricia.

E n Suecia, e l D r . La rs Leksel l real iz6 los pr imeros in tentos para localizar I a

línea media cerebra l p o r u l t rasonido.

En 1962, William L. Wright diseñó e n la Un ivers idad de Colorado, E.U.A. e l

p r imer sistema de ras t reo de imágenes, p o r contacto directo, e l cual más ta rde

fuera desarro l lado comercialmente p o r P icker Corp.

La cont r ibuc ión clínica, t a l vez más importante se debe a l Ing. John T. Wild

qu ien demostró que e l u l t rason ido es capaz de d i fe renc ia r e n t r e te j ido normal,-

tumores benignos y tumores malignos de cáncer. (41

Estos son sólo algunos de los investigadores más destacados e n e l campo. Ac -

tualmente se cont inua invest igando e n todos los aspectos de l desarro l lo de ins--

t rumentac ión u l t rasónica : const rucc ión de nuevos t ransductores, diseño de c i r - -

cu i tos electrónicos más confiables y procesamiento d ig i t a l de imágenes. En con-

clusión, e l u l t rason ido cons t i tuye una herramienta básica e n e l diagnóstico clíni-

co.

Una onda sonora o de ultrasonido consiste de una perturbación mecánica de un

medio (gas, liquido o sólido) la cual atravieza el medio a una velocidad fija.

Las ondas sonoras consisten de perturbaciones de las moléculas de aire, las vi-

braciones pasan molécula a molécula desde el parlante hasta el oído del escucha.

Hay que notar que las moléculas no se meven del parlante al escucha por si mis ms (solamente la perturbación). El ritmo a l cual las partículas del medio vi-

bran en la perturbación, es la frecuencia o nivel del sonido y es medido en ---

hertz (cicloslsegundo). Conforme el nivel aunenta se acerca a una frecuencia-

de aproximdamente 20 Khz en la cual el sonido no es audible y por encima de - esta frecuencia las perturbaciones son conocidas como ultrasonido.

-

UI trasonido Médico.

En el ultrasonido médico, la perturbación; la cual está caracterizada por el canbio de presión local o distancia de movimiento de las partículas de un medio

con respecto a sus posiciones iniciales, es originada en un transductor electro

mecánico localizado sobre la superficie de la piel. El transductor (operando -

como un transmisor) carrbia las señales eléctricas a movimientos mecánicos. Las

vibraciones mecánicas pueden ser canbiadas a señales eléctricas mediante el mis

mo transductor trabajando en form opuesta (como un receptor). Las frecuencias

de ultrasonido usadas son altas (en la región de 1-20 hMz) y son usadas para lo

grar pulsos cortos y destellos estrechos para ser utilizados en la 'localización

-

-

--

exacta de los ecos.

Las perturbaciones se propagan a través de un medio a una velocidad, la cual

depende sobre la densidad y conprensibilidad del medio. Las velocidades en di-

ferentes tejidos suaves varían ligeramente pero son aproximadamente de 1540 m/s

l o cual conduce a un tienpo de paso de 6.5 s/cm.

Sistemas de irrácjenes Pulso-Eco. - ___-

En una frontera entre dos tejidos, una parte del ultrasonido atravieza ésta y otra parte del ultrasonido es reflejada. El grado de reflexión depende de las- irpedancias acústicas de dos tejidos (las cuales dependen de la densidad y corn-

pres ib i l idad) . Una g r a n d i ferencia e n las impedancias acústicas ocasiona un al-

to grado de re f lex ibn ( p o r ejemplo e n interfaces te j ido suave-hueso y tej ido sua -

ve-aire. En la f r o n t e r a e n t r e dos d i ferentes t ipos de te j ido suave ( p o r ejemplo

músculo-grasa) e l g r a d o d e ref lex ión es pequeño. S i e l u l t rasonido está inci---

d iendo sobre una super f ic ie áspera o sobre objetos pequeños e l u l t rasonido es -

entonces esparcido e n mayor p roporc ión que la porc ión ref lejada.

En imagenologia con u l t rasonido e l t ransduc tor es manejado periódicamente --

por un pulso eléctr ico, ocasionando la transmisión de un pu lso de u l t rasonido e l

cual es rec ib ido poster iormente e n e l t ransduc tor después de su ref lex ión o dis-

pers ión e n las in ter faces de tej ido. El t iempo de a r r i b o del eco desde una i n t e r - face dada depende de la p r o f u n d i d a d de esa interface y e l inst rumento puede --

u s a r e l t iempo de a r r i b o de un eco después de la t ransmisión como un indicador

de la p ro fund idad de la interface.

Elección de la f recuencia. --

El u l t rasonido es atenuado durante su paso a t ravés de l te j ido p o r la d isper-

s ión del u l t rasonido fuera de la ráfaga de ul t rasonido, p o r re f lex ión parc ia l y -

p o r conversión a calor (absorc ión) . Los d i ferentes tej idos atenúan e l u l t rasoni -

d o e n d i ferentes grados. En adición, la atenuación incrementa con la f recuen--

cia, y la elección de la frecuencia de u l t rasonido es un compromiso e n t r e los r e - querimientos de resolución, la cual requiere una frecuencia alta, y la penetra--

ción, la cual requiere una frecuencia baja. Este compromiso conduce a l uso de

al tas frecuencias para imagenologia de Órganos superf ic ia les y bajas frecuencias

p a r a es t ruc turas p ro fundas.

Modo "A". - -

El inst rumento de pulso-eco más simple es e l de modo IiA" , f i g u r a 1, e l cual

La -- despliega la ampl i tud del eco recibido como una gráf ica cont ra e l tiempo.

p ro fund idad d e cada re f lec to r está indicada p o r e l t iempo de a r r i b o de su eco.

Pulso eléctrico

I

A

üespl ¡ e y e en m d o "A"

i Profundidad del ref lector

Transductor ? Ref lectores

Pul SO

t ransmi t ido

L ~uisos d~ ecos Anpl i tud de los ecos

Efecto piezoeléctr ico.

Ciertas substancias cambian sus dimensiones cuando un campo e léct r ico es --

aplicado a t ravés de ellas y a la inversa, desarrol lan cargas eléctr icas sobre --

sus super f ic ies cuando son deformados. Tales substancias son llamadas p i e ~ ~ - -

eléctr icas. El efecto es llamado efecto piezoeléctr ico.

Mater ia l t ransduc tor .

S i electrodos metálicos son depositados sobre una delgada placa de material -

piezoeléctrico, podemos u t i l i za r t a l a r reg lo como un t ransduc tor ( f i g u r a 2 ) . Si

la placa es comprimida, se detectará una diferencia de potencial a t ravés de los

electrodos de plata y s i la placa es estirada, se reg is t ra rá una d i ferencia de PO

tencial con signo cont ra r io ( f i g u r a 2 a ) . Este entonces puede ser usado como - un receptor de ondas compresoras. O inversamente, si se apl ica un voltage a -

t ravés de los electrodos con una polaridad, la placa se ensanchará, y s i se in--

v ie r te la polar idad, la placa se adelgazará ( f i g u r a 2 b) . Este entonces puede -

ser ut i l izado como un transmisor de ondas compresoras. [ 3 ]

-

Trans1

Ejemplo de l p r i n c i p i o básico de medición - de distancias - con sistemas pulso-eco. --

En la f i g u r a 3 se aprecia la propagación de un h a z u l t rasón ico generado p o r

e l t ransduc to r T. AI v ia jar e l f ren te de onda, in ternándose e n e l medio 1, Ile-

ga rs a la super f ic ie 1, que separa e l medio 1 de l medio 2, donde p a r t e de la --

energía ultrasónica continua propagándose e n la misma d i recc ión y pa r te es re--

flejada, regresando a l t ransduc tor . Esta p a r t e de la energía que regresa cons-

t i t u y e un eco. E l proceso se rep i te e n cada u n a de las super f ic ies de f ron tera ,

d isminuyendo la energía ultrasónica, debido a efectos de absorc ión encontrados-

e n los d is t in tos medios. La super f ic ie 3, que separa e l medio 3 de l medio 4, --

produce ref lexiones que no regresan a l t ransduc to r . De a q u í puede observarse

que, solamente serán detectados los ecos provenientes de super f ic ies de f ron te-

ra, perpendicu lares a l eje de propagación de l haz ultrasónico.

/ IMedio 1 1 F k d i o 2 lh led io 3 /Medio 4

I 1

I I I I' - I I

/

I

I I / I I /

I I

S u p e r f i c i e 2 S u p e r f i c i e 3 Super f i c i e 1

Consideraremos un f ren te de onda que p a r t e de l t ransduc to r e n e l instante - t = O, y regresa a l mismo 100ysegs. después. S i se propaga a t ravés de te j ido

v ivo , e n e l cual e l u l t rasonido t iene una velocidad de propagación promedio de-

1540 m/s, puede calcularse la distancia a la que se encuentra la super f i c ie de - f ron te ra que generó e l eco, considerando lo s igu iente:

Dado que e l f ren te de onda recor re la distancia dos veces, p r imero de ida a

la super f i c ie de f rontera, y luego de regreso, se t iene la s igu iente expres ión :

d = 1 / 2 V t

donde: t = In te rva lo d e tiempo

de l eco.

t r a n s c u r r i d o e n t r e la t ransmisión y recepción -

Sust i tuyendo los datos numéricos tenemos :

d = 1 / 2 .1540 m / s 100 s = 0.077 m = 7.7 cms.

La superf ic ie de f r o n t e r a es la reg ión en la cual e n t r a n e n contacto dos te j i -

dos v ivos con propiedades acústicas di ferentes.

Los ecos producidos pueden visualizarse e n un osciloscopio convencional. Pa - r a observar un t razo estable e n la pantalla, se hace generar a l t ransduc tor a in

tervalos regulares pequeñas ráfagas de energía ul t rasónica (con una frecuencia-

de repet ic ión de l K H z ) , v e r f i g u r a 4.

-

I Transduc t or Medio 1 ' M e d i o 2 Ledio Medio 4

I 1 3 ' I

I I

I I

I d I I

Señal de b a r r i d o hor i zonta I

Imágen en panta I l a

I I I I

I I

FlaRA 4 . GIEIERcy=IoN DE U44 IMGH DE RASlRü3 ULTRACON100 EEI EL o5cILDsoDp10.

Si hacemos coinc id i r con cada emisión e l in ic io de l b a r r i d o hor izonta l e n el -

osciloscopio, de ta l forma que, e l ancho de la pantal la represente a l in terva lo - d e tiempo e n t r e emisión y emisión, entonces, e l l u g a r f ís ico e n la pantal la don-

de aparezca e l eco, será proporc ional a la distancia e n t r e la super f ic ie de f r o n -

t e r a y e l t ransduc tor . E n este razonamiento, la velocidad de propagación del-

u l t rasonido e n los d is t in tos medios es muy similar y se asume un valor constan

te, promedio e n te j ido v i v o ( 1 5 4 0 m/s) . [ 4 ] -

1 . 3 ANTECEDENTES

Anter iormente a l diseño correspondiente de este proyecto, ex is ten dos desa-

r ro l los previos, los cuales d a n la pauta a nues t ro proyecto. En e l p r i m e r desa - r r o l l o que se hizo para c r e a r un pro to t ipo de u l t rasonido se diseñó un gabinete

o "Rack", el cual cuenta con fuentes de alimentación regulada a - +15 V y +5V; - también cuenta con una tar je ta maestra de d is t r ibuc ión con 8 conectores de 72 -

patas cada uno. E l equipo de u l t rasonido que se desarro l ló d u r a n t e este pro--

yecto fue implementado ut i l izando este "Rack" diseñado para e l p r i m e r protot ipo.

En e l segundo desarrol lo se logró contar con siete módulos enchufables i n t e r - cambiables en e l gabinete, c inco de ellos terminados totalmente y dos e n su fa-

se in ic ia l para ser desarrol lados posteriormente; con nues t ro p royec to se in ten-

t ó mejorar este diseño e n la medida que tan to los avances tecnológicos e n elec--

t rónica, como los avances e n la invest igación sobre la generación de imágenes -

con ul t rasonido nos lo permitan. Las mejoras en e l d iseño van desde la u t i l iza-

c ión de circui tos con a l to n i v e l de integración que se encuentran ahora disponi-

b les e n e l mercado, as í como e l mejoramiento de las caracter ist icas del equipo, -

como pueden ser precis ión, disminución de las necesidades de espacio, d isminu-

c ión del costo de producción; también de importancia es e l hecho de que e l de-

sarro l lo actual se real izó con la mayor simplicidad posible e n los c i rcu i tos, lo -

cual repercute de manera importante e n su mantenimiento prevent ivo, as í como-

los posibles mantenimientos correct ivos que se puedan l legar a p resentar .

2. DESCRIPCION DEL EQUIPO.

2 . 1 DESARROLLOS PREVIOS

El desarrollo del prototipo de ultrasonido tiene dos desarrollos previos. El - primero concluído en 1982, en el cual se diseñó u n gabinete o "Rack" provisto-

de :

-Fuentes de alimentación regulada a - + 1 5 Volts y

-Tarjeta maestra de distribución con 8 conectores de 72 patas

+ 5 Volts.

cada uno.

El segundo desarrollo, concluído en 1986, contaba con siete módulos enchufa - bles e intercambiables en el gabinete, cinco de ellos terminados totalmente y --

dos en su fase inicial.

2.2 COMPOSICION ESTRUCTURAL

El diagrama a b loques d e nues t ro inst rumento e n modo "A" es mostrado e n -

la f i gu ra 5, y se compone d e los siguientes d isposi t ivos.

a ) Generador de pulsos de sincronía.

b ) Generador de pulsos de a l to voltaje.

c ) Generador de base de tiempo.

d ) Ganancia compensada e n e l tiempo.

e) Ampli f icador de radiofrecuencia.

f ) Demodulador . g) Ampli f icador de video.

GENERADOR DE PULSDS DE SINCFEDNIA.

GENERADOR DE PULSOS 1-1 ,GENERADOR DE BASE EN EL TIBiWü DE TlaPPO

c------i DE ALTO W T A J E

Fuente de poder de i

, a l t o v o l t a j e

Transmi sor exc i tador

PLI F CADORDE

I

1

Eje

0x1 LDSOOPIO 5- PMPLIFICMOR~-> E je Y

DE VlDBo FlaRA 5.

2.3 FUNCIONAMIENTO

Para la real ización de cada bloque se u t i l i zó la tecnología electrónica más --

avanzada posible, e n la medida que la disposición de c i rcu i tos in tegrados con -

un mayor n ive l de desempeño y calidad lo permi t iera.

U n inst rumento e n modo ''A" hace uso del hecho de que la velocidad de l ul-

t rasonido en tej idos suaves es aproximadamente constante (1540 mls) . Esto s i9

n i f ica que e l t iempo de reco r r i do de un pu lso desde e l t ransduc to r hasta e l re -

f lec tor y de regreso a l t ransduc to r puede ser usado como una medida de la p r o -

fund idad del re f lec to r .

El generador de pulsos de sincronía asegura que todas las secciones de l ins-

t rumento funcionen e n e l instante correcto ya que éste produce pulsos que se--

rár i ut i l izados para manejar e l t ransduc tor a l mismo tiempo que la base de tiem-

PO para e l osciloscopio es activada. La duranc ión de estos pulsos es de 500 na -

n o segundos; los pulsos u l t rasónicos generados p o r e l t ransduc tor a u n a fre---

cuencia de repet ic ión de 1 K H z son d i r ig idos hacia e l i n te r i o r de l cuerpo, y v ia - jan con una velocidad promedio de 1540 m/seg.

Las señales ref lejadas p o r las interfaces de te j ido son conver t idas e n señales

eléctr icas por e l t ransduc to r para luego ser enviadas hacia e l ampli f icador de r a - diofrecuencia. Las señales recibidas son usualmente muy débiles e n comparación

con las señales t ransmi t idas debido a l hecho de que las señales t ransmi t idas son-

atenuadas en e l te j ido y ref lejadas (en la mayoría de las veces) p o r un re f lec to r

débi l . El ampli f icador de radiofrecuencia incrementa la ampl i tud de los ecos a -

niveles Útiles. El incremento e n la ampli tud de los ecos es proporc ional a la se -

ña l de ganancia compensada e n e l tiempo.

El demodulador conv ie r te las cortas ráfagas de u l t rasonido e n pulsos p o r ca-

da ref lector .

La salida de l demodulador es amplif icada en un amplif icador de video; la sali - da de éste es pasada a l canal ' '1" de l osciloscopio (placas deflectoras ver t ica les) .

La seiial que s i r v e como base de tiempo para e l osciloscopio se conecta a l canal-

" 2 " de l osciloscopio.

I

1

- Genera W l i f i c a d o r

G. C. cuencia , d o r dG7de r a d i o f r e -

T

V

t

Generador d hnn xc i tador

V

I 3

Transductor \i i

I Receptor I

I D e d u l a d o r I t

A n p l i f i c a - dor de v ideo

Base de

t ienpo

3. DlSEfiO DEL EQUIPO

3.1. GENERADOR DE PULSOS DE SINCRONIA.

Este módulo t iene la función de sincronizar e l sistema u l t rasónico a u n a f r e -

cuencia de repet ic ión d e l K H z , este módulo del diseño del equipo se real izó con

un c i r cu i to in tegrado con la clave XR-2240, e l cual es un contador/ temporizador

programable.

Se ut i l izó este c i r c u i t o in tegrado e n nues t ro diseño, ya que la prec is ión de -

los pulsos que son generados p o r este controlador monolítico, supera la prec i - -

siÓn de muchos ot ros c i rcu i tos temporizadores.

La f igura 7a muestra la forma de conexión del c i rcui to, la cual se real izó pa-

r a que e l c i rcu i to operara de forma astable e n e l modo de operación cont ínua o-

l i b r e corr imiento. E l c i r c u i t o de la f i g u r a está diseñado p a r a una operación con - t í n u a a una frecuencia d e IKHz., éste se d ispara automáticamente cuando la al i-

mentación es proporcionada, y cont inua operando e n e l modo de corr in i iento I¡--

b r e indefinidamente.

L S a I i

- - 1 1 6 -* v+ (+5V) ! 2 1 5 18

0 1 3 '

R-Prese t 1 OK da *

14 s-0.1 F ;t n

v v+ ( + 5V)

En este mbdulo tanbidin se utilizaron otros tres circuitos integrados, los -- cuales fueron el 74LS122, 74LS123 y 7407.

16 15 14 I 74Ls122 74LS123

Los circuitos 74Ls122 y 74LS123 son mltrivibradores monoestables de un sólo

tiro; estos circuitos se utilizaron para lograr pulsos de mry pequeños duracio-

nes ( 5 0 0 nanoseyndos). Estos circuitos son controlados por el contador/tep-

rizador programble (XR-2240). Con estos circuitos logramos proporcionar los -

pulsos de control a los circuitos de ganancia conpensada en el tienp, genera--

-1 4 3

7407

dor de base de t

en la figura 7b.

- vcc

Tanbién se ut

-

enpo y transmisor

I i z ó el circuito

i AL GENERADOR *

excitador. La forma de conexión se mestra-

ntegrado 7407, el cual es un "buffer" con sa - lida de alto voltaje de colector abierto; el cual fue utilizado para acoplar im pedancias entre el circuito generador de pulsos de sincronía y el circuito de -

ganancia conpensada en el tierrp. Su forma de conexión se mestra en la figura 7b.

-

FlaRA 7. cBmwx3R DE RJiSQS DE SINiXNIA.

3.2 GENERADOR DE PULSOS DE ALTO VOLTAJE.

Esta etapa del p royec to se implement6 e n forma de dos submódulos, u n o d e -

ellos es la fuente d e p o d e r de a l to voltaje y e l o t r o subm6dulo es e l t ransmisor- - - -- - exci tador.

La fuente de poder d e a l t o voltaje se implementó con un transformador de ba

jada a 30 V y 1 Amp., e l cual reduce e l voltaje de línea que está conectado al-

embobinado pr imario; e n e l embobinado secundario se obt ienen los 30 V con la -

corr iente mencionada anter iormente. Del embobinado secundario se conecta un -

c i r cu i to rect i f icador mul t ip l icador de voltaje, e l cual está diseñado con diez eta-

pas para l o g r a r una mult ip l icación de diez veces; de esta manera, a la salida de

este c i r cu i to se t ienen 300 V.

-

Los c i rcu i tos mult ip l icadores de voltaje son una modificación del c i r cu i to fil--

t r o con condensador la cual permi te obtener un voltaje mayor que e l voltaje rec

t i f icado de p ico ( V m ) . El uso de este t i po de c i r cu i to permite mantener la espe

cif icación del voltaje de p ico del t ransformador a un n ive l bajo mientras que se-

puede elevar e l vol ta je de p ico de salida las veces que sea necesario.

- _-

La forma de conexión se muestra e n la f igura 8, para lo cual se u t i l i za ron -

diodos a 3 Amp. y capacitores de 470 MF a 63 V .

Este c i r c u i t o se u t i l i zó debido a que se reduci r ía e l tamaño del t ransforma--

dor , e l cual es s ign i f icat ivanente más pequeño que e l t ransformador del d iseño

mencionado e n los antecedentes.

C = 470 F D = DIODOS DE 3 RdP.

Para e l subm6dulo que corresponde a l transmisor exci tador, se toma e l pu lso

d e sincronía proveniente d e l generador d e pulsos de sincronía, específicamente-

e l c i r c u i t o in tegrado 74LS122; este c i r cu i to genera un pulso d e durac ión lo S u f i

cientemente pequeña para obtener paquetes ultrasónicos lo más pequeños pos¡--

b les. Este pu lso d e pequeña durac ión va a contro lar la compuerta del rect i f ica

d o r controlado de si l icio (SCR), e l cual permite la descarga del a l to voltaje so-

b r e e l t ransduc tor . E n t r e e l c i r cu i to in tegrado 74LS122 y e l SCR fue necesa--

r i o una etapa de acoplamiento, la cual le proporciona a l pu lso e l voltaje y la co

r r i e n t e necesaria para accionar e l SCR. El SCR debe cer ra rse para p e r m i t i r la

carga del capacitador con e l a l to voltaje, esto se realiza mediante e l c i r cu i to --

mostrado e n la f i g u r a 9; e l induc tor 'IL" desactiva a l SCR después de la des--

carga del a l to voltaje hacia e l t ransduc tor . La forma de conexión de todo e l -

c i r c u i t o se muestra en la f igura .

-

-

-

10 K

2 ~ 2 2 2 2 ENTRADA PRWENIEt4l-E DEL GBJERPlDOR DE FULSOS DE SliKRCtiIA

2.2 K

F " I ENTE DE LA LIL FUENTE DE FODER DE ALTO

WLTAJ E

b 5v

350y 1 K 180 K C A 1 I t

r\p v

0 . 0 1 - F - -

O00 v

FlQRA9

AL

3.3. GENERADOR DE BASE DE TIEMPO

Para e l desarro l lo d e este módulo se ut i l izó un c i r cu i to que genera una onda

d ien te de s ie r ra de alta l inealidad. Este c i r cu i to sólo requ ie re de polarización-

pos i t i va (+Vcc) y u t i l i z a un transmisor NPN que s i r v e como ampli f icador sepa-

rado r de salida, mientras R2 y C2 en e l c i r cu i to autoelevador mejoran la l ineal i - d a d de l d iente de s ie r ra . R1 y C1 actuan como r e d in tegradora que prove6 la

compensación de segundo orden para la l ineal idad de la forma d e onda.

El c i r cu i to se muestra en la f igura 10.

Para e l acoplamiento de impedancias con e l c i r cu i to de "Ganancia compensada

e n e l tiempo", se ut i l izó un c i r cu i to seguidor de emisor, e l cual fue implementa - d o con un c i r cu i to in tegrado LM741, e l cual es un ampli f icador operacional.

4 330 *12 K

E " P R 0 - vEr4IENl-E E L G E N E F ? ? DE 2f32646 FULSOS DE SIFGXINIA SALIDA

I/z/zn

FlaRA 10. CIR3.JI-R) GEMRADOR DE DI= DE SIEMW DE ALTA LIMALliMD.

3.4 GANANCIA COMPENSADA EN EL TIEMPO.

Este módulo fue desarrol lado con un c i r cu i to l imi tador retroal imentado, un li-

mitador e n su forma básica ideal, res t r i nge una señal a l es ta r debajo (o a r r i b a )

de un valor específ ico par t i cu la r (pun to de r u p t u r a ) . La señal de salida es p r o -

porcional a la ent rada p o r debajo (o p o r a r r i b a ) de este p u n t o de r u p t u r a y p e r -

manece constante para entradas p o r a r r i b a (o p o r debajo) de este valor.

Existe una amplia gama de variaciones del c i r cu i to l imi tador básico. De he--

cho, cualquier caracter íst ica compuesta de dos rectas que se in tersectan en un-

pun to se puede considerar una forma de l imitador y real izarse ut i l izando un dio - do en la t rayec tor ia de retroal imentación de un ampl i f icador operacional.

La f i gu ra 11 muestra la forma de conexión del c i r cu i to de ganancia compensa - da e n el tiempo.

Este c i rcu i to u t i l i za la señal proveniente del "Generador de base de t iempo"-

para su funcionamiento; la señal es amplificada e i nve r t i da antes de e n t r a r a l -

c i r cu i to l imitador, esto se realiza con un ampl i f icador operacional cuya clave de

c i r cu i to in tegrado es TL082, e l cual se conecta con una conf igurac ión de ampli -

f icador inversor . E l c i rcu i to l imi tador se implementó con un c i r cu i to in tegrado

LM741, e l cual es un amplif icador operacional; la salida de este c i r cu i to es am-

p l i f icada con o t r o LM741, y esta señal será conectada a l ampl i f icador de radio--

frecuencia. + 3.2v t

AL PMPLIFICADOR DE RADIOFRKXDJCIA ENTRADA PKñB4IIENl-E DEL GENERADOR DE W E DE TIEhi"W>

22 K i r m 4 1 K ' - 3.2V

FlaRA 11. CIKiJIlD DE ("CIA OBPfXNM aC EL TI-.

3.5 AMPLIFICADOR DE RADIOFRECUENCIA.

Este módulo debe proporc ionar una salida de voltaje proporc ional a l p roduc to

de una señal moduladora (señal proveniente de l c i rcu i to de ganancia compensada

e n e l tiempo) y o t r a por tadora (señal producida p o r los paquetes ul t rasónicos - que regresan a l t ransduc to r ) . Para l og ra r esto se u t i l i zó e l c i r cu i to in tegrado-

CA3280, el cual es un ampl i f icador operacional var iable (dua l ) ; e l CA3280 t iene-

todas las caracter íst icas genéricas de un ampl i f icador operacional de voltaje, ex-

ceptuando que la caracter ís t ica de t ransferencia delantera se descr ibe mejor m e

d iante t ransconductancia que como ganancia e n voltaje, y la salida es corr iente,

no voltaje. La magnitud de la corr iente de salida es igual al p roduc to de la --

t ransconductancia y e l vol tage de ent rada.

La forma de conexión de este c i r cu i to in tegrado se muestra e n la f i gu ra 1 2 , -

y este es un c i r cu i to t íp ico de contro l de ganancia.

FI(1RA 12. RWLIFICADOR DE RADIORIBOJBX=IA.

La realización de este módulo se irrplementb con un circuito detector de cres ta, el cual prove6 una sal ida de C.C. covprable al valor de cresta de la ten--

s iÓn de entrada.

-

La

to el

La c i rcu

figura 13 muestra la form de conexión de diodo utilizado fue un diodo de Gemnio.

seBal proveniente del arrpl i f icador de rad

este circuito, para este circui -

ofrecucncia se arrplif có con un

to integrado TL084 el cual contiene 4 amp ificadores operaciona es, éste-

integ.ado se conectó con una configuración de anpl ificador no inversor, la sal i da de éste se conectó a un seguidor de emisor para acoplar irrpdancias; la sal¡

da del seguidor de emisor es la señal de entrada al circuito detector de cresta (o envolvente).

-

-

. DlOOO DE G W I O *

I I AL CIRCUITO pI\I1pLIFICADOR S I m L r n 4 I E N l - E DEL MLIFICAaOR DE W I O F R ~ E K I ~

FlaRA 13. CIiUJJIX) -.

3.7 AMPLIFICADOR DE VIDEO.

El ampl i f icador de video es implementado con un amplif icador togarítmico, e l - cual t iene la func ión de proporc ionar una tensión de salida proporcional a l loga-

r i tmo de la ent rada.

La f i gu ra 14 muestra e l c i rcu i to implementado, En este c i rcu i to , e l t rans is to r

"T" es e l que genera la función logarítmica a l p roveer la retroal imentación. Es - to también se puede log ra r u t i l izando un diodo de señal conectado de tal mane-

ra que éste proporc ione la retroal imentación. A I u t i l i za r e l t rans is tor , lo que-

realmente se está haciendo es u t i l i za r uno de los dos diodos del t rans is tor , es-

to se logra creando una t i e r r a v i r t u a l con e l ampli f icador operacional, el cual -

idealmente t iene un voltaje d i ferencia l aproximadamente igual a cero, esto es lo

que nos permi te tener una t i e r r a v i r t ua l .

Para real izar este c i r cu i to se u t i l i zó un amplif icador operacional, se escogió - el c i r cu i to in tegrado TL081, que es un amplif icador operacional de bajo ru ido .

Se debe tener e n cuenta que para que e l ampli f icador logarítmico funcione co - rrectamente, la tensión de ent rada debe ser posit iva, ya que éste es un disposi - t i vo unipolar .

La resistencia "R" del c i r cu i to ajusta e l factor de escala de la ganancia, si - se desea obtener una ganancia adicional se puede conectar e l voltaje de salida a

un ampl i f icador l ineal.

FI- 14 . MXIFICAWR DE VIDBD.

La f o r m rnodu ar del equipo es la característica más inportante del mismo ya

que tener 7 mbdu os cmpletamente independientes nos permite fácilmente obser-- var las señales lectrónicas por separado por cada módulo del equipo, tarrbién - se puede realizar mejoras al equipo en f o m r d s sencilla debido a la indepen--

dencia de cada módulo, lo cual repercute de igual mnera en el nantenimiento de

éste; cada módulo cuenta con espacio suficiente para canbios posibles en el di--

seño de los circuitos.

La figura 15 nuestra una vista frontal del equipo así como la distribución -

de cada módulo, para lo cual cada mxlulo ha sido numerado de la siguiente forma:

1 ) Fuente de alto voltaje.

2) Generador de pulsos de sincronía.

3) Trancmi sor exc i tador.

4) AnpI i f icador de radiofrecuencia.

5) Generador de base de tierrpo y ganancia canpensada en el tieripo.

6) Dedulador.

7) Arrplificador de video.

O

1

o

O

O

O

2

o o

O

O

O

3

o o

0 0

O

O

O

4

0 0 o

O

- O

O

5

o o o

O -

O

O

6

0 0

O

- O

O

7

O 0

O -

FlQRA 15. VISTA FIXNíAL üEL WipD.

,

Cada mbdulo cuenta con guías de aluninio las cuales permiten que éstos se --

orienten correctamente en el momento de 5u introducción en el gabinete, logran-

do así una conexión correcta entre la tab¡ I la de circuito impreso y la tab1 i I la mestra de distribución; la figura 16 representa un módulo independiente.

a i A S DE

1 ) Foco indicador de encendido.

2) Asas.

3) Conectores E3NC para conexión exterior de los mbdulos. 4) Controles de ajuste (opcionales).

O 2

O 1

0 0 4 4

O 0 3 3

2

O

4.2 TABLILLAS DE CIRCUIX) IMPRECD.

Para l a iriplementación física de los circuitos se utilizaron tablillas de --

propósito general elaboradas en el laboratorio de instrunentación de la üniver-

sidad; estas tablillas cuentan con un peine de 18 pistas, las cuales tienen una f o r m de conexibn para su acoplamiento con

esto se mestra en la figura 18.

PISTA# 1 II

11

II

II

I1

II

II

I1

II

I1

II

I1

II

II

II

II

11

# 2

# 3

# 4

# 5

# 6

# 7

# 8

# 9

# 10

# 1 1

# 12

# 13

# 14

# 15 # 16

# 17

# 18

l a tablilla maestra de distribución;

TI ERRA

TI ERRA +15V C.D. -15V C.D. +5V C.D. Nc Nc

Nc Nc Nc Nc Nc Nc Nc

Nc Nc 120V C.A. 120V C.A.

FlaRA 18. DI!jlRIBX=ICN DE LAS PISTAS ai LAS TABLILLAS DE CIROJIX) IWRESO.

Para efectuar la instalación del equipo de ultrasonido se necesitan cables - coaxiales con cenectores BNC para la conexión externa de los mbdiilos, un sopor-

te universal y una pinza para sujetar el transductor, un recipiente de ecrílico

para similar l as interfaces o superficies de frontera que se puedan encontrar -

en tejido vivo, adenbs de uti osciloscopio, el cual se utiliza para desplegar la

imagen de los ecos recibidos que ya han sido procesados.

La f o m de instalación del equipo se nuestra en la fi5ura 19.

R E S U L T A D O S

Se realizó el diseño y construcción de un equipo para generación de irregenes con ultrasonido en modo "A", el cual efectuaba el procesamiento electrónico de los pulsos transmitidos y de los ecos recibidos por un transductor piezoeléctri -

co de frecuencia natural igual a 2.25 FHz; este equipo nos permitía visualizar

imágenes de ultrasonido en modo " A en la pantal la de un osci loscopio.

Se simló el medio de propagación con un recipiente de acrílico transparente

conteniendo agua, la cual nos proporciona características de

dad m y parecidas a las que aparecen en la

vo .

El procedimiento para demostrar el func te :

di ferentec inter

onamiento del equ

absorción y densi-

aces de tejido vi-

po es el siguien-

1 ) El recipiente de acrilico es llenado con agua hasta una altura determinada. 2) Se conecta el transductor ultrasónico al módulo generador de pulsos de alto

voltaje, a continuación el transductor se sunerge en el líquido (solo la pun

ta) procurando mntener un áqulo recto con la base del recipiente -

3) Utilizamis la base de tienpo del osciloscopio para la calibracion de las dis - tancias entre los pulsos ultrasónicos; se observan dos pulsos ultrasónicos:

el primero es el pulso transmiticos, el cual representa el punto de contacto entre el transductor y la superficie del líquido; el segundo representa el

eco generado en la base del recipiente de acrilico; la distancia entre estos

pulsos en proporcional a la altura a la que fue llenado el recipiente. Una

vez cal ibrado el equipo se puede similar interfaces colocando tab1 i I las de a crilico entre l a base del recipiente y el transductor ultrasónico; de las

cuales se puede calcular la profundidad a la que estan sunergidas.

-

C O N C L U S I O N E S

E l instnmento desarrollado en este semiiwrio de proyecto demestra el prin- cipio básico de funcionamiento de los sistemas de generacibn de imgenes pulso- eco, adem5s de los principios en que se basan los circuitos electrónicos utili-

zados para la elaboración de este equipo, los cuales hacen uso de los avances

tecnológicos más recientes en lo que respecta a la materia de electrónica.

Este equipo proporcionará una Sran ayuda en la docencia, ya que su f o m mo- dular permite una mejor carrprensión de como se va realizando el procesamiento

electrónico de las imgenes, así como el funcionamiento independiente de cada

circuito utilizado.

B I B L I O G R A F I A

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JOHN WILEY E SONS INC., 1988, 235 PP.

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