sistema de localizaciÓn de huesos mediante …

SISTEMA DE LOCALIZACIÓN DE

HUESOS MEDIANTE

ULTRASONIDOS DE ALTA

FRECUENCIA

TRABAJO FIN DE MÁSTER

Autor: Director:

Fº de Borja Jiménez Valverde Romano Giannetti

Julio de 2018

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN RED DE

PROYECTOS FIN DE GRADO, FIN DE MÁSTER, TESINAS O MEMORIAS DE

BACHILLERATO

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. Francisco de Borja Jiménez Valverde DECLARA ser el titular de los derechos de

propiedad intelectual de la obra: “Sistema de localización de huesos mediante ultrasonidos de alta

frecuencia“, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que

otorga la Ley de Propiedad Intelectual.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la

Universidad, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas, de forma gratuita y no exclusiva,

por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de

reproducción, de distribución y de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición

electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación

se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión y acceso

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de

derechos contemplada en esta licencia habilita para:

a) Transformarla con el fin de adaptarla a cualquier tecnología que permita incorporarla a

internet y hacerla accesible; incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e

incorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,

incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de

garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.

c) Comunicarla, por defecto, a través de un archivo institucional abierto, accesible de modo

libre y gratuito a través de internet.

d) Cualquier otra forma de acceso (restringido, embargado, cerrado) deberá solicitarse

expresamente y obedecer a causas justificadas.

e) Asignar por defecto a estos trabajos una licencia Creative Commons.

f) Asignar por defecto a estos trabajos un HANDLE (URL persistente).

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra tiene derecho a:

a) Que la Universidad identifique claramente su nombre como autor de la misma

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través

de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada.

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras

personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos

de propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún

derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la

intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que

pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e

intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción

de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso

con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio,

investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes

deberes y se reserva las siguientes facultades:

➢ La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no

garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un

uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá

de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se

obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.

➢ La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo

la responsabilidad exclusive del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en

nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados

del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la

Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso

de las obras.

➢ La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro.

➢ La Universidad se reserva la facultad de retirar la obra, previa notificación al autor, en

supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 16 de Julio de 2018

ACEPTA

Fdo: Francisco de Borja Jiménez Valverde

Motivos para solicitar el acceso restringido, cerrado o embargado del trabajo en el Repositorio

Institucional:


HUESOS MEDIANTE


FRECUENCIA

TRABAJO FIN DE MÁSTER

Autor: Director:


Julio de 2018


Agradecimientos

A mi familia, por haberme guiado hasta aquí.

A mis amigos, ya que sin ellos nunca habría llegado.

SISTEMA DE LOCALIZACIÓN DE HUESOS MEDIANTE

ULTRASONIDOS DE ALTA FRECUENCIA

Autor: Jiménez Valverde, Francisco de Borja

Director: Giannetti, Romano

Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

1. INTRODUCCIÓN

La medicina ha crecido exponencialmente en

las últimas décadas, por lo que la esperanza de

vida de los países desarrollados es cada vez

más alta. Sin embargo, algunas especialidades

de la medicina cuyo objetivo es elevar el

confort y el nivel de vida, como la ortopedia o

la traumatología, no han avanzado tanto, ya que

habitualmente aparecen situaciones en las que

no son capaces de facilitar una calidad de vida

adecuada a personas con lesiones trascendentes

o de una edad realmente avanzada [1].

Es común que la práctica de deportes de riesgo

o de élite, por no hablar simplemente de la

vejez, dejen secuelas en nuestros cuerpos, y

concretamente en nuestras articulaciones. De

aquí surge la motivación de este proyecto:

diseñar un sistema portátil y preciso capaz de

localizar huesos mediante ultrasonidos y medir

la distancia de estos hasta la superficie de la

piel en tiempo real.

Para ello, se han propuesto varios objetivos, los

cuales se han alcanzado de forma exitosa:

• Estudiar la viabilidad del palpador

MB4F-E como sensor de ultrasonidos

en el cuerpo humano.

• Desarrollar un prototipo portátil con

dicho sensor capaz de medir distancias

en tiempo real y de manera precisa.

• Verificar la funcionalidad del prototipo

para localizar huesos y medir su

profundidad desde la piel.

El palpador MB4F-E acondicionado durante

este proyecto se puede observar en la Figura 1.

Figura 1. Palpador MB4F-E

Este sensor, cuyo funcionamiento es similar al

de un piezoeléctrico, tiene la particularidad de

trabajar a una frecuencia cercana a los 4 MHz,

mucho más alta de lo habitual, lo que permite

elevadas velocidades de medida y una mayor

precisión, pero a la vez dificulta el diseño. El

microprocesador utilizado en el prototipo ha

sido el dsPIC33FJ32MC802.

Para la realización de puntos de control de las

etapas analógicas y los ensayos finales se ha

usado una almohadilla de hidrogel que imita el

cuerpo humano (Figura 2) y un gel transmisor

de ultrasonidos que permitiera una adecuada

propagación de las ondas. En el cálculo de

distancia se ha tomado como velocidad de

transmisión de dichas ondas 1590 m/s, un valor

estándar usado comúnmente en el mercado [2]

y validado empíricamente durante el proyecto.

Figura 2. Almohadilla de hidrogel

2. METODOLOGÍA

Para alcanzar los objetivos previamente

establecidos para este proyecto, se empezó

realizando un análisis detallado del sensor

MB4F-E. Tras confirmar su viabilidad se

diseñó un circuito de acondicionamiento que

permitiera el envío y lectura de ecos a través

del cuerpo humano. Por último, se programó en

C un software capaz de medir el tiempo entre

ecos, calculando así la distancia del palpador al

obstáculo y mostrándola en tiempo real por una

pantalla LCD.

1. Estudio del palpador MB4F-E

Para realizar un análisis lo más preciso posible

del palpador fue imprescindible la ayuda de un

analizador de impedancias/ganancia - fase

Hewlett Packard 4194 A (Figura 3), situado en

el laboratorio de la universidad.

Figura 3. Analizador de Impedancia HP 4194 A junto a

su acoplador

Conectando a su acoplador el sensor de

ultrasonidos, se obtuvieron datos precisos sobre

dos características de este:

Respuesta en frecuencia: la máquina reconoció

la frecuencia de resonancia del palpador a

4,3975 MHz, algo más elevada de lo esperado.

Circuito equivalente: siguiendo la

recomendación del manual para componentes

piezoeléctricos, se escogió un circuito tanque.

En la Figura 4 se observan sus parámetros.

Figura 4. Circuito equivalente del palpador MB4F-E

Una vez halladas sus características esenciales,

se escogió entre dos posibles vías de excitación

del piezoeléctrico. Una de ellas era mediante un

pico instantáneo de alta tensión, siguiendo la

memoria del TFG de Felipe Gil Borrallo [3].

Sin embargo, este método consume mucha

energía y hace difícil el diseño de un prototipo

portátil, por lo que finalmente se escogió la

segunda opción: hacer vibrar al piezoeléctrico

mediante una senoidal de frecuencia cercana a

su frecuencia natural.

2. Circuito analógico de acondicionamiento

Según las necesidades y limitaciones del

palpador, se planeó el método de

funcionamiento del sistema, esquematizado en

la Figura 5.

Figura 5. Esquema global del sistema

Este método tiene tres partes claramente

diferenciadas: un circuito excitador, que activa

la emisión de ecos (S1), un circuito receptor de

ecos, que los acondiciona para su lectura y

análisis (S2), y un conmutador analógico

guiado por el microcontrolador, que permite el

uso de un único sensor.

Circuito excitador: su objetivo es crear una

onda senoidal de frecuencia cercana a 4 MHz

centrada en cero voltios (ya que, si no, el

palpador no la detectará), pero con un voltaje

pico-pico alto, ya que el error de precisión en

frecuencia se puede suplir con tensión. Para

conseguir dicho objetivo se diseñó el circuito

de la Figura 6, el cual crea una senoidal

mediante un oscilador de Colpitts [4], la filtra

por medio de un condensador para anular su

tensión continua y la amplifica con ganancia

diez con ayuda de un booster de intensidad.

Figura 6. Circuito excitador S1

La senoidal que tras estas etapas llega a los

bornes del palpador se puede observar en la

Figura 7.

Figura 7. Senoidal filtrada y amplificada

Conmutador analógico: es el elemento de unión

entre los circuitos S1, S2 y el palpador, y está

guiado por una onda cuadrada proveniente del

microcontrolador. En concreto, se seleccionó el

DG419, de tipo SPDT [5]. Este modelo permite

tensiones entre 15V, factor clave para su

elección.

Circuito receptor: una vez conseguido que el

palpador oscile durante la etapa de emisión, es

necesario diseñar un circuito analógico que

acondicione la señal leída por el mismo en su

etapa de recepción. Dicha señal se puede

observar en la Figura 8, en la cual aparecen

incluso varios ecos de recepción (canal 2) ante

un solo pulso de emisión guiado por la señal

cuadrada del PWM (canal 1).

Figura 8. Lectura de ecos en bornes del palpador

Para convertir esta señal en una claramente

visible y analizable, se han seguido varias

etapas. Siguiendo el circuito de la Figura 9, la

primera es una triple amplificación de ganancia

diez (el slew rate [6] del AD826AN la limitaba

a 4MHz), seguida de un detector de pico con un

diodo Schottky, antes de un filtro paso alto

capaz de eliminar la continua de la señal. Por

último, fue necesario saturar los voltajes altos

de la señal a valores cercanos a 3,3V para no

quemar el microcontrolador en las lecturas.

Figura 9. Circuito receptor S2

La señal final contenedora de los ecos que llega

al puerto analógico RA1 del microcontrolador

se puede observar en la Figura 10,

distinguiendo un primer eco de emisión y dos

de recepción equidistantes.

Figura 10. Ejemplo de señal final del circuito receptor

S2 que lee el microcontrolador

3. Programación del software de detección y

medición de tiempo entre ecos

El objetivo del software implementado durante

este proyecto es analizar la señal recibida por la

entrada analógica RA1, proveniente del circuito

receptor S2. Esta señal contiene los ecos tanto

de emisión como de recepción del palpador

MB4F-E y, al ser analizada, permite medir el

tiempo transcurrido entre ellos y así calcular la

distancia del palpador al hueso.

El prototipo está controlado por una señal

PWM (Figura 11) de 20 kHz de frecuencia y

0,7% de ciclo de trabajo, creada desde el puerto

RB15 y leída en el RA0. Estos parámetros son

críticos y han sido escogidos para conseguir

suficiente precisión en las medidas y que al

programa le dé tiempo a ejecutarse.

Figura 11. Señal PWM que guía el sistema

El nivel alto del PWM marca la etapa de emisión y el nivel bajo la de recepción. La lógica de programación está esquematizada en la Figura 12 de a continuación.

Figura 12. Diseño lógico del software

Las medidas se tratan estadísticamente y se muestran por un display LCD.

3. RESULTADOS

Con el prototipo completo en funcionamiento,

se realizaron diversos ensayos sobre huesos

como el cúbito, el húmero, el fémur o la rótula.

A continuación, se detallan los resultados más

concluyentes de dos de estos experimentos.

Figura 13. Ensayo sobre la almohadilla de hidrogel

Ensayo sobre hidrogel: al rebotar los ecos sobre

una superficie plana y grande, como la mesa

(Figura 13 previa), se obtuvieron medidas

claras y estables de la distancia, con un error de

0,1 mm.

Ensayo sobre el antebrazo: puesto que un brazo

humano es un medio mucho más heterogéneo,

fue mucho más complicado encontrar los ecos

de rebote en el cúbito (Figura 14).

Figura 14. Ecos durante el ensayo en el antebrazo

La distancia calculada fue de aproximadamente

2 cm, un valor con sentido, pero no validable al

no tener la tecnología necesaria a disposición.

4. CONCLUSIONES

Se ha diseñado un circuito analógico que

acondiciona el palpador MB4F-E para su uso

en el cuerpo humano y se ha programado en C

un software capaz de medir el tiempo entre los

ecos de emisión y recepción, consiguiendo un

sistema capaz de calcular la distancia que

atraviesan estos ecos hasta el hueso y mostrarla

por pantalla en tiempo real junto la gráfica

histórica de los últimos cien valores medidos.

Por la propia tecnología de ultrasonidos es

inevitable que el prototipo tenga proximidades

mínima y máxima de detección, las cuales se

han hallado experimentalmente como 0,48 y 4

centímetros respectivamente.

El sistema completo ha sido validado

satisfactoriamente con un error aproximado de

0,1 mm, medido mediante experimentos en una

almohadilla de hidrogel que imita el cuerpo

humano, usando para los cálculos una

velocidad de onda a través de ella de 1590 m/s.

Se han realizado también varios ensayos en

seres humanos en diversos huesos tanto del

brazo como de la pierna. Estos últimos

experimentos no pueden ser completamente

validados, ya que no se dispone de la

tecnología necesaria, pero los resultados han

sido estudiados detenidamente y parecen

satisfactorios.

De esta manera, se concluye que el proyecto ha

conseguido alcanzar los objetivos propuestos,

fabricando un prototipo eficiente, preciso y

portátil. Esto demuestra que los ultrasonidos

son válidos para su uso médico en este ámbito.

5. REFERENCIAS

[1] R. Gonthier and P. Blanc, "Atención médica

a los pacientes de edad avanzada: calidad de

vida, esperanza de vida, ética", EMC - Tratado

de Medicina, vol. 8, no. 4, pp. 1-5, 2004.

[2] J. Juan-Senabre Pérez, "Estudio de las

propiedades de propagación de los ultrasonidos

en un medio viscoso”", Gandía, 2013.

[3] Felipe Gil Borrallo, “Desarrollo de un

driver para transductores de ultrasonidos de alta

frecuencia para sistemas de medida

biométrica”. ICAI – Universidad Pontificia

Comillas, Madrid, 2016.

[4] "Colpitts Oscillator Circuit Diagram

Working and Applications", ElProCus -

Electronic Projects for Engineering Students.

[Online]. Available:

https://www.elprocus.com/colpitts-oscillator-

circuit-working-and-applications/.

[5] "Switch Types and Common Terminology -

National Instruments", Ni.com. [Online].

Available: http://www.ni.com/white-

paper/3960/es/.

[6] H. Gonçalves, "Slew Rate (SR) - Definition,

Examples (opamp, sine wave, datasheets)",

Onmyphd.com. [Online]. Available:

http://onmyphd.com/?p=slew.rate.

HIGH FRECUENCY ULTRASOUNDS-MEDIATED BONE

LOCALIZATION SYSTEM

Author: Jiménez Valverde, Francisco de Borja

Director: Giannetti, Romano

Collaborating Entity: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

1. INTRODUCTION

Medicine has undergone an exponential growth

in recent decades, and because of this, life

expectancy in developed countries is higher

than ever. However, some medical specialties

whose objective is to increase comfort, such as

orthopedics or traumatology, have not

progressed so much, since usually there are

situations to which they are not able to provide

an adequate solution, and therefore can’t assure

an adequate quality of life to ancient people or

people with transcendent injuries [1].

It is common that the practice of extreme or

top-class sports, as well as old age, leave

sequels in our bodies, specifically in our joints,

hence the motivation of this project: to design a

portable and precise system capable of locating

bones through the use of ultrasounds, thus

measuring the distance of these bones to the

surface of the skin in real time.

For this purpose, several objectives have been

proposed and achieved:

• Analyze the viability of the MB4F-E

probe as an ultrasound sensor to use in

the human body.

• Develop a portable prototype using said

sensor capable of making precise

measures of the distance in real time.

• Verify the functionality of the designed

prototype when used to localize the

bones and establish their distance to the

skin.

The probe MB4F-E conditioned during this

project can be observed in the Figure 1.

Figure 1. MB4F-E probe

This sensor, whose functioning is similar to that

of a piezoelectric one, has the peculiarity of

working at a frequency close to 4 MHz, much

higher than usual, which allows us to have

increased measurement rates and greater

precision, but it also makes the design process

more challenging. The microprocessor used in

the prototype was the dsPIC33FJ32MC802.

For the realization of checkpoints of the analog

stages and the final tests, a hydrogel pad that

imitates the human body (Figure 2) and an

ultrasound-transmitting gel that allows an

adequate propagation of the waves have been

used. For the calculation of distances, the

transmission speed value of these waves of

1590 m/s has been used. This is a standard

value commonly used in the market [2] and

empirically validated during the making of this

project.

Figure 2. Hydrogel pad

2. METHODOLOGY

In order to achieve the previously established

objectives of this project, the first step was to

perform a detailed analysis of the MB4F-E

sensor. After confirming its viability, a

conditioning circuit was designed to allow the

echoes to be sent and read through the human

body. Finally, a software capable of measuring

the time between echoes was programmed in C,

calculating the distance from the probe to the

obstacle and showing it in real time on a LCD

screen.

1. Analysis of MB4F-E

In order to carry out an analysis of the probe as

precise as possible, we used an impedance /

gain – phase analyzer Hewlett Packard 4194 A

(Figure 3), located in the laboratory of the

university.

Figure 3. Impedance analyzer HP 4194 A and its coupler

By connecting the ultrasonic sensor to its

coupler, more precise data was obtained for two

of its characteristics:

Frequency response: The machine recognized

the resonance frequency of the probe at 4.3975

MHz, a little higher than expected.

Equivalent circuit: following the

recommendation of the manual for

piezoelectric components, a tank circuit was

chosen (Figure 4).

Figure 4. Equivalent circuit of the MB4F-E sensor

Once these characteristics were found, we

selected the excitation pathway of the

piezoelectric sensor between two possibilities.

We could apply an instantaneous peak of high

voltage, following the Bachelor’s thesis

memory of Felipe Gil Borrallo [3]; however,

this method consumes a lot of energy and

makes the design of a portable prototype

difficult. Because of this, the second option was

chosen: we made the piezoelectric vibrate by

using a sinusoidal signal that is close to its

natural frequency.

2. Analog conditioning circuit

The designed method of operation of the

system is schematized in the Figure 5, taking

into account the needs and limitations of the

probe.

Figure 5. Global diagram of the system

This method has three different components: an

exciter circuit which activates the emission of

echoes (S1), a receiver circuit that conditions

them for reading and analysis (S2), and an

analog switch driven by the microcontroller

that allows the use of a single sensor.

Exciter circuit: its objective is to create a

sinusoidal wave with a frequency close to 4

MHz centered on zero volts (since, otherwise,

the probe cannot detect it), but with a high

peak-peak voltage, since accuracy error in

frequency measures can be corrected with

tension. The circuit of the Figure 6 tries to

achieve this goal creating a sinusoidal wave

through a Colpitts oscillator [4], filtering it by

means of a capacitor to cancel its DC voltage

and then amplifying it with a ten gain with the

help of an intensity booster.

Figure 6. Exciter circuit S1

The sinusoidal wave that reaches the terminals

of the probe after these stages is presented in

Figure 7.

Figure 7. Senoidal filtrada y amplificada

Analog switch: this is the connecting element

between circuits S1, S2 and the probe, and is

guided by a squared wave from the

microcontroller. We selected the SPDT-type [5]

DG419 model, which allows voltages between

15V. This was a key factor in its choice.

Receptor circuit: once the oscillation of the

probe during the broadcast stag was achieved, it

was necessary to design an analog circuit that

conditions the measured signal during the

reception stage. This signal can be observed in

Figure 8, in which, interestingly, several

reception echoes (channel 2) appear in a single

emission pulse guided by the square signal of

the PWM (channel 1).

Figure 8. Measured echoes in the terminals of the probe

To convert this signal into a clearly visible and

analyzable one, several stages were designed,

as seen in the circuit of Figure 9. First, a triple

ten gain amplification was made, since the

AD826AN slew rate [6] was limited to 4 MHz;

followed by a peak detector with a Schottky

diode before a high pass filter that was able to

erase the DC voltage of the signal. Finally, it

was necessary to saturate the high voltages of

the signal to values close to 3.3V to prevent the

microcontroller to burn during the readings.

Figure 9. Receptor circuit S2

The final signal, which includes the echoes that

arrive to the analog port RA1 of the

microcontroller is shown in Figure 10. We can

distinguish an emission echo first, followed by

two equidistant reception echoes.

Figure 10. Example of the final signal of the receptor

circuit S2, measured by the microcontroller

3. Detection software programming and

measuring of the time between echoes

The objective of the implemented software in

this project is to analyze the signal from the

receptor circuit S2, received in the analog

entrance RA1. This signal contains both the

emission and reception echoes of the MB4F-E

probe and, after the analysis, makes possible to

read the time between signals and calculate the

distance between the bone and the skin.

The prototype is driven by a PWM signal

(Figure 11) with 20 kHz of frequency and

0.7% of work cycle, that flows from the RB15

port to the RA0. These parameters are critical

and have been selected to achieve a significant

precision while giving the program enough

time to run.

Figure 11. System driving signal PWM

The high level of the PWM signals the emission stage, and the low level signals the reception one. The designed logic of the program is shown in the following Figure 12.

Figure 12. Software’s logical design

The measures are statically handled and are displayed in a LCD screen.

3. RESULTS

Once the prototype was completed, and

functioning, we completed several assays in

bones such as ulna, humerus, femur and patella.

The most interesting results of these assays are

presented below.

Figure 13. Assay perform on the hydrogel pad

Hydrogel pad assay: when the echoes bounced

back in a big, plain Surface, like a table (Figure 13 above), we obtained clear, stable measures

of the distance, with an error of 0,1 mm.

Forearm assay: because the human arm is a

fairly more heterogeneous milieu, it was a lot

more complicated to find bouncing echoes in

the ulna bone (Figure 14).

Figure 14. Echoes measured during the assay in the

forearm

We estimated a distance of about 2 cm, a value

that, while believable, can’t be checked, since

we lack the technology needed for that.

4. CONCLUSIONS

An analogic circuit that conditions the MB4F-E

probe sensor for its use in the human body has

been designed. Furthermore, using C language,

we have programmed the software to measure

the times between the emission and reception

echoes, what allows us to calculate the distance

travelled by the echoes to reach the bone and

show it, along with the historical graph of the

last hundred of measured values.

Because of the ultrasound technology itself, the

prototype has minimum and maximum

detection proximity values, which have been

experimentally determined and are 0.48 cm and

4 cm respectively.

The complete system has been successfully

validated with an approximate error of 0.1 mm,

calculated by using an hydrogel pad that

mimics the human body and a wave

transmission speed value of 1590 m/s. we have

also perform assays in various bones in human

subjects, both in the arm and the leg. These

experiments can’t be validated due to a lack of

the technology needed for this purpose.

Nonetheless, the results have been critically

examined and seem to be satisfying.

For all of this, we conclude that the project has

successfully achieved the proposed objectives:

a precise, portable, efficient prototype has been

designed and built. These demonstrated that

ultrasounds are useful for a medical purpose in

this filed.

5. REFERENCES

[1] R. Gonthier and P. Blanc, "Atención médica

a los pacientes de edad avanzada: calidad de

vida, esperanza de vida, ética", EMC - Tratado

de Medicina, vol. 8, no. 4, pp. 1-5, 2004.

[2] J. Juan-Senabre Pérez, "Estudio de las

propiedades de propagación de los ultrasonidos

en un medio viscoso”", Gandía, 2013.

[3] Felipe Gil Borrallo, “Desarrollo de un

driver para transductores de ultrasonidos de alta

frecuencia para sistemas de medida

biométrica”. ICAI – Universidad Pontificia

Comillas, Madrid, 2016.

[4] "Colpitts Oscillator Circuit Diagram

Working and Applications", ElProCus -

Electronic Projects for Engineering Students.

[Online]. Available:

https://www.elprocus.com/colpitts-oscillator-

circuit-working-and-applications/.

[5] "Switch Types and Common Terminology -

National Instruments", Ni.com. [Online].

Available: http://www.ni.com/white-

paper/3960/es/.

[6] H. Gonçalves, "Slew Rate (SR) - Definition,

Examples (opamp, sine wave, datasheets)",

Onmyphd.com. [Online]. Available:



HUESOS MEDIANTE


FRECUENCIA

MEMORIA

Autor: Director:


Julio de 2018


ÍNDICE DE LA MEMORIA

I

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

Índice de la memoria

Parte I Memoria .......................................................................................... 7

Capítulo 1 Introducción ................................................................................... 8

1.1 Estado del arte .................................................................................................. 9

1.1.1 Tecnologías basadas en rayos X ...................................................................................... 9

1.1.2 Sistemas de captura de movimiento .............................................................................. 10

1.1.3 Ultrasonidos................................................................................................................... 12

1.1.4 Proyectos predecesores.................................................................................................. 13

1.2 Motivación del proyecto ................................................................................ 14

1.3 Objetivos ......................................................................................................... 15

1.4 Metodología / Solución desarrollada ............................................................ 15

1.5 Recursos / herramientas empleadas ............................................................. 16

Capítulo 2 Estudio del palpador MB4F ......................................................... 18

2.1 Elección del sensor ......................................................................................... 18

2.2 Características ................................................................................................ 18

2.2.1 Respuesta en frecuencia ................................................................................................ 20

2.2.2 Circuito equivalente ...................................................................................................... 21

2.3 Métodos de excitación .................................................................................... 22

2.3.1 Pico de alta tensión ........................................................................................................ 22

2.3.2 Senoidal a frecuencia de resonancia .............................................................................. 26

Capítulo 3 Hardware ...................................................................................... 27

3.1 Esquema global .............................................................................................. 27

3.2 Alimentación ................................................................................................... 28

3.3 Circuito excitador........................................................................................... 29


II




3.3.1 Etapa 1: Oscilador de Colpitts ....................................................................................... 30

3.3.2 Etapa 2: Filtro de continua ............................................................................................ 31

3.3.3 Etapa 3: Amplificación con booster de intensidad ........................................................ 32

3.4 Conmutador analógico................................................................................... 35

3.5 Circuito receptor ............................................................................................ 37

3.5.1 Etapa1: Triple amplificación ......................................................................................... 39

3.5.2 Etapa 2: Detector de pico .............................................................................................. 41

3.5.3 Etapa 3: Filtro paso alto................................................................................................. 45

3.5.4 Etapa 4: Acondicionamiento como entrada para el A/D ............................................... 46

Capítulo 4 Software ........................................................................................ 49

4.1 Estudio de tiempos ......................................................................................... 49

4.2 Lógica .............................................................................................................. 51

4.3 Cálculos ........................................................................................................... 54

4.4 Inicializaciones................................................................................................ 55

4.5 Métodos de muestra ....................................................................................... 57

4.5.1 UART ............................................................................................................................ 57

4.5.2 Display........................................................................................................................... 58

Capítulo 5 Resultados ..................................................................................... 60

5.1 Experimento 1: almohadilla de hidrogel ...................................................... 62

5.2 Experimento 2: antebrazo humano .............................................................. 65

5.3 Experimento 3: rodilla humana .................................................................... 70

Capítulo 6 Conclusiones ................................................................................. 73

Capítulo 7 Futuros desarrollos ...................................................................... 74

Bibliografía ....................................................................................................... 76

Parte II Estudio económico ........................................................................ 79

Capítulo 1 Estudio económico ........................................................................ 80

Parte III Manual de usuario ....................................................................... 81

Capítulo 1 Prototipo ........................................................................................ 82


III




Parte IV Código fuente ................................................................................ 83

Capítulo 1 Main .............................................................................................. 85

Parte V Datasheets ..................................................................................... 89

Capítulo 1 Palpador MB4F-E ........................................................................ 91

Capítulo 2 Operacional AD826 ...................................................................... 92

Capítulo 3 Analog Switch DG419 .................................................................. 93

Capítulo 4 Diodo Schottky .............................................................................. 94

ÍNDICE DE FIGURAS

IV




Índice de figuras

Figura 1.1. Ejemplo de tomografía axial computarizada (TAC). .......................... 10

Figura 1.2. Ejemplo de sistema de captura de movimiento óptico ........................ 11

Figura 1.3. Ejemplo de diseño de exoesqueleto para mediciones biomédicas. ..... 11

Figura 1.4. Test final y resultados del TFG antecesor ........................................... 13

Figura 1.5. Palpador de ultrasonidos MB4F-E ...................................................... 16

Figura 1.6. Almohadilla de hidrogel para ecografías ............................................ 17

Figura 1.7. Gel de transmisión de ultrasonidos ..................................................... 17

Figura 2.1. Analizador de Impedancia HP 4194 A y su acoplador ....................... 19

Figura 2.2. Conexión del MB4F-E al medidor de impedancias ............................ 19

Figura 2.3. Respuesta en frecuencia del sensor MB4F-E ...................................... 20

Figura 2.4. Circuito equivalente teórico del sensor MB4F-E ................................ 21

Figura 2.5. Resultado de la prueba final del TFG de Felipe Gil Borrallo ............. 23

Figura 2.6. Sistema de conexionado para las pruebas con el Olympus 5072PR ... 23

Figura 2.7. Prueba estándar con un sólo palpador sobre la mesa .......................... 24

Figura 2.8. Resultados de la prueba con el pulsador Olympus ............................. 24

Figura 2.9. Velocidades de propagación y densidades de diferentes tejidos humanos

y concentraciones agua-glicerina [15] ................................................................... 25

Figura 3.1. Esquema global del sistema ................................................................ 27

Figura 3.2. Circuito completo de acondicionamiento del MB4F-E ...................... 28

Figura 3.3. Circuito excitador S1 .......................................................................... 30

Figura 3.4. Oscilador de Colpitts ........................................................................... 30

ÍNDICE DE FIGURAS

V




Figura 3.5. Salida del oscilador de Colpitts ........................................................... 31

Figura 3.6. Senoidal tras el filtro de continua del circuito S1 ............................... 32

Figura 3.7. Amplificación con booster de intensidad ............................................ 33

Figura 3.8. Senoidal filtrada y amplificada ........................................................... 34

Figura 3.9. Experimento con dos palpadores MB4F-E enfrentados ..................... 34

Figura 3.10. Señales en bornes de los palpadores en la prueba de excitación ...... 35

Figura 3.11. Conmutador SPDT ............................................................................ 36

Figura 3.12. Conexionado del conmutador analógico ........................................... 37

Figura 3.13. Lectura de ecos en bornes del palpador (canal 2) ............................. 38

Figura 3.14. Circuito receptor S2 .......................................................................... 38

Figura 3.15. Ganancia en bucle abierto y margen de fase vs Frecuencia .............. 39

Figura 3.16. Circuito de la etapa triple de amplificación ...................................... 40

Figura 3.17. Ecos a la salida de la etapa de triple amplificación........................... 40

Figura 3.18. Resultado teórico de un detector de pico .......................................... 41

Figura 3.19. Detector de pico mediante superdiodo (a falta del condensador a la

salida) .................................................................................................................... 42

Figura 3.20. Señal antes y después del detector de pico mediante superdiodo ..... 43

Figura 3.21. Circuito detector de pico usado ......................................................... 44

Figura 3.22. Salida del detector de pico utilizado en el prototipo ......................... 44

Figura 3.23. Filtro paso alto del S2 ....................................................................... 45

Figura 3.24. Señal de salida del detector de pico tras el filtro de continua ........... 46

Figura 3.25. Circuito acondicionador de entrada al A/D....................................... 47

Figura 3.26. Ejemplo de señal final del circuito receptor S2 que le llega al

microcontrolador ................................................................................................... 47

Figura 3.27. Circuito completo montado en una placa de puntos ......................... 48

Figura 4.1. Señal PWM que guía el sistema .......................................................... 50

Figura 4.2. Diseño lógico del software .................................................................. 53

ÍNDICE DE FIGURAS

VI




Figura 4.3. Ejemplo del funcionamiento del display ............................................. 59

Figura 5.1. Prototipo completo sin conectar .......................................................... 60

Figura 5.2. No recepción de ecos .......................................................................... 61

Figura 5.3. Medición exacta de la altura del hidrogel en el momento del

experimento ........................................................................................................... 62

Figura 5.4. Experimento con la almohadilla de hidrogel ...................................... 63

Figura 5.5. Señales de ecos resultantes del experimento con el hidrogel.............. 64

Figura 5.6. Historial del display durante el experimento con el hidrogel ............. 65

Figura 5.7. Huesos del brazo humano ................................................................... 66

Figura 5.8. Tejidos del brazo humano ................................................................... 67

Figura 5.9. Técnica del experimento en el antebrazo ............................................ 67

Figura 5.10. Captura durante el experimento en el brazo ..................................... 68

Figura 5.11. Detalle historial de medidas de distancia en el brazo ....................... 69

Figura 5.12. Técnica del experimento en la rodilla ............................................... 70

Figura 5.13. Señales durante el experimento en la rótula ..................................... 71

Introducción

7




Parte I MEMORIA

Introducción

8




Capítulo 1 INTRODUCCIÓN

En las últimas décadas se han dado pasos de gigante en el campo de la biomecánica,

pero siguen existiendo grandes huecos de investigación que deben ser rellenados

para lograr un confort total en la vida de las personas.

Es obvio que hoy en día los humanos no estamos expuestos a los mismos riesgos

que hace siglos, pero tampoco demandamos las mismas necesidades. Deportes de

riesgo como esquí, snowboard, paracaidismo, surf (y sus derivados), motocross o

montañismo y otros no tan peligrosos, pero igual o más exigentes debido al haber

hecho de su dedicación un método de vida como el fútbol, baloncesto o tenis han

llevado a que en la sociedad, especialidades médicas, como la ortopedia o la

traumatología, a pesar de estar en continuo desarrollo y expansión, no lleguen a

cubrir totalmente las necesidades de dichos deportistas.

Además, la medicina ha avanzado exponencialmente en las últimas décadas, por lo

que la esperanza de vida de los países desarrollados es cada vez más alta. Esto

provee unos beneficios inconmensurables para la humanidad teniendo en cuenta

que hace siglos, la esperanza de vida rondaba los veinte o treinta años. Sin embargo,

otras especialidades de la medicina cuyo objetivo es elevar el confort y el nivel de

vida no han avanzado tanto, ya que habitualmente no pueden facilitar la posibilidad

de llevar una vida normal a personas de una edad realmente avanzada [1]. La

calidad de vida es algo que no se debe dejar atrás: es muy importante que el

alargamiento de la misma vaya acompañado de un estado de salud acorde, ya que

cuando no podemos desarrollarnos como personas y sentirnos libres, estar vivos

pierde parte de su sentido.

Ahí surge el propósito de este proyecto, en la necesidad existente de medir en

tiempo real la posición de los huesos del cuerpo. Así, dichos ámbitos de

investigación relativos al sistema locomotor podrán seguir desarrollándose a un

ritmo cercano al que crece la esperanza de vida en la sociedad, o crear soluciones

plausibles a los problemas deportivos actuales.

Introducción

9




1.1 ESTADO DEL ARTE

Dada la complejidad e innovación del proyecto, realizar un estado del arte completo

del mismo es básico para llevar a cabo su desarrollo en la vía correcta. Por ello, el

primer paso es exponer un breve resumen sobre las tecnologías punteras utilizadas

actualmente para el monitoreo del cuerpo humano con fines biomecánicos:

1.1.1 TECNOLOGÍAS BASADAS EN RAYOS X

1.1.1.1 Tomografía axial computarizada (TAC):

Llamada comúnmente escáner es una técnica de imagen médica que utiliza

radiación X para obtener cortes o secciones de objetos anatómicos con fines

diagnósticos. Además, permite diferenciar los tejidos en las imágenes, de manera

que al tomarlas de forma sucesiva y en condiciones adecuadas se puede llevar a

cabo un estudio cinemático. Sin embargo, tiene grandes desventajas como el hecho

de que los rayos X sean perjudiciales para la salud o que el paciente debe

permanecer inmóvil durante la medida [2].

Introducción

10




Figura 1.1. Ejemplo de tomografía axial computarizada (TAC).

1.1.1.2 Videofluoroscopia

Muy similar a la anterior, pero aplicada en tiempo real. Comparte sus desventajas

al aportar gran cantidad de rayos X al paciente y necesitar un lugar adecuado con

fluoroscopio y equipo [3].

1.1.2 SISTEMAS DE CAPTURA DE MOVIMIENTO

Permiten registrar los movimientos del sujeto mediante diversas técnicas

informáticas, a partir de los datos proporcionados por cámaras o sensores [4]. Se

utilizan generalmente en industrias relacionadas con el entretenimiento, como la

cinematográfica o la referente a los videojuegos. Además, aportan la posibilidad de

calcular el desplazamiento de los huesos, pero como contrapartida son aparatosos y

tienen poca precisión.

Introducción

11




1.1.2.1 Ópticos

Se utilizan cámaras o sensores de distancia externos al sujeto para triangular su

posición, y/o los desplazamientos relativos de las extremidades, la cabeza, etc.

Estos sistemas generalmente se ayudan de marcadores [5].

Figura 1.2. Ejemplo de sistema de captura de movimiento óptico

1.1.2.2 No ópticos

Obtienen la información de sensores externos implantados en el sujeto (o

exoesqueletos que los contengan). Dan datos del movimiento anatómico en su

conjunto, pero no dan información directa del movimiento relativo de huesos,

músculos o tendones. Por ello son muy útiles en biomecánica, pero no a nivel

interno.

Figura 1.3. Ejemplo de diseño de exoesqueleto para mediciones biomédicas.

Introducción

12




1.1.3 ULTRASONIDOS

Normalmente no se utilizan para monitorizar el movimiento óseo, sino para tejidos

blandos (por ejemplo, en cardiología), ya que cuando la onda sonora (mayor de 20

kHz) que viaja por el tejido encuentra una discontinuidad (pasa de un tejido a otro)

forma un eco visible [6]. El emisor y el receptor pueden estar unidos o ser cabezales

separados. Existen diferentes modos de aplicación de los ultrasonidos para la

monitorización médica del organismo [7].

1.1.3.1 Modo A

Se escanea una única línea en el interior del organismo (un solo transductor), y se

observan ecos a diferentes profundidades, que aportan información en función de

su amplitud y la separación temporal entre ellos.

1.1.3.2 Modo B

Utilizando un vector de transductores individuales, se puede escanear un plano

hacia el interior del cuerpo, y generar una imagen bidimensional en una pantalla.

1.1.3.3 Modo C

En este modo se registra únicamente información sobre elementos que estén a una

determinada profundidad, de manera que moviendo un transductor de modo A por

la superficie hasta barrer una determinada área, se puede generar una imagen de un

plano perpendicular al generado en el modo B.

1.1.3.4 Modo M

Consiste en la toma sucesiva de imágenes en modo A o modo B, de manera que se

registra el movimiento, y se puede obtener la velocidad de desplazamiento de

órganos y estructuras internas.

Introducción

13




1.1.3.5 Modo Doppler

Permite monitorizar el movimiento de material, por ejemplo, la circulación

sanguínea. Su principio de funcionamiento es el mismo que por ejemplo el de los

radares de velocidad utilizados en las carreteras. No se dará más énfasis a este modo

por no aplicar a este proyecto.

1.1.4 PROYECTOS PREDECESORES

Es importante destacar que este proyecto se apoya en dos grandes pilares para su

realización. El primero es el estudio de viabilidad previo realizado por el profesor

Romano Giannetti, de la Universidad Pontificia Comillas, Madrid, España junto a

los profesores Anthony Petrella, Joel Bach y Anne Silverman, de Colorado School

of Mines, Golden, CO [8]. En él se realizan varios experimentos, siendo el más

concluyente uno en el cual se estima la profundidad del hueso en una pata de cerdo

con una desviación próxima a 1 mm. Esto confirma la viabilidad del método de

medida y pone en marcha el proyecto predecesor a este [9], realizado por Felipe Gil

Borallo y en el cual se desarrolla un driver para transductores de ultrasonidos de

alta frecuencia.

Figura 1.4. Test final y resultados del TFG antecesor

Introducción

14




Este trabajo de fin de máster propone continuar en esta dirección de investigación

y adecuar un sistema de medida más preciso gracias al uso de transductores de

ultrasonidos de nueva generación. Estos palpadores conllevan un cabezal más

pequeño, el cual da muchas más posibilidades de dinamismo y portabilidad, pero al

tener la parte emisora y receptora unidas aumenta la complejidad electrónica.

1.2 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

La motivación del proyecto es crear un equipo portátil capaz de medir en tiempo

real la distancia entre la piel y el hueso humano con un error cercano a 1mm. Este

dispositivo se basa en transductores de ultrasonidos (dadas sus ventajas respecto

otras tecnologías posibles), e intenta ser una solución sencilla, versátil y asequible

a la vez que precisa a la hora de conseguir medidas útiles en tiempo real de la

posición de los huesos.

Este desarrollo tiene dos vías de aprovechamiento: tanto como proyecto individual;

como en conjunto con otras tecnologías en investigación. Un ejemplo del primer

caso sería uno de los objetivos de proyectos sucesivos a este: usar el prototipo

desarrollado como sensor y que mediante un actuador se sujeten articulaciones en

momentos de peligro. Un ejemplo de trabajo en equipo sería el uso simultáneo con

sistemas de captura de movimiento, con lo que se conseguiría obtener datos

detallados sobre el funcionamiento del sistema locomotor, los cuales llevarían a

grandes desarrollos en los campos de la traumatología y la ortopedia.

Introducción

15




1.3 OBJETIVOS

• Estudiar la viabilidad del palpador MB4F-E como sensor de ultrasonidos

en el cuerpo humano.

• Desarrollar un prototipo portátil con dicho sensor capaz de medir

distancias en tiempo real y de manera precisa.

• Verificar la funcionalidad del prototipo para localizar huesos y medir su

profundidad desde la piel.

1.4 METODOLOGÍA / SOLUCIÓN DESARROLLADA

1. Realizar un análisis del sensor de ultrasonidos MB4F-E para estudiar su

viabilidad a la hora de usarlo para detectar huesos en el cuerpo humano.

2. Acondicionar el mismo mediante electrónica analógica para hacerlo oscilar y

obtener ecos de retorno.

3. Diseñar un software capaz de tratar los datos recibidos mediante una señal

analógica y medir el tiempo entre ecos con el que calcular la distancia al hueso en

tiempo real.

4. Cargar dicho software en un microcontrolador y comprobar su compatibilidad

con el hardware previamente desarrollado.

5. Añadir al prototipo un método de muestra en tiempo real de los resultados que

sea útil y cómodo para el usuario.

Introducción

16




1.5 RECURSOS / HERRAMIENTAS EMPLEADAS

El completo y preciso equipamiento del laboratorio de electrónica de la Universidad

Pontificia Comillas, ICAI, tiene todos los elementos necesarios para realizar las

pruebas y medidas que requiere este proyecto. De estos equipos cabe destacar un

osciloscopio Tektronix capaz de alcanzar las cinco giga muestras por segundo

(necesario al trabajar con palpadores de 4MHz), un analizador de impedancias

Hewlett Packard 4191 A y un Pulse/Receiver Olympus modelo 5072PR, elementos

indispensables para realizar pruebas estándar sobre el sensor de ultrasonidos que

utilizará el sistema.

La adquisición de estos palpadores MB4F-E (Figura 1.5) surge de la colaboración

en el proyecto del departamento de Ingeniería Mecánica de la misma universidad:

Yolanda ballesteros y Juan Carlos del Real, expertos en el uso de herramientas

relacionadas con los ultrasonidos.

Figura 1.5. Palpador de ultrasonidos MB4F-E

Otros recursos importantes son el microcontrolador (de la gama DSPIC), la

herramienta de conexión con el ordenador CoolTerm y el programa de diseño de

software MPLAB-X, elementos indispensables para depurar la parte de software

Introducción

17




del proyecto. Además, tanto para realizar las pruebas intermedias como las finales

fueron necesarios dos elementos clásicos en la experimentación con ultrasonidos.

El primero es una almohadilla Aquaflex de hidrogel (Figura 1.6) de altura inicial

dos cm (la cual disminuyó con el uso) que imitara el cuerpo humano para realizar

todo tipo de pruebas intermedias y finales.

Figura 1.6. Almohadilla de hidrogel para ecografías

El segundo un gel de transmisión de ultrasonidos Aquasonic 100 hipoalergénico

similar al usado en ecografías de marca Parker (Figura 1.7) necesario para no perder

energía en la interfase del sensor con la almohadilla o la piel humana.

Figura 1.7. Gel de transmisión de ultrasonidos

Estudio del palpador MB4F

18




Capítulo 2 ESTUDIO DEL PALPADOR MB4F

2.1 ELECCIÓN DEL SENSOR

Uno de los objetivos a cumplir por el prototipo final del trabajo es que la medición

de la distancia al hueso sea (además de precisa) en tiempo real. Por ello y en

colaboración con el departamento de mecánica de la universidad se ha escogido el

sensor MB4F-E, el cual se usa anualmente en varias asignaturas relacionadas con

dicho departamento para dar a los alumnos clases prácticas sobre ensayos no

destructivos [10], como por ejemplo los ultrasonidos. Este sensor tiene una muy

alta frecuencia de muestreo, lo que dificulta su acondicionamiento, pero permite

una alta tasa de muestreo y gran precisión, además de disminuir la distancia mínima

a la que el sistema será capaz de detectar obstáculos.

Concretamente, según su hoja de características, la frecuencia de trabajo del

palpador son 4 ± 0,4 Mhz. Este es el dato clave que se necesita saber para desarrollar

este proyecto, ya que el diseño del hardware del mismo estará basado en esta

frecuencia.

2.2 CARACTERÍSTICAS

Dado que el rango de ± 0,4 MHz es algo grande para un diseño preciso y se

necesitaba un modelo teórico del palpador para realizar cálculos y realizar una

simulación previa al montaje del circuito, el primer paso del proyecto fue medir su

frecuencia de resonancia y circuito equivalente con la colaboración del alumno

argentino Ignacio Tomás Storni como parte de su pasantía [11].

Para ello, el equipo usado fue un Analizador de Impedancias/Ganancia-Fase

Hewlett Packard 4194 A [12] (número de serie: 2830J04745), junto con un

acoplador Hewlett Packard 16047 D (Figura 2.1) a su entrada y varios conectores


19




adicionales (Figura 2.2), como un adaptador de BNC a NIM-CAMAC CD/N 549 y

cable BNC abierto, que permitieran un fácil y fiable contacto.

Figura 2.1. Analizador de Impedancia HP 4194 A y su acoplador

Figura 2.2. Conexión del MB4F-E al medidor de impedancias


20




2.2.1 RESPUESTA EN FRECUENCIA

En la Figura 2.3 a continuación se pueden observar los resultados obtenidos en el

ensayo realizado con el analizador de impedancias respecto a la frecuencia del

palpador:

Figura 2.3. Respuesta en frecuencia del sensor MB4F-E

En la imagen aparecen dos curvas de mayor grosor y de colores claramente

llamativos: amarillo y azul. La amarilla se corresponde con el módulo de la

impedancia, mientras que la azul con la fase (como se indica en el extremo

izquierdo superior de la imagen). Estas representan la respuesta en frecuencia real

del elemento medido, mientras que sus correspondientes más delgadas ilustran la

repuesta en frecuencia simulada a partir del circuito equivalente.

Como se puede apreciar en el recuadro rojo superior, la máquina reconoce la

frecuencia de resonancia natural del sensor como 4,3975 MHz.


21




2.2.2 CIRCUITO EQUIVALENTE

La otra solución teórica que aporta el analizador de impedancias es el circuito

equivalente [13] del palpador.

Figura 2.4. Circuito equivalente teórico del sensor MB4F-E

Como se puede observar en la Figura 2.4 el analizador daba varias opciones de

circuito, pero la escogida fue la recomendada por el analizador de impedancias para

componentes piezoeléctricos.

Cabe comentar el hecho de que el circuito equivalente contiene un condensador de

valor negativo en paralelo a la rama RLC serie. Se supuso que esto es debido a que

el adaptador BNC a NIM-CAMAC CD/N 549 usado para conectar el sensor al

analizador genera un valor inductivo que afecta la medición de su circuito

equivalente (y quizás también eleve ligeramente su frecuencia de resonancia

calculada en el apartado anterior).


22




2.3 MÉTODOS DE EXCITACIÓN

Para comprender correctamente el resto del proyecto es imprescindible entender

cómo funciona el palpador físicamente: es un piezoeléctrico. Estos dispositivos son

aquellos que cuando se les aplica una tensión se deforman. Además, como cualquier

material mecánico tienen una frecuencia de resonancia, por lo que si les afecta una

tensión (por baja que sea) con forma senoidal a su frecuencia de resonancia el

piezoeléctrico vibrará adecuadamente. Sin embargo, si se les aplica una tensión

muy alta también vibrarán, pero se perderá mucha energía para conseguir esa

tensión y puede tener contraindicaciones [14].

Un buen símil sería un columpio. Si lo empujas con fuerza se moverá, pero si no lo

haces a la frecuencia adecuada lo frenarás o lo interrumpirás con cada empujón. De

esta manera, al inicio del trabajo se contemplaron dos diferentes opciones para

hacer vibrar al palpador MB4F-E.

2.3.1 PICO DE ALTA TENSIÓN

Siguiendo los pasos marcados por el proyecto predecesor realizado como trabajo

de fin de grado por Felipe Gil Borrallo para esta misma universidad [9] se puede

realizar un circuito que genere pulsos de alto voltaje en apenas nanosegundos. Estos

cortísimos pulsos de tan elevada tensión permitirían que el palpador (tomando

energía del armónico que coincidiese con su frecuencia de resonancia) generase

ondas de ultrasonidos con la suficiente energía como para rebotar y volver a través

del organismo en forma de ecos visibles.

La Figura 2.5 de a continuación muestra el resultado de dicho TFG y como se puede

apreciar la aparición de un eco apenas 18 microsegundos después del pulso.


23




Figura 2.5. Resultado de la prueba final del TFG de Felipe Gil Borrallo

Para corroborar y analizar el funcionamiento del MB4F-E se realizaron algunas

pruebas sobre un solo palpador (tanto emisor como receptor) con el Pulser/Receiver

Olympus 5072PR, un alimentador de sensores similares que utiliza este mismo

método [12], llegando hasta 100 V siguiendo el esquema de conexión de la Figura

2.6.

Figura 2.6. Sistema de conexionado para las pruebas con el Olympus 5072PR


24




Utilizando una almohadilla de hidrogel de aproximadamente 1,5 cm de altura entre

la mesa y el palpador se excitó este último y se analizó la respuesta.

Figura 2.7. Prueba estándar con un sólo palpador sobre la mesa

Figura 2.8. Resultados de la prueba con el pulsador Olympus


25




Como se puede observar en la Figura 2.8 aparecen dos ecos para un solo pulso. Es

porque al llegar el primer eco de vuelta al sensor tras rebotar en la mesa parte se

absorbe, pero otra parte vuelve hacia la mesa y llega otra vez al palpador (de manera

indefinida si tuviera suficiente energía). Midiendo el tiempo entre ecos (15,55

microsegundos) y sabiendo que la altura de la almohadilla son 1,25 centímetros

aproximadamente (por el uso disminuye) es fácil calcular la velocidad de

propagación de la onda en el hidrogel:

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑜𝑛𝑑𝑎 =𝐸𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜 𝑟𝑒𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑜

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜=

1,25 𝑐𝑚 ∗ 2

15,55 𝜇𝑠= 1607,71 𝑚/𝑠

Este valor de velocidad de los ultrasonidos a través del tejido blando humano es

similar al usado en los escáneres y otras máquinas comerciales [15], calculado

normalmente como una media de las velocidades por los diferentes tejidos o

glicerina (Figura 2.9). Normalmente se toma 1590 m/s, así que para el resto del

proyecto se usará este valor común por consenso con el mercado.

Figura 2.9. Velocidades de propagación y densidades de diferentes tejidos humanos y

concentraciones agua-glicerina [15]


26




De esta manera, además de corroborar el funcionamiento del palpador MB4F-E se

obtiene la velocidad de propagación de sus ultrasonidos sobre el gel que se usará y

una medida aproximada del tiempo hasta la recepción de ecos con una distancia de

referencia.

2.3.2 SENOIDAL A FRECUENCIA DE RESONANCIA

La otra vía de desarrollo de este proyecto se basa en intentar excitar el palpador

haciéndole llegar una onda senoidal de frecuencia lo más cercana posible a su

frecuencia de trabajo (4 ± 0,4 MHz). Esta manera es mucho elegante y consume

muchísima menos energía, al no necesitar voltajes tan altos. Sin embargo, es

también más compleja de realizar (debido a que necesita alta precisión) y más

delicada, ya que un pequeño fallo de diseño podría provocar que no funcionara [14].

Este proyecto optó por elegir esta opción de desarrollo, existiendo ya el proyecto

de Felipe Gil que trata la otra vía más en detalle. Por tanto, a continuación (capítulo

3) se detalla el procedimiento que se ha seguido para conseguir acondicionar el

palpador MB4F-E mediante hardware, usándolo a la vez como emisor y receptor

(un solo cabezal).

Tras conseguir que enviara ecos legibles por una entrada analógica del

microcontrolador (entre 0 y 3,3 V) al detectar obstáculos, se procedió a programar

un software capaz de leer y analizar dichos ecos, que además calculara la distancia

asociada a los mismos y la mostrara por el módulo UART (ya sea al ordenador o a

un display) en tiempo real (Capítulo 4).

Hardware

27




Capítulo 3 HARDWARE

3.1 ESQUEMA GLOBAL

Una vez escogido el método de excitación del palpador es el momento de

esquematizar el funcionamiento completo del prototipo (Figura 3.1).

Figura 3.1. Esquema global del sistema

Un circuito excitador (S1) activará el palpador para que empiece a emitir

ultrasonidos. Sin embargo, al usar un único sensor tanto para emisión como para

recepción de dichas ondas es necesario hacerlo conmutar entre ambos estados, no

pudiendo recibir mientras emite y viceversa [16].

Esta tarea la realizará un conmutador analógico (switch) capaz de cumplir varias

especificaciones técnicas explicadas en su apartado. Dicha conmutación estará

guiada por el microcontrolador del sistema, que enviará una señal PWM cuadrada

de 20 kHz de control. Dicha señal tendrá un factor de servicio (duty cycle) menor

del 1%, ya que el tiempo de emisión debe ser lo menor posible (pero suficiente para

hacer vibrar al palpador) y aproximadamente diez veces más pequeño que el de

recepción. En el apartado 4.1 se puede ver el estudio de tiempos exactos.

Hardware

28




La otra parte del sistema es el circuito de recepción de datos (S2). Dado que los

ecos recibidos por el palpador son muy pequeños (100mV pico-pico

aproximadamente) fue necesario diseñar un circuito de tratamiento de señal que,

además de amplificarlos, los filtrara, creando una señal de entrada apta para el

microcontrolador.

De esta manera, el diseño del circuito que acondicione el palpador MB4F-E tiene

tres partes claramente diferenciadas:

Figura 3.2. Circuito completo de acondicionamiento del MB4F-E

Seguidamente se explicará cada una de estas partes por individual, detallando las

etapas internas de cada una y sus circuitos de diseño. Sin embargo, es importante

dejar claro primero como se ha alimentado el circuito y como se han conseguido ±

15V en algunos puntos.

3.2 ALIMENTACIÓN

Dado que uno de los compromisos del prototipo era que fuera un sistema portátil,

se buscó diseñar todos los circuitos con la restricción de una única alimentación

externa entre 0 y 5V. No obstante, pronto se necesitaron mayores tensiones para

Hardware

29




alimentar elementos como amplificadores operacionales o el mismo conmutador

analógico (switch).

Por ello se decidió incluir un chopper [17] de continua que convirtiera la

alimentación externa única de 5V a -15 y +15V. El modelo elegido fue el

NA0515SC, un elevador de tensión continua estándar y de fácil manejo. Sencillo

de conectar se compaginó adecuadamente con resto del circuito, pero cabe

mencionar que una vez conectado y funcionando dicho circuito al completo los

puntos de alimentación del chopper en lugar de a ±15V, estaban a ±12V. Esta

situación era medianamente esperable, ya que en vacío el dispositivo otorgaba casi

±20V en sus bornes de salida (más de lo esperado). Al conectar tantos dispositivos

(un conmutador analógico y cuatro etapas de amplificación) es lógico que caiga

algo su tensión de salida ideal.

3.3 CIRCUITO EXCITADOR

Su objetivo es crear una onda senoidal de frecuencia cercana a 4 MHz centrada en

cero voltios (ya que si no el palpador no la detectará). El fabricante informa en su

datasheet que la frecuencia de trabajo del palpador es 4 ± 0,4 MHz. Además, la

medición por el analizador de impedancias no es del todo segura (4,4 MHz

aproximadamente) debido a la resistencia de entrada del cable. Por tanto, es buena

idea aumentar en la medida de lo posible la tensión pico-pico de la senoidal que le

llegará al palpador, ya que cuanto mayor sea mejor se podrá suplir la diferencia con

la frecuencia real del palpador.

Hardware

30




Figura 3.3. Circuito excitador S1

3.3.1 ETAPA 1: OSCILADOR DE COLPITTS

Para conseguir dicha senoidal se optó por usar el oscilador de Colpitts [18], un

circuito que gracias a un cristal genera una senoidal prácticamente perfecta (Figura

3.4).

Figura 3.4. Oscilador de Colpitts

Hardware

31




Como se puede comprobar a continuación en la Figura 3.5, dicha senoidal tiene

2,7V de valor medio y aproximadamente 1V de valor pico-pico. Además, esta onda

tiene una frecuencia muy precisa respecto al cristal con el que se ha creado.

Figura 3.5. Salida del oscilador de Colpitts

Se comprobó empíricamente que el sensor MB4F-E no oscilaba (no detecta la

senoidal) al ser alimentado con esta señal en sus bornes. Se dedujo que esto era

debido a la tensión continua que acompañaba la señal, por lo que se consideró que

era imprescindible filtrarla. Con ese objetivo en mente se diseñó la siguiente etapa.

3.3.2 ETAPA 2: FILTRO DE CONTINUA

Para anular este voltaje de continua se realizó un filtro básico: colocar un

condensador en serie a la salida del oscilador [19]. Dado que la frecuencia de la

senoidal es cercana a 4Mhz y sólo se quiere filtrar la continua, la capacidad de dicho

Hardware

32




condensador no es muy crítica, por lo que se eligió un valor estándar de 1nF. Como

se puede observar en la Figura 3.6 el resultado fue satisfactorio.

Figura 3.6. Senoidal tras el filtro de continua del circuito S1

3.3.3 ETAPA 3: AMPLIFICACIÓN CON BOOSTER DE INTENSIDAD

El objetivo de esta etapa es amplificar la senoidal sin continua conseguida tras el

filtro. Para ello, combina dos elementos fundamentales de una manera inteligente:

un amplificador inversor y un booster de intensidad mediante transistores.

Para conseguir la máxima eficacia posible a la hora de hacer vibrar el palpador era

conveniente llegar a niveles elevados de tensión pico-pico en la señal. Por ello fue

crítica la elección de un amplificador operacional capaz de funcionar a 4MHz y

aportar ganancias relativamente altas. Tras varias pruebas fallidas con

operacionales clásicos finalmente se escogió el AD826AN (alimentado entre -15 y

+15V y con una ganancia de ocho aproximadamente), con el cual la salida era

parecida a lo esperado.

Hardware

33




Sin embargo, el slew rate [20] de dicho amplificador es de 350V/µs, algo justo para

la frecuencia y el voltaje pico-pico al trabaja. Esto, sumado a la insuficiencia de

gran cantidad de intensidad por parte del circuito deformaba la senoidal de salida y

creaba la necesidad de un elemento adicional.

Este elemento fue un booster de intensidad formado por dos transistores (uno PNP

y otro NPN) que comparten base [21]. Por seguridad y para precisar

experimentalmente la forma concreta de la señal, se unió este bloque al anterior

mediante una resistencia de apenas diez ohmios. Así, el booster de intensidad quedó

finalmente montado entre la salida y la realimentación negativa del amplificador,

como se puede ver en la Figura 3.7.

Figura 3.7. Amplificación con booster de intensidad

Queda montada así la última etapa del circuito excitador, siendo el punto de unión

del emisor del BD137 con el colector del BD138 la salida del mismo. La señal que

aparece en este punto con el circuito en funcionamiento se puede observar a

continuación en la Figura 3.8.

Hardware

34




Figura 3.8. Senoidal filtrada y amplificada

Una vez filtrada la tensión continua y amplificada la senoidal centrada resultante se

comprobó si la misma era capaz de hacer oscilar el palpador. Para ello se usaron

dos palpadores MB4F-E enfrentados a través de la almohadilla de hidrogel (Figura

3.9).

Figura 3.9. Experimento con dos palpadores MB4F-E enfrentados

Hardware

35




Al recibir una senoidal perfecta por el palpador receptor (Figura 3.10), se confirmó

la viabilidad de este método de excitación y se procedió a elegir empíricamente el

cristal que mejor hiciera oscilar al sensor. Se realizaron pruebas con varios cristales

a frecuencias cercanas a los 4Mhz y finalmente el que hizo oscilar mejor el palpador

fue el de 3,7Mhz, consiguiendo una tensión en el eco de respuesta de 1V pico-pico.

Figura 3.10. Señales en bornes de los palpadores en la prueba de excitación

3.4 CONMUTADOR ANALÓGICO

Esta es una parte clave del hardware de acondicionamiento, ya que es el elemento

de unión entre el circuito excitador S1, el receptor S2 y el palpador MB4F-E. Un

conmutador analógico, llamado comúnmente switch en inglés de tipo SPDT (Figura

3.11. Conmutador SPDT) es un circuito que siguiendo una señal de control conecta

un circuito de entrada P a uno de los dos circuitos de salida T [22].

Hardware

36




Figura 3.11. Conmutador SPDT

La elección y correcto funcionamiento de este elemento era crítica para el sistema,

por lo que se probaron varias iniciativas hasta dar con la correcta. Como primera

opción se optó por elegir uno convencional alimentado de cero a 15V, pero con un

tiempo de cambio de señal muy reducido (apenas 20ns). Sin embargo, tras hacer las

primeras pruebas con él, se vio como la señal se cortaba en tensiones negativas, es

decir, estas se convertían en cero voltios.

Esto se volvió un doble problema: por un lado, el conmutador no dejaba pasar

perfectamente la senoidal cuyo objetivo era hacer vibrar al palpador (necesitando

más energía de activación); por otro, la señal de recepción de ecos cambiaba su

frecuencia y no era la esperada.

Por ello, se estudió detenidamente la situación y en lugar de desarrollar un circuito

anterior que modificara la señal que le llegaba al conmutador, se decidió adquirir

un conmutador que pudiera ser alimentado entre -15V y +15V. El elegido fue el

DG419, que a pesar de aumentar el tiempo de conmutación a 100ns cumplió

satisfactoriamente todos los requisitos.

El conexionado de este se queda configurado según la Figura 3.12, necesitando

además de la alimentación, una tensión guía de cinco voltios y una señal de control

que le indique cuando conmutar entre el palpador conectado al puerto único (D) y

los dos circuitos S1 y S2. Esta señal será un PWM creado por el microcontrolador,

y sus parámetros concretos serán explicados en detalle más adelante.

Hardware

37




Figura 3.12. Conexionado del conmutador analógico

3.5 CIRCUITO RECEPTOR

Una vez conseguido que el palpador oscile durante la etapa de emisión es necesario

diseñar un circuito analógico que acondicione la señal leída por el mismo en su

etapa de recepción. Dicha señal se puede observar en la Figura 3.13, en la cual

aparecen incluso varios ecos de recepción (canal 2) ante un solo pulso de emisión

guiado por la señal cuadrada del PWM (canal 1).

Hardware

38




Figura 3.13. Lectura de ecos en bornes del palpador (canal 2)

El circuito receptor (Figura 3.14) acondicionará esta señal senoidal, amplificándola

y pasándola por un detector de pico para que sea fácil tratarla analógicamente. Las

etapas finales filtrarán la continua que acarree la onda por el error inevitable

proveniente de las fases de amplificación y la saturará para valores mayores de

3.3V, de modo que sea una entrada leíble de manera segura por el microcontrolador.

Figura 3.14. Circuito receptor S2

Hardware

39




3.5.1 ETAPA1: TRIPLE AMPLIFICACIÓN

Dado que el primer eco de recepción tiene aproximadamente 100mV pico-pico

(50mV de amplitud) se ha escogido amplificar aproximadamente entre 500 y 1000

veces para conseguir leer ecos fácilmente a pesar de que se reciba poca energía de

rebote contra el hueso. Para homogeneizar elementos del circuito se usó el mismo

operacional que en el apartado 3.3.3, el AD826AN. Sin embargo, al observar con

detenimiento el datasheet de dicho amplificador (Figura 3.15) se ve cómo su

ganancia varía con la frecuencia [23].

Figura 3.15. Ganancia en bucle abierto y margen de fase vs Frecuencia

Dado que la señal va a aproximadamente a 4MHz, la máxima amplificación que

puede dar el operacional son 20 dB, correspondientes a 10 veces la señal de entrada.

Por ello se instalaron finalmente tres etapas amplificadoras similares (Figura 3.16)

de ganancia 10 en serie, ya que, aunque teóricamente serían equivalentes a ganancia

1000, en la práctica siempre se pierde algo de amplificación.

Hardware

40




Figura 3.16. Circuito de la etapa triple de amplificación

La señal que se recibe a la salida de esta etapa se puede observar en la Figura 3.17.

Figura 3.17. Ecos a la salida de la etapa de triple amplificación

Aunque inevitablemente la señal transporte mucho ruido, los ecos de salida ahora

alcanzan los 20V pico-pico experimentando sobre la mesa. Esto no es demasiado,

ya que es esperable que en experimentos sobre humanos reales se consiga menos

energía en la recepción.

Hardware

41




3.5.2 ETAPA 2: DETECTOR DE PICO

Un circuito que funciona como detector de pico [24] ofrece a su salida una tensión

correspondiente al valor de pico de la señal de entrada (envolvente). En la Figura

3.18 se puede ver un ejemplo del funcionamiento de uno teórico.

Figura 3.18. Resultado teórico de un detector de pico

Dado que esta es una etapa crítica del sistema que necesitaba ser muy exacta se

barajaron y probaron varias opciones a la hora de diseñarla. Los valores finales de

los componentes de los circuitos se escogieron de manera empírica para un

comportamiento preciso.

Hardware

42




3.5.2.1 Detector de pico mediante superdiodo

Figura 3.19. Detector de pico mediante superdiodo (a falta del condensador a la salida)

Esta fue la primera opción, ya que mediante un superdiodo [25] no existe la caída

de tensión típica de los detectores de pico (debida al diodo), pudiendo conseguir así

una salida más rápida y precisa.

Sin embargo, tenía dos factores desfavorables: la necesidad de un amplificador

operacional adicional y tener que alimentar este entre +-15V (el AD826AN no

admite alimentación entre 5V y tierra). Se realizó el montaje ya que era la opción

ideal, pero al ir la señal a filtrar a 3.7Mhz la salida no llegaba a tiempo a bajar y

subir entre periodos de la senoidal, resultando en un filtrado pobre e insatisfactorio

como se puede apreciar en la Figura 3.20.

Hardware

43




Figura 3.20. Señal antes y después del detector de pico mediante superdiodo

3.5.2.2 Detector de pico clásico con un diodo estándar

Dado que la figura anterior muestra resultados no satisfactorios mediante el primer

método ideado, finalmente se decidió usar un detector de pico tradicional. Sin

embargo, incluyendo la peculiaridad de usar un diodo Schottky [26] con

aproximadamente 0,2V de caída (datasheet incluido) en lugar usar de uno estándar

con caída de 0,7V.

El condensador almacena carga al aumentar la señal de entrada y cuando esta

disminuye se descarga lentamente a través de la resistencia. El diodo conectado en

serie asegura que la corriente no circule en sentido contrario hacia la entrada del

circuito. Siguiendo este funcionamiento se montó el circuito de la Figura 3.21

eligieron unos componentes estándares de forma empírica que aseguraran un buen

funcionamiento de la etapa.

Hardware

44




Figura 3.21. Circuito detector de pico usado

Como se puede observar en la Figura 3.22, tras la etapa la onda aparece filtrada,

consiguiendo después del condensador los mismos ecos de la etapa anterior (uno

de emisión y dos de recepción a distancias equivalentes), pero ahora sólo su parte

positiva y con seguimiento, es decir, el valor máximo de la entrada en cada

momento.

Figura 3.22. Salida del detector de pico utilizado en el prototipo

Hardware

45




Sin embargo, debido a la enorme amplificación de la etapa anterior era inevitable

que se amplificara la senoidal base, además de cada operacional usado introducir

un pequeño error. Esto se ve reflejado en el valor medio de 5V de la señal de salida

de la etapa, creando la necesidad de un filtro a continuación.

3.5.3 ETAPA 3: FILTRO PASO ALTO

Al igual que en el apartado 3.3.2, en este punto del circuito fue necesario filtrar la

parte continua de la señal para dejar esta con un valor medio de cero voltios. Sin

embargo, esta vez hubo que calcular este filtro de manera más exacta, ya que era

crítico que sólo se quitara la tensión continua que acompañaba a los ecos. Para ello

se diseñó un filtro paso alto clásico, siguiendo la ecuación:

𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 =1

2𝜋𝑅𝐶

Tomando como frecuencia de corte un valor medio cercano a los 100 Hz y eligiendo

un valor de condensador estándar de 1F una resistencia válida para el montaje

final de la Figura 3.23 sería 4,7 kΩ.

Figura 3.23. Filtro paso alto del S2

Hardware

46




La salida del filtro se puede observar a continuación en la Figura 3.24, resultando

la misma onda, pero sin la continua de cinco voltios de valor medio que la conducía.

Figura 3.24. Señal de salida del detector de pico tras el filtro de continua

3.5.4 ETAPA 4: ACONDICIONAMIENTO COMO ENTRADA PARA EL A/D

Aunque puede recibir señales de hasta 5V, idealmente el microcontrolador usado

en este proyecto (dsPIC33FJ128MC802) no debería recoger por seguridad señales

de entrada superiores a los 3,3V, saturando cualquier voltaje superior a ese mismo

valor y leyendo por ello 1023.

Por ello, la última etapa del circuito receptor acondiciona la señal analógica que

contiene tanto los ecos de emisión como los de recepción del palpador, saturando

picos de tensión elevados a valores cercanos a 3.3 V para no quemar el

microcontrolador. Para ello, como se puede observar en la Figura 3.25, se utilizan

dos diodos Schottky, uno a tierra y otro a 2,5V mediante un divisor de tensión [27].

Hardware

47




Figura 3.25. Circuito acondicionador de entrada al A/D

Así se consigue limitar la tensión máxima en el punto de unión de los diodos (Figura

3.26) logrando una señal que pueda ser recibida sin peligro por el puerto RA1 del

dsPIC33FJ128MC802 para su posterior análisis.

Figura 3.26. Ejemplo de señal final del circuito receptor S2 que le llega al microcontrolador

Hardware

48




El circuito final se puede ver una vez soldado en una placa por puntos en la Figura

3.27 de a continuación. Aunque se preveía un tamaño relativamente grande por la

gran cantidad de componentes finalmente se ha podido reducir el tamaño gracias a

un gran diseño de montaje, quedando una placa pequeña y fácilmente portable.

Figura 3.27. Circuito completo montado en una placa de puntos

El cable rojo corresponde a 5 voltios de alimentación, el negro a tierra, el amarillo

de la derecha a la señal PWM de control y el amarillo de la izquierda a la salida del

circuito receptor S2, es decir, a la señal analógica que debe ser procesada por el

microcontrolador.

Software

49




Capítulo 4 SOFTWARE

El objetivo del software implementado durante este proyecto es analizar la señal

recibida por la entrada configurada analógica RA1. Esta es la señal proveniente del

circuito receptor S2, la cual ha sido tratada por el mismo para que no exceda la

tensión de entrada del microcontrolador dsPIC33FJ128MC802. Esta entrada

contiene los ecos tanto de emisión como de recepción del palpador MB4F-E,

pudiendo por ello analizándola medir el tiempo entre ellos y así calcular la distancia

del sensor al hueso.

Para conseguir este objetivo se han usado diferentes drivers otorgados por el

departamento de electrónica de la universidad, y cuyo detalle se encuentra en [28],

siendo los más importantes: el del conversor analógico digital (adc.h) que lee la

señal analógica conectada al puerto RA1, el creador y modificador de señales PWM

(pwm.h), el gestor del módulo UART (uart.h) y el gestor del Display TFT1.8SP

LCD [29] mediante SPI (Serial Peripheral Interface [30]).

4.1 ESTUDIO DE TIEMPOS

Como se ha hablado en apartados anteriores uno de los objetivos imprescindibles

del sistema es que realizara mediciones en tiempo real, y por ello era necesaria que

la frecuencia de trabajo del palpador fuera muy alta (algo poco habitual en

ultrasonidos). Por ello, para realizar el software que guiara y controlara el sistema

fue importantísimo hacer un estudio previo exacto de los tiempos de este.

El prototipo está controlado por una señal PWM (Figura 4.1) de 20kHz de

frecuencia y 0,7% de ciclo de trabajo [31] (duty cycle), creada desde el puerto RB15

y leída en el RA0. Estos dos parámetros son críticos y están calculados de manera

precisa según las características del MB4F-E.

Software

50




Figura 4.1. Señal PWM que guía el sistema

La frecuencia es tan alta con el fin de fijar una velocidad de ciclos que aporte la

suficiente precisión al sistema como para medir en tiempo real con exactitud, pero

que a la vez sea lo suficientemente lento como para que al programa le dé tiempo a

ejecutarse en cada ciclo de PWM, además de conseguir una distancia máxima de

medida suficiente de aproximadamente 4 centímetros.

En contraposición, el ciclo de trabajo se ha calculado como el menor posible que

hiciera vibrar al palpador, provocando así un eco de emisión. Con duty cycles más

pequeños de 3,5 microsegundos se comprobó experimentalmente que el sistema no

funcionaba, ya que el sensor piezoeléctrico no tenía suficiente tiempo como para

detectar la onda senoidal del circuito emisor y vibrar. Así, la distancia de detección

mínima de obstáculos queda fijada cerca de 0,48 cm.

Dado que el modelo lógico funcionará detectando flancos en las señales (tanto del

PWM como ecos del palpador) es imprescindible que para conseguir suficiente

resolución el tiempo entre interrupciones del timer que lleve el conteo del tiempo

entre ecos sea menor de 3,5 microsegundos. Experimentalmente, tras un arduo

trabajo de depuración en tiempo real (fue difícil discernir cuando al programa le

daba tiempo a ejecutarse), se fijó que el timer interrumpiera cada 1,5

microsegundos. De esta forma el programa era capaz de realizar su ciclo de scan

entre interrupciones y se tenía suficiente precisión en la medida de distancia.

Además, para tener un total control sobre los tiempos del programa y saber que las

mediciones del timer eran exactas se llevaron a cabo dos medidas esenciales. La

primera fue crear una variable “scan” la cual pusiera a 1 la interrupción de dicho

Software

51




timer y se pusiera a 0 al final de la ejecución del main. Con esta bandera se controla

que el main sólo se ejecute una vez por cada interrupción (cada 1,5 microsegundos),

asegurando que las mediciones del conversor A/D (las cuales tardan en realizarse

0,6 microsegundos, el mínimo posible) sean sólo una por ciclo de scan y sea esta

exactamente cada 1,5 microsegundos.

La segunda medida fue hacer que el contador de tiempo “ns” sumara una unidad

durante la propia interrupción en lugar de en el main.

Código 4.1. Interrupción del timer T1

Así se asegura que la medida de tiempo llevada por el timer sea exacta, ya que de

esta manera si por casualidad algún ciclo de scan del main tardara más de la cuenta

el timer seguiría teniendo una medida exacta al estar esta llevada en la interrupción.

4.2 LÓGICA

En este apartado se explicará la lógica del programa, es decir, cómo tiene que

funcionar, cuáles son las situaciones clave que detecta y cómo actúa en cada una de

ellas. Cabe destacar que para detectar con fiabilidad todos los flancos de la señal

analógica leída por el RA1 se ha programado mediante software un comparador por

histéresis, fijando sus límites inferior y superior en 1V y 1,5V respectivamente.

Como se ha detallado en el apartado anterior el main se ejectua solamente una vez

cada vez que salta la interrupción del timer que lleva el conteo de tiempos,

Software

52




poniéndose en dicha interupción la variable “scan” a 1 y retornando a su valor

original 0 al final del ciclo de ejecución del main. Dado que desde que se activa este

main está guiado por el PWM detallado en el apartado anterior, es esta señal la que

controla (creandose desde el RB15 y leyéndose en el RA0) si se está en modo

emisión o recepción.

En modo emisión se reinician todas las banderas del sistema y se espera al flanco

de bajada del PWM, es decir, a llegar al modo de recepción. Una vez en la fase de

recepción se espera hasta detectar el flanco de bajada de la señal analógica

procedente del circuito S2 (“leer=1”), momento en el que el contador del timer se

reinicia a cero. Este primer flanco de bajada se corresponde siempre con el eco de

emisión procedente del palpador, que lleva varios nanosegundos de retraso con

respecto el PWM que le ordena cambiar de modo.

Desde ese momento el programa se ejecuta sucesivas veces (sumándose en la

interrupción uno al contador del timer en cada ejecución) hasta encontrar un

segundo flanco de bajada en el RA1 proveniente de ecos de recepción del palpador.

Si no se encuentra ninguno al instante que el PWM tiene un flanco de subida se

vuelve a entrar en modo de emisión. Sin embargo, si se detecta ese segundo flanco

de bajada es que se ha detectado un eco, y por tanto el contador ns del timer se

almacena en ese instante en el vector “medidas”, con espacio para guardar hasta

doce de ellas. En la Figura 4.2 de a continuación se puede ver el esquema del

funcionamiento completo del sistema.

Software

53




Figura 4.2. Diseño lógico del software

Software

54




4.3 CÁLCULOS

En este apartado se explica cómo se convierten todas las medidas de tiempo

tomadas entre ecos (una cada 50 µ𝑠 aproximadamente) en un valor de distancia

entre el sensor y lo que esté detectando en ese momento. Para ahorrar tiempo de

ejecución del programa y porque no tiene sentido físico mostrarlas todas (el ojo

humano no puede detectar cambios a menos de 4 milisegundos) se decidió realizar

una herramienta estadística estándar y mostrar una medida cada doce válidas que el

sensor recoja.

Por ello, una vez detectado que el vector “medidas” está lleno se realiza la media de

las medidas guardadas excluyendo la menor y la mayor (para disminuir la

probabilidad de medidas erróneas). Este es el motivo de guardar exactamente doce

medidas, que al quitar dos quedan diez, siendo la suma de estas equivalente a hacer

la media y transformarla a décimas de microsegundo (dividir y multiplicar por

diez). Tras esto y ya que mostrar un valor entero conlleva mucho menos tiempo de

ejecución que mostrar un float se realizan una serie de conversiones algo complejas:

• La interrupción del timer es cada 1,5s por lo que para convertir el contador

de este en s reales hay que multiplicarlo por 1,5.

• La señal enviada por el palpador debe ir hasta el obstáculo y volver,

recorriendo en el tiempo medido ida y vuelta de la misma distancia. Por ello

es necesario dividir entre dos el contador para obtener el tiempo que tarda

la señal en recorrer sólo una vez esa distancia.

• Para calcular la distancia recorrida por la señal es necesario multiplicar el

tiempo que ha tardado en recorrerla por la velocidad a la que lo ha hecho.

Tomando el valor de velocidad de 1590 m/s hallado experimentalmente en

el apartado 2.3 y siguiendo la ecuación clásica:

𝐸𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

Software

55




• Para convertir 1590 m/s a centésimas de milímetro entre décimas de

microsegundo en necesario multiplicar por 105 y dividir por 107, equivalente

a dividir por 100.

Estas operaciones quedan resumidas a continuación:

𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑐𝑒𝑛𝑡é𝑠𝑖𝑚𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑚𝑚) = 𝐶𝑜𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑚𝑒𝑟 ∗1,5 ∗ 1590

2 ∗ 100

Para reducir lo máximo posible el tiempo de ejecución del código en lugar de

programar la operación exacta se ha optado por realizarla externamente, resultando

11,925. Redondeando este valor a 12 y multiplicando por dicho número el contador

se consigue un resultado entero en lugar de decimal, ahorrando gran cantidad de

operaciones en cada ciclo sin apenas perder precisión.

4.4 INICIALIZACIONES

Para inicializar el programa se crearon todas las variables necesarias y se llamó a

las funciones propias que inicializan cada módulo:

inicializarReloj(), inicializarDisplay(), inicializarUART(115200) e

inicializarADCPolling(0x02).

La primera establece el microcontrolador con un reloj de aproximadamente 40Mhz

(25ns por ejecución) y la segunda no viene contenida en ningún driver, es una

función específica creada para el proyecto que cómo se puede ver adelante inicializa

lo que se muestra por pantalla constantemente por el display: los títulos y los ejes.

Software

56




Código 4.2. Función inicializadora del display

La inicialización del módulo UART se realiza a 115200 baudios [32], lo más rápido

posible (recordar que la velocidad es crítica en el código) y la del conversor A/D

hace referencia al RA0, ya que 0x02 en binario corresponde a 0010, el registro que

debe haber en el AD1CHS0 para utilizar dicha entrada.

Además, es importante fijar el registro que establece la velocidad de conversión del

módulo al mínimo (AD1CON3 = 0x101), consiguiendo así tardar sólo 0,6

microsegundos en cada conversión:

𝑇𝐴𝐷 = 𝑇𝐶𝑌 ∗ (𝐴𝐷𝐶𝑆 + 1) = 25 ∗ 2 = 50 𝑛𝑠

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑠𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 = 𝑇𝐴𝐷 ∗ 12 𝑝𝑒𝑟í𝑜𝑑𝑜𝑠 = 0,6 µ𝑠

Software

57




4.5 MÉTODOS DE MUESTRA

La orientación real del proyecto es tratar los datos para calcular según unos límites

prestablecidos situaciones de peligro, de modo que la salida final debería ser

simplemente 1 o 0 según se dé esa situación o no. Sin embargo, se concluyó que,

para fines teóricos, experimentos con el prototipo y futuros desarrollos era mucho

más útil mostrar en tiempo real la distancia, teniendo así un feedback inmediato del

funcionamiento completo del sistema y un resultado útil en sí mismo y visible para

el usuario. Para ello se implementaron dos opciones, mostrar la distancia calculada

en el ordenador con la herramienta CoolTerm mediante el módulo UART o instalar

un Display TFT encima del propio microcontrolador.

4.5.1 UART

Para comprobar que el sistema funcionara correctamente de manera sencilla se usó

el módulo UART del microcontrolador y las siguientes líneas de código:

Código 4.3. Método de uso de la UART

La primera convierte la distancia calculada como número entero a char, y la

segunda pone ese char en cola para ser enviado posteriormente por la UART.

Enviando la distancia calculada en el apartado 4.3 al ordenador y mostrándola

mediante la herramienta CoolTerm del mismo se puede observar si los valores

calculados por el programa son correctos.

Software

58




Por ello, este fue junto al debugger del MPLAB-X el principal método de

depuración del proyecto, pudiendo comprobar en tiempo real cuando el programa

estaba funcionando correctamente y cuando no, una de las partes más complicadas

del proyecto.

4.5.2 DISPLAY

Una de las especificaciones que debía reunir el prototipo es que fuera portátil. Por

ello se decidió instalar un display de manera compacta encima del microcontrolador

que, además de mostrar la distancia con la misma tasa de actualización que en el

método anterior dibujara en tiempo real las medidas correctas tomadas.

Para ello, siguiendo el Código 4.4 primero se “borra” la columna que se va a

actualizar (dibujándola entera en negro) y luego se actualiza dibujando en blanco el

pixel correspondiente al valor de la distancia calculada convertido a altura del eje

y.

Código 4.4. Actualizador del display

Software

59




Esta conversión no es trivial, ya que el origen de los ejes del display es la esquina

superior izquierda del mismo, yendo así el eje y en sentido contrario. Además, sólo

se deben actualizar valores dentro de los ejes que delimitan la gráfica, no en toda la

pantalla. La última restricción es que el valor calculado tiene un orden de magnitud

de miles, por lo que hay que convertirlo a escala de los ejes del display. Suponiendo

que la máxima distancia que el prototipo es capaz de medir sea cercana a cuatro

centímetros y hay cien valores en el eje y, una regla de tres estándar resuelve el

problema concluyendo que simplemente se debe dividir el valor de la distancia

calculado entre cuarenta. El resultado se puede observar en la Figura 4.3 de a

continuación.

Figura 4.3. Ejemplo del funcionamiento del display

Resultados

60




Capítulo 5 RESULTADOS

Una vez terminado el acondicionamiento del hardware y la depuración del software

se realizó el montaje y prueba del prototipo completo (Figura 5.1).

Figura 5.1. Prototipo completo sin conectar

El microcontrolador y el cable rojo deben ir conectados a cinco voltios y el negro a

tierra. Con esta conexión de tensión (ya sea de una pila portátil o de otra fuente de

alimentación), el prototipo queda finalizado y listo para realizar con él

experimentos de comprobación y validación de su funcionamiento.

Sin embargo, antes de estudiar resultados positivos y para asegurar su validez se

analizó primero el funcionamiento durante la no detección de ecos (Figura 5.2), es

decir, un resultado verdadero negativo.

Resultados

61




Figura 5.2. No recepción de ecos

En la imagen captada por el osciloscopio se puede ver en el canal uno el PWM que

guía el sistema, y en el canal dos la señal que recibe el microcontrolador por el

puerto RA1. Dicha señal sólo conlleva un eco de emisión, coincidente (como debe

ser) con el nivel alto de la onda cuadrada, pero ninguno eco de recepción durante el

nivel bajo de la onda cuadrada. Este es el resultado esperable cuando el palpador

no detecte ningún obstáculo, no actualizándose en la pantalla el valor de distancia

y por tanto tampoco la gráfica. A continuación, se detallarán varios experimentos

en los que se dan situaciones con diferentes ecos de recepción y se estudiarán los

mismos.

Resultados

62




5.1 EXPERIMENTO 1: ALMOHADILLA DE HIDROGEL

La primera y más obvia prueba a realizar es la llevada a cabo durante todo el

proyecto para comprobar el funcionamiento del palpador MB4F-E en cada etapa de

su desarrollo: medir la distancia de la almohadilla a la mesa.

Para comprobar la veracidad de este experimento se midió la altura exacta del

hidrogel en el momento del mismo, que como se puede comprobar en la Figura 5.3,

es aproximadamente 0,85 centímetros.

Figura 5.3. Medición exacta de la altura del hidrogel en el momento del experimento

Este valor es necesario para validar la distancia medida por el sensor y verificar su

error exacto. El sistema montado y durante la realización del experimento se puede

apreciar en la Figura 5.4.

Resultados

63




Figura 5.4. Experimento con la almohadilla de hidrogel

Los resultados del experimento recogidos por el osciloscopio se pueden apreciar a

continuación en la Figura 5.5.

Resultados

64




Figura 5.5. Señales de ecos resultantes del experimento con el hidrogel

Ahora sí se observan, además del eco de emisión coincidente con el nivel alto del

PWM, varios ecos de recepción leídos durante el nivel bajo de la señal PWM. Que

sean equidistantes implica que pertenecen al mismo obstáculo (la mesa), y que

pierdan amplitud progresivamente es lógico, ya que cada rebote conlleva una

pérdida de energía. El sistema está diseñado para detectar la distancia del final del

eco de emisión al final del primero eco de recepción, por lo que recibir varios ecos

no crea un problema. Ante este experimento la distancia mostrada por pantalla

(Figura 5.6) es de 840 aproximadamente en todo momento, correspondiente a unos

0,84 centímetros.

Resultados

65




Figura 5.6. Historial del display durante el experimento con el hidrogel

Esta es una medida increíblemente precisa, ya que a pesar de las irregularidades de

la superficie del hidrogel y del pulso humano el resultado es muy estable. Además,

con el uso del gel de transmisión, la tarea de orientar el palpador para encontrar

ecos de rebote que a priori podría complicarse ha resultado francamente fácil. Por

todo ello, se puede asegurar que el experimento ha sido un éxito, consiguiendo un

error de medida menor de 0,1 milímetros inherente a un entorno por naturaleza

imperfecto.

5.2 EXPERIMENTO 2: ANTEBRAZO HUMANO

Como se puede apreciar en la Figura 5.7, en un antebrazo humano coexisten dos

huesos, el cúbito y el radio, siendo ambos de vital importancia para la funcionalidad

del brazo.

Resultados

66




Figura 5.7. Huesos del brazo humano

En el cuerpo humano, las células se organizan en distintos tejidos, con

características particulares que, al combinarse, dan lugar a los órganos, estructuras

más complejas. Estos tejidos son el epitelial, el conectivo y sus diferentes subtipos

(conjuntivo, adiposo, óseo, cartilaginoso, sanguíneo, …), el muscular y el nervioso.

La piel está formada por varias capas de tejido epitelial, bajo la cual, en el brazo,

tal y como se muestra en la Figura 5.8, nos encontramos con una capa de grasa

(tejido adiposo) y fibras de colágeno (conjuntivo), el músculo y diversos vasos

sanguíneos y fibras nerviosas hasta llegar al hueso (formado por tejido óseo, con

células en una matriz calcificada). [33]

Resultados

67




Figura 5.8. Tejidos del brazo humano

Su composición hace difícil (en comparación con el hidrogel) conseguir que el

palpador de ultrasonidos usado en este proyecto reciba los ecos de vuelta desde el

hueso. Además, los huesos no son planos como la mesa, suelen ser relativamente

cilíndricos, lo que no permite el rebote perfecto de la señal y provoca que esta pierda

mucha energía en su recepción. Aun así, se realizó un ensayo intentando detectar la

distancia entre la piel y el cúbito del paciente siguiendo la técnica de la Figura 5.9.

Figura 5.9. Técnica del experimento en el antebrazo

Resultados

68




Como era de esperarse, fue algo complicado encontrar el punto exacto en el que se

recibieran ecos estables de la suficiente amplitud, pero finalmente se encontró la

posición cerca del extremo derecho del brazo izquierdo. En la Figura 5.10 se pueden

observar dichos ecos, viéndose dos ciclos de señal guiados por sus respectivos

PWM.

Figura 5.10. Captura durante el experimento en el brazo

En la imagen se observan dos ecos de emisión y dos de recepción, uno por cada

ciclo. Los de recepción apenas llegan a los 1,5 voltios del límite superior de

histéresis, por lo que fue necesario bajar este a 1,2 voltios para la correcta detección

de los ecos. Disminuyéndolo se hace el sistema más sensible de modo que es más

fácil detectar ecos en los ensayos, pero también aparecen más a menudo medidas

incorrectas debido al ruido y las imperfecciones del tejido.

Resultados

69




Este es el caso del experimento en el brazo, que como se puede apreciar en la Figura

5.11 a pesar de ser relativamente estable en valores cercanos a 2 centímetros, hay

una zona en la que se ha detectado la medida con error.

Figura 5.11. Detalle historial de medidas de distancia en el brazo

La validación de este experimento no es posible con las herramientas a disposición,

ya que sería necesaria una radiografía en los ejes correctos o directamente una

intervención quirúrgica, y ambas se escapan de las posibilidades del proyecto. Sin

embargo, dos centímetros es una distancia muy razonable hasta el cúbito a esta

altura del antebrazo, por lo que el resultado podría ser perfectamente válido.

Resultados

70




5.3 EXPERIMENTO 3: RODILLA HUMANA

Como experimento adicional se decidió probar el sistema en una articulación

inferior como la rodilla. La posición del palpador durante el experimento se puede

ver a continuación en la Figura 5.12.

Figura 5.12. Técnica del experimento en la rodilla

En esta disposición se realizaron diversas pruebas recorriendo el perímetro de la

articulación, encontrando en algunos puntos ecos de recepción. Sin embargo, al no

poder validar los resultados por motivos similares a los del experimento anterior se

optó por recoger datos de este punto en concreto, gracias al cual al menos se puede

descartar o validar una posición interesante de medida. Las señales mostradas por

el osciloscopio durante el experimento en esta posición concreta se pueden observar

en la Figura 5.13.

Resultados

71




Figura 5.13. Señales durante el experimento en la rótula

Se puede apreciar que sólo existe un eco, que en principio parece de emisión. Sin

embargo, al analizar detalladamente la imagen se llega a la conclusión de que este

eco dura demasiado comparado con los de experimentos anteriores. Esto es debido

a que en realidad son dos ecos unidos, uno de emisión y otro de recepción.

A mitad del eco se puede distinguir como el mismo disminuye su amplitud y unos

nanosegundos después vuelve a aumentarla, sin llegar a atravesar esta los límites

estándar del comparador de histéresis (marcadores del osciloscopio, 1 y 1,5V): el

obstáculo está demasiado cerca del palpador para que pueda ser detectado.

El MB4F-E comienza a vibrar por el eco de recepción antes de terminar de vibrar

por el eco de emisión, por lo que aun pudiéndose observar en el osciloscopio

mediante experiencia humana la aparición de un eco de recepción, el programa es

Resultados

72




incapaz de detectarlo al no darle tiempo al eco de emisión terminar su propio flanco

de bajada.

Esta es una conclusión muy interesante, ya que muestra un ejemplo de límite

mínimo de distancia al obstáculo (comentado en el apartado 4.1), formulando la

rótula como un sitio de difícil medida por su proximidad a la piel exterior.

Conclusiones

73




Capítulo 6 CONCLUSIONES

Se ha realizado un estudio de la viabilidad del uso de palpadores de ultrasonidos de

alta frecuencia sobre el cuerpo humano para calcular, en tiempo real, la distancia

de la piel al hueso.

Con este fin, se ha diseñado e implementado un circuito analógico que acondiciona

el palpador MB4F-E para dicho objetivo. Además, se ha programado en C un

software basado en el control estricto de tiempos que recibe la señal analógica de

los ecos de retorno procedentes del palpador y la analiza para detectar el tiempo

entre ecos de emisión y recepción. Así, es capaz de calcular la distancia que

atraviesan estos ecos y mostrarla por pantalla en tiempo real junto la gráfica

histórica de los últimos 100 valores medidos.

Dada la tecnología de ultrasonidos es inevitable que el prototipo tenga

proximidades mínima y máxima de detección. Calculadas experimentalmente estas

son de 0,48 y 4 centímetros respectivamente.

El sistema completo ha sido validado satisfactoriamente con un error aproximado

de 0,1 mm mediante experimentos en una almohadilla Aquaflex de hidrogel que

imita el cuerpo humano, usando para los cálculos una velocidad de la señal a través

de ella de 1590m/s. Se han realizado también varios ensayos en seres humanos

reales, en diversos huesos como el cúbito, el radio, el húmero o el fémur. Estos

últimos experimentos no pueden ser completamente validados, ya que no se dispone

de la tecnología necesaria, pero los resultados han sido estudiados detenidamente y

parecen satisfactorios.

De esta manera se concluye que el proyecto ha conseguido sus objetivos propuestos,

fabricando un prototipo eficiente, preciso y portátil capaz de demostrar que los

ultrasonidos son válidos para su uso médico en este ámbito.

Futuros desarrollos

74




Capítulo 7 FUTUROS DESARROLLOS

Dado que este proyecto es el inicio y sirve como base para uno mayor (fabricación

de brackets automáticos para el cuerpo humano) pero queda terminado en sí mismo

como prototipo funcional (leer la distancia a un hueso con precisión, de manera

portátil y en tiempo real es útil en sí mismo), este capítulo está enfocado a los pasos

a seguir para llegar a ese sistema final.

El primer paso sería realizar estudios de validación de experimentos sobre cuerpos

animales o humanos, para calcular empíricamente una velocidad de señal a través

de estos lo más real posible y corroborar que la distancia que muestra el prototipo

es fiable.

Después se debería comprobar la funcionalidad del sistema en articulaciones como

el tobillo, la rodilla o el hueso. Con ayuda de un médico especializado en

traumatología se realizaría un estudio sobre los huesos principales que pueden

provocar problemas en estas articulaciones y sus movimientos cuando se producen

lesiones en las mismas. Si el prototipo es capaz de leer la distancia a esos huesos se

puede avanzar proceder a la siguiente etapa: fabricar varios prototipos iguales al de

este proyecto (en principio otros dos).

Así, al colocarlos alrededor de una articulación se podría tratar matemáticamente

sus señales y estudiar el movimiento de dicha en sus 360º. Teniendo una radiografía

de referencia, mediante trigonometría se obtendría la posición de la articulación y

se detectarían situaciones de peligro de la misma milisegundos antes de que sean

irreversibles.

Con todo el apartado electrónico implementado sólo faltaría un sistema actuador

que sujetara y oprimiera la articulación cuando el control detectara la necesidad,

evitando así lesiones en articulaciones muy comunes y peligrosas, que suelen dejar

secuelas para toda la vida e impiden practicar gran cantidad de actividades. Este

sistema inteligente podría además almacenar estadísticas sobre los pacientes,

aportando gran cantidad de información útil para la investigación biomecánica.

Futuros desarrollos

75




Bibliografía

76




BIBLIOGRAFÍA

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Bibliografía

79




Parte II ESTUDIO

ECONÓMICO

Estudio económico

80




Capítulo 1 ESTUDIO ECONÓMICO

Como se redacta en el apartado anterior, el prototipo desarrollado durante este

proyecto ha cumplido satisfactoriamente sus objetivos, consiguiendo por sí mismo

resolver problemas y aportar valor científico. Si bien esto es cierto, cabe decir que,

aunque el mismo serviría para realizar gran cantidad de medidas y ensayos en el

campo de la biomedicina (siendo monetizable por ello) la verdadera aplicación a la

que está orientado y puede hacerlo realmente rentable es un proyecto que lo

engloba: la fabricación de brackets automáticos para el cuerpo humano.

Este sistema completo con actuador inteligente sería una revolución en el campo de

la biomecánica que mejoraría enormemente la calidad de vida de miles de personas,

pero no por ello debería desarrollarse gratis. La parte más cara del prototipo es el

palpador de ultrasonidos (ronda los 200 euros), pero el resto es circuitería

increíblemente barata, por lo que el coste final del producto se vería fijado por dos

factores: el coste del sistema actuador y el sueldo del médico que estudiara al

paciente y realizara su seguimiento.

Dado que en principio este es un servicio de lujo, es lógico que conlleve un precio

adecuado que incluya la importante y clave etapa de personalización para cada

usuario. Sin embargo, eso no reduce en ningún ámbito el enorme nicho de mercado

vacío actualmente que abarca. Cada vez es más común y accesible para la población

la práctica de deportes de riesgo como el surf o la escalada y es habitual volver a

realizar ejercicio físico al llegar a una edad elevada por recomendaciones médicas.

Por no hablar de clásicas lesiones mal curadas que incapacitan que se lleve una vida

totalmente normal o simplemente abruman de miedo al plantear la opción de

practicar algún deporte. Las personas que reúnan cualquiera de estas características

son el cliente objetivo, ya que sentirse seguro se convierte día a día y cada vez más

en una necesidad básica.

Estudio económico

81




Parte III MANUAL DE

USUARIO

Prototipo

82




Capítulo 1 PROTOTIPO

Para que el prototipo funcione hacen falta dos alimentaciones:

• La del circuito analógico, correspondiendo el cable rojo a 5 voltios y el cable

negro a tierra (0 voltios).

• La del microcontrolador dsPIC33FJ128MC802 de 5 voltios, ya sea

mediante USB o con una batería externa. La placa sobre la que está montado

tiene ambos tipos de entrada.

Además, mediante un osciloscopio se pueden observar en cada momento el detalle

tanto del PWM de control saliente del RB15 como de la señal analógica entrante al

RA1 que contiene los ecos de emisión y recepción.

Cabe decir que el sistema funciona correctamente alimentado a 3,3 voltios, pero los

ecos de recepción le llegan con menor energía, por lo que sólo se puede garantizar

su correcta actividad en situaciones ideales.

Prototipo

83




Parte IV CÓDIGO FUENTE

Main

84




Main

85




Capítulo 1 MAIN

#include "config.h"

#include "adc.h"

#include "pwm.h"

#include "uart.h"

#include "TftDriver.h"

#include <xc.h>

#include <stdio.h>

#define PIN_PWM 1<<15 //RB15

#define FREC_PWM 20000 //20kHz

int scan=0;

int ns=0;

void inicializarDisplay(void);

int main(void){

inicializarReloj();

inicializarADCPolling(0x02); //Lee el RA1

inicializarUART(115200);

//Crear e inicializar variables

unsigned int THRES_I = 310; //*1023/3.3; //1 V 310

unsigned int THRES_S = 465; //*1023/3.3; //1.5 V 465

int est_ant=0;

int est_act=0;

int lectura=0;

int PWM_ant=0;

int PWM_act=0;

int flag=0;

int leer=0;

int i=0;

int j=0;

int x=51;

int mayor=0;

int menor=0;

unsigned int medidas[11]; //12 medidas

unsigned int suma=0;

unsigned int distancia=0;

char buffer[10];

Main

86




//Salida PWM RB15, entrada digital RA0 y analógica RA1

TRISB = 0x0FFF; //TRIS define como entradas o salidas/

PORTB = 0xFFFF; //PORT inicializa a 0 o 1

TRISA = 0x0FFF;

inicializarDisplay();

//Timer que interrumpe cada 25ns*60 = 1.5us

TMR1 = 0;

PR1 = 60;

IFS0bits.T1IF=0;

IEC0bits.T1IE=1;

T1CON = 0x8000;

inicializarPWM((PIN_PWM),FREC_PWM);

activarPWM((PIN_PWM));

setDcPWM((PIN_PWM), 700);

while(1){

if(scan==1){

PWM_ant=PWM_act;

PWM_act=PORTA&1;

if(PWM_ant != PWM_act){

if(PWM_act == 1){

flag = 0;

leer = 0;

}else{

flag = 1;

}

}

if(flag==1) {

lectura=leerADCPolling(1);

est_ant=est_act;

if(est_act==0){

if(lectura>THRES_S){

est_act=1;

}

}else {

if(lectura<THRES_I){

est_act=0;

}

}

Main

87




//Flanco de bajada del RA1

if(est_act==0 && est_ant==1 && leer==0){

leer=1;

ns=0;

}

//Segundo flanco de bajada del RA1

else if(est_act==0 && est_ant==1 && leer==1){

medidas[i]=ns;

i++;

leer=0;

flag=0;

}

//Hay 12 medidas (de 0 a 11), cuando i=12 (después de la medida 12)

if(i>=12){

for(j=0; j<12; j++){

suma+=medidas[j];

if(medidas[j] > medidas[mayor]){

mayor=j;

}

else if(medidas[j] < medidas[menor]){

menor=j;

}

}

//De las 12 medidas se quita la menor y la mayor (quedando 10)

para que hacer su media sea igual que pasar la suma a dus(*10/10)

distancia=(suma-medidas[mayor]-medidas[menor])*12;

//distancia = distancia *1.5timer /2idayvuelta *1590m/s *10^5cmm

/10^7dus = 12 en centésimas de mm

//Mostrar la media por el Display

//Borrar

setColor(VGA_BLACK);

fillRect(0,40,40,70);

drawLine(x, 119, x, 20); //Borro Columna

//Escribir

setColor(VGA_WHITE);

sprintf(buffer,"%d",distancia);

print(buffer, LEFT, 60,0);

drawPixel(x,125-(distancia/40));

x++;

if(x>158){

x=51;

}

Main

88




mayor=0;

menor=0;

suma=0;

i=0;

}

}

scan=0;

}

}

return 0;

}

void __attribute__((interrupt,no_auto_psv)) _T1Interrupt(void){

IFS0bits.T1IF=0;

ns++;

scan=1;

}

void inicializarDisplay(){

inicializarTFT(LANDSCAPE);

extern uint8_t SmallFont[];

setFont(SmallFont);

clrScr(); // Borra la pantalla

// Selecciona color blanco y fondo transparente para el texto

setColor(VGA_WHITE);

setBackColor(VGA_TRANSPARENT);

// Dibuja ejes

drawLine(50, 120, 50, 20); //Y

drawLine(50, 120, 158, 120); //X

// Dibuja ejes centrados

//drawLine(79, 14, 79, 113);

//drawLine(1, 63, 158, 63);

print("Distancia hueso(cm)", LEFT, 5, 0);

print("1-", 39, 95, 0);

print("2-", 39, 70, 0);

print("3-", 39, 45, 0);

}

Main

89




Parte V DATASHEETS

Palpador MB4F-E

90




Palpador MB4F-E

91




Capítulo 1 PALPADOR MB4F-E

Operacional AD826

92




Capítulo 2 OPERACIONAL AD826

Analog Switch DG419

93




Capítulo 3 ANALOG SWITCH DG419

Diodo Schottky

94




Capítulo 4 DIODO SCHOTTKY

Diodo Schottky

95





HUESOS MEDIANTE


FRECUENCIA

PLANOS

Autor: Director:


Julio de 2018



HUESOS MEDIANTE


FRECUENCIA

PRESUPUESTO

Autor: Director:


Julio de 2018


1

Índice

Capítulo 1 Recursos empleados ....................................................................................... 3

Componentes Principales .................................................................................................... 3

Herramientas y Software ..................................................................................................... 3

Mano de Obra ...................................................................................................................... 3

Capítulo 2 Costes unitarios ............................................................................................... 4

Componentes ....................................................................................................................... 4


Mano de Obra ...................................................................................................................... 4

Capítulo 3 Sumas parciales ............................................................................................... 5

Componentes Principales .................................................................................................... 5


Mano de Obra ...................................................................................................................... 5

Capítulo 4 Presupuesto general ....................................................................................... 6

3

Capítulo 1

Recursos Empleados

En este capítulo se calculará la cantidad de recursos que se han dedicado al proyecto, tanto materiales como equipo, software o humanos.

Componentes Principales

Componentes Cantidad

Palpador ultrasonidos MB4F-E 2

Almohadilla hidrogel Aquaflex 2x9 cm 1

Gel transmisor de ultrasonidos Parker 1 Microcontrolador dsPIC 33FJ128MC802 1

Placa por puntos 1

Circuitería X

Herramientas y Software

Componentes Cantidad Horas de proyecto Horas de uso al año Ordenador 1 360 1000

Programador 1 80 250

Microsoft Office 1 60 1000 Cable USB-MicroUSB 1 80 200

Polímetro 1 50 250

Fuente de alimentación 1 280 600

MPLAB-X IDE 1 120 1000

CoolTerm 1 80 1000

Soldador 1 10 800

Osciloscopio Tektronix 1 280 600

Mano de Obra

Actividad Horas

Primeros experimentos y análisis del palpador 40

Diseño y montaje del circuito de acondicionamiento 120

Programación de software 60

Ensayos y Depuración 100

Redacción de documentación 60

4

Capítulo 2

Costes Unitarios

En esta sección se detallan los costes y precios de cada uno de los elementos previamente analizados con los que se han llevado a cabo este proyecto.

Componentes

Componentes Precio (€/Ud)

Palpador ultrasonidos MB4F-E 220

Almohadilla hidrogel Aquaflex 2x9 cm 8,19 Gel transmisor de ultrasonidos Parker 9,95

Microcontrolador dsPIC 33FJ128MC802 5,3

Placa por puntos 20,19 Circuitería 10 (total)


Componentes Precio (€/Ud) Ordenador 800

Programador 57,23

Microsoft Office 40 Cable USB-MicroUSB 1.99

Polímetro 40

Fuente de alimentación 100

MPLAB-X IDE 0 CoolTerm 0

Soldador 35

Osciloscopio Tektronix 550

Mano de Obra

Actividad Precio (€/hora)

Primeros experimentos y análisis del palpador 20

Diseño y montaje del circuito de acondicionamiento 40

Programación de software 40

Ensayos y Depuración 40

Redacción de documentación 20

5

Capítulo 3

Sumas Parciales

Componentes Principales

En este capítulo se calcula el coste total de cada uno de los recursos empleados a partir de las mediciones y los precios unitarios.

Componentes Cantidad Coste (€/Ud) Coste Total (€)

Palpador ultrasonidos MB4F-E 2 220 440 Almohadilla 5ydrogel Aquaflex 2x9 cm 1 8,19 8,19

Gel transmisor de ultrasonidos Parker 1 9,95 9,95

Microcontrolador dsPIC 33FJ128MC802 1 5,3 5,3

Placa por puntos 1 20,19 20,19

Circuitería X X 10

Total 493,63 €


Para calcular el coste de los bienes de equipo, herramientas y software dedicados a este proyecto, se ha supuesto un tiempo de amortización típico de 4 años y se ha repartido de forma proporcional en función del número de horas empleadas

Componentes Cantidad Horas de Proyecto

Horas de uso al año

Precio (€/Ud)

Coste (€)

Ordenador 1 380 1000 800 76 Programador 1 80 250 57.23 4,6

Microsoft Office 1 60 1000 40 0,6

Cable USB-MicroUSB 1 80 200 1.99 0,2

Polímetro 1 50 250 40 2

Fuente de alimentación

1 280 1000 100 7

MPLAB-X IDE 1 120 1000 0 0

CoolTerm 1 80 1000 0 0

Soldador 1 10 800 35 0,11

Osciloscopio 1 280 600 550 64,16

Total 154,67 €

Mano de Obra

Actividad Horas Precio (€/h) Precio total (€) Primeros experimentos y análisis del palpador 40 20 800

Diseño y montaje del circuito de acondicionamiento 120 40 4800

Programación de software 60 40 2400 Ensayos y Depuración 100 40 4000

Redacción de documentación 60 20 1200

Total 13200 €

6

Capítulo 4

Presupuesto General

Sumando todas las contribuciones, se concluye que el coste del proyecto asciende a: Concepto Coste (€)

Componentes Principales 493,63

Herramientas y Software 154,67

Mano de Obra 13200

Total 13848,3 €

Si además se tienen en cuenta los gastos generales (12%) y el IVA del conjunto (21%):

Concepto Coste (€)

Presupuesto general 13848,3

Gastos generales 1661,8

IVA 3257,12

Total 18767,22 €

sistema de localizaciÓn de huesos mediante …

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