Download centro de investigación y de estudios avanzados del instituto

CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DE ESTUDIOS
AVANZADOS DEL INSTITUTO POLITÉCNICO
NACIONAL
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
SECCIÓN DE BIOELECTRÓNICA
SISTEMA DE TERMOMETRÍA BASADO EN FIBRAS
ÓPTICAS PARA UN LABORATORIO DE HIPERTERMIA
TESIS QUE PRESENTA
CRISTIAN PABLO ALEJANDRO PENNISI MAZZAGLIA
BIOINGENIERO
PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS
EN LA ESPECIALIDAD DE
INGENIERÍA ELÉCTRICA
DIRECTOR DE LA TESIS: DR. LORENZO LEIJA SALAS
CODIRECTOR DE LA TESIS: DR. ROBERTO MUÑOZ GUERRERO
MÉXICO D.F.
SEPTIEMBRE DE 2002
Ella está en el horizonte. Me acerco dos pasos, ella se aleja dos pasos. Camino diez pasos y
el horizonte se corre diez pasos más allá. Por mucho que yo camine, nunca la alcanzaré.
¿Para qué sirve la utopía? Para eso sirve: para caminar.
Eduardo Galeano
A Jorgelina, amor de mi vida y compañera de camino, por su apoyo incondicional.
A mis viejos, por los valores que me supieron dar y por su ejemplo de perseverancia.
A mis hermanos, familiares y amigos, porque sé que siempre puedo contar con ellos.
A mis compañeros de la sección de Bioelectrónica, por los buenos momentos compartidos,
en especial a Enrique, Mónica, Mario, Yahir, Cuauhtémoc, Rubén, Zeus, Omar y Alfredo.
A mis colegas de la cátedra de Bioingeniería II y a mis ex-compañeros del Laboratorio de
Bioelectricidad de la Facultad de Ingeniería de la UNER, en especial a Leonardo, quien
me hizo dar los primeros pasos en el camino de la investigación y la docencia.
A quienes fueron los gestores del proyecto FOMEC en la Facultad de Ingeniería de la
UNER, en especial a César, quien me brindó un gran apoyo en cada etapa de este
emprendimiento tan importante.
Agradecimientos
Quiero expresar mi gratitud al Dr. Lorenzo Leija por brindarme sus consejos y experiencia,
y por el apoyo brindado en lo académico y en lo personal durante mis estudios.
También quiero agradecer a los profesores de la Sección de Bioelectrónica, quienes siempre
estuvieron dispuestos a atender mis consultas y a brindarme los conocimientos que
ayudaron a mi formación, en especial al Dr. Roberto Muñoz, al Dr. Gilberto González, al
Dr. Arturo Vera y al Dr. Pablo Hernández.
Por otra parte, agradezco especialmente al Dr. Walter Fonseca Araujo, por su paciencia y
por la dedicación que supo ofrecerme en la realización de la tesis.
Quiero realizar una mención especial para el personal del taller de la Sección, quienes en
todo momento atendieron mis necesidades con empeño y dedicación.
Agradezco también a la Universidad Nacional de Entre Ríos, a través de la cual se
gestionó la beca FOMEC que hizo posible el haber realizado la maestría.
Agradezco finalmente al CINVESTAV, por haberme brindado la posibilidad de realizar
mis estudios.
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN................................................................................................................... 1
ABSTRACT ................................................................................................................. 3
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN.................................................................................. 4
1.1 ORGANIZACIÓN DEL INFORME ................................................................................. 5
CAPÍTULO 2. ANTECEDENTES ................................................................................ 7
2.1 LA HIPERTERMIA.................................................................................................... 7
2.1.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 7
2.1.2 TÉCNICAS DE HIPERTERMIA ................................................................................. 8
2.1.2.1
Técnicas electromagnéticas.................................................................................... 8
2.1.2.2
Técnicas ultrasónicas............................................................................................ 11
2.1.2.3
Comparación de las técnicas ................................................................................ 12
2.1.3 ASPECTOS TECNOLÓGICOS DE LA HIPERTERMIA................................................... 12
2.2 LABORATORIO AUTOMATIZADO DE RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y ULTRASÓNICA ..... 13
2.3 SISTEMAS DE TERMOMETRÍA PARA HIPERTERMIA ................................................... 17
2.3.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 17
2.3.2 CONDICIONES QUE DEBEN CUMPLIR LOS SISTEMAS DE TERMOMETRÍA .................... 18
2.3.2.1
Medición de la temperatura en campos electromagnéticos................................... 19
2.3.2.2
Medición de la temperatura en campos ultrasónicos............................................. 20
2.3.2.3
Requisitos específicos .......................................................................................... 21
2.3.3 TÉCNICAS INVASIVAS......................................................................................... 22
2.3.3.1
Termistores........................................................................................................... 22
2.3.3.2
Termopares .......................................................................................................... 23
2.3.3.3
Sensores basados en fibra óptica ......................................................................... 24
ii
2.3.3.4
Mapeo de temperatura.......................................................................................... 25
2.3.4 TÉCNICAS NO INVASIVAS.................................................................................... 32
CAPÍTULO 3. OBJETIVOS ....................................................................................... 34
3.1 OBJETIVO GENERAL............................................................................................. 34
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................... 34
CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA..................................................... 36
4.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA .............................................................................. 36
4.2 REQUISITOS QUE DEBE CUMPLIR LA SOLUCIÓN PROPUESTA .................................... 37
CAPÍTULO 5. SOLUCIÓN PROPUESTA ................................................................. 39
5.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA PROPUESTO ................................................. 39
CAPÍTULO 6. DESARROLLO DE LA SOLUCION PROPUESTA............................ 42
6.1 ETAPA DE MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Y ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO DE LAS
SEÑALES ..................................................................................................................... 42
6.1.1 SENSORES DE TEMPERATURA ............................................................................ 42
6.1.1.1
Principio de funcionamiento .................................................................................. 42
6.1.1.2
Descripción del sensor.......................................................................................... 46
6.1.2 CIRCUITO ANALÓGICO DE ACONDICIONAMIENTO ................................................... 49
6.1.2.1
Transmisor óptico ................................................................................................. 49
6.1.2.2
Receptor óptico..................................................................................................... 53
6.1.3 SISTEMA DE CALIBRACIÓN DE LOS TERMÓMETROS ............................................... 56
6.1.3.1
Baño termostático ................................................................................................. 57
6.1.3.2
Circuito de acondicionamiento .............................................................................. 58
6.1.3.3
Control de potencia............................................................................................... 58
6.1.3.4
Etapa digital .......................................................................................................... 61
iii
6.2 ETAPA DE POSICIONAMIENTO AUTOMATIZADO ........................................................ 67
6.2.1 ESTRUCTURA MECÁNICA.................................................................................... 68
6.2.2 CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS ............................................................ 71
6.2.3 CONTROLADOR DIGITAL ..................................................................................... 76
6.3 ETAPA DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DIGITAL ............................................... 79
6.3.1 FILTROS ANTIALIASING Y PROTECCIONES ............................................................ 79
6.3.2 TARJETA DE ADQUISICIÓN .................................................................................. 80
6.3.3 PROGRAMA DE VISUALIZACIÓN Y CONTROL .......................................................... 80
6.4 ETAPA DE COMANDO A DISTANCIA......................................................................... 90
CAPÍTULO 7. PRUEBAS DE VALIDACIÓN Y RESULTADOS................................ 92
7.1 ETAPA DE MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Y ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO DE LAS
SEÑALES ..................................................................................................................... 92
7.1.1 SENSORES DE TEMPERATURA ............................................................................ 92
7.1.1.1
Respuesta estática del sensor ............................................................................. 93
7.1.1.2
Respuesta dinámica del sensor ............................................................................ 96
7.1.2 CIRCUITO ANALÓGICO DE ACONDICIONAMIENTO ................................................... 97
7.1.2.1
Estabilidad de la fuente óptica .............................................................................. 97
7.1.2.2
Respuesta de los circuitos en función de la temperatura ...................................... 98
7.2 ETAPA DE POSICIONAMIENTO AUTOMATIZADO ...................................................... 103
7.2.1 REPETIBILIDAD ............................................................................................... 103
7.2.2 DESPLAZAMIENTOS MÁXIMO Y MÍNIMO............................................................... 104
7.3 ETAPA DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DIGITAL ............................................. 106
7.3.1 FILTROS ANTIALIASING Y PROTECCIONES .......................................................... 106
7.3.2 SISTEMA DE ADQUISICIÓN ................................................................................ 109
7.4 ETAPA DE COMANDO A DISTANCIA....................................................................... 112
7.5 SISTEMA DE TERMOMETRÍA COMPLETO................................................................ 112
7.6 DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS ........................................................................ 119
7.6.1 ETAPA DE MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Y ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO DE LAS
SEÑALES.................................................................................................................... 119
7.6.1.1
Sensores de temperatura.................................................................................... 119
iv
7.6.1.2
Circuito analógico de acondicionamiento ............................................................ 121
7.6.2 ETAPA DE POSICIONAMIENTO AUTOMATIZADO .................................................... 122
7.6.3 ETAPA DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DIGITAL ........................................... 123
7.6.4 ETAPA DE COMANDO A DISTANCIA .................................................................... 125
7.6.5 SISTEMA DE TERMOMETRÍA COMPLETO ............................................................. 125
7.7 OTROS RESULTADOS PRODUCTO DEL TRABAJO DE TESIS...................................... 127
CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES............................................................................. 129
BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................... 134
APENDICE 1: DIAGRAMAS DE LOS PROGRAMAS DESARROLLADOS EN
LABVIEW ............................................................................................................... 140
APENDICE 2: FOTOGRAFÍAS .............................................................................. 178
APENDICE 3: DIAGRAMAS DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS ........................... 183
v
RESUMEN
Se presenta el desarrollo de un sistema de termometría basado en sensores de fibra
óptica, para ser utilizado en un laboratorio de hipertermia experimental. Este sistema
tiene como objetivo caracterizar la distribución de temperatura sobre un material
sustituto de tejido biológico (phantom) sometido a radiaciones electromagnéticas o
ultrasónicas controladas.
El sensor de temperatura está constituido por una fibra óptica de vidrio, en la cual
una sección de su recubrimiento óptico fue sustituido por un aceite. Trabaja bajo el
principio de los sensores de campo evanescente, ya que la variación del índice de
refracción del aceite con la temperatura modula la potencia óptica transmitida a
través de la fibra. Se desarrolló además el circuito de acondicionamiento analógico
de la señal del sensor, compuesto por una fuente óptica estabilizada y un receptor
óptico. El sistema posee 8 sensores que se desplazan dentro del phantom mediante
un posicionador, brindando información acerca de la temperatura en un plano. El
posicionador se encuentra controlado por medio de una computadora personal, a
través de los puertos digitales de una tarjeta de adquisición. Esta tarjeta se utiliza
también para digitalizar la señal analógica de los sensores. Un programa basado en
plataforma LabVIEW, se encarga de coordinar las acciones del sistema y presentar
en pantalla las lecturas de temperatura realizadas en el phantom.
El sistema de termometría tiene la ventaja de utilizar sensores que no son afectados
por las microondas. Las mediciones que realiza poseen un error por no repetibilidad
menor que 0,5 % dentro del intervalo de temperatura de interés (20 ºC a 40 ºC). El
tiempo requerido para llevar a cabo un mapeo completo de un plano del phantom es
reducido, ya que los sensores poseen una constante de tiempo de 1,9 s. La
secuencia de operaciones de mapeo se realiza prácticamente de manera automática,
con una repetibilidad excelente. El programa de control y visualización presenta una
interfase amigable y requiere un mínimo de intervención por parte del usuario para
llevar a cabo las tareas requeridas.
1
2
ABSTRACT
The development of a thermometry system based on optical fiber sensors is
presented. The system is used in an experimental hyperthermia laboratory to
characterize the temperature distribution in a biological tissue substitute (phantom)
subjected to controlled electromagnetic or ultrasonic radiations.
The temperature sensor is built with a glass optical fiber, in which part of their
cladding was replaced by an oil. The variation of the oil refractive index with
temperature modulates the optical power transmitted along the fiber, then the probe
works based on the principle of evanescent field sensors. It was also developed the
analogical conditioning circuitry for the sensor signal, formed by a stabilized optical
source and an optical receiver. The system has 8 sensors which are displaced inside
the phantom by means of a positioning stage, giving information about the
temperature in a level surface. The positioning stage is computer controlled, through
the digital ports of an acquisition card. This card is also used to digitize the analogical
signal of the sensors. A software, based on a LabVIEW platform, is used to
coordinate the whole system actions and it is used to display the temperature
readings inside the phantom in the computer display.
As advantage, the thermometry system possesses sensors that are not affected by
the microwaves. The measurements have a non repeatability error less to 0,5 % in
the range of interest (20 °C to 40°C). The sensors have a low thermal time constant
(1,9 s), then the time required to perform a complete mapping in a plane of the
phantom is reduced. The mapping sequence is performed virtually in an automated
way, with an excellent repeatability. The control and display software, presents an
user-friendly interface and requires minimal intervention to perform the required tasks.
3
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
En el presente informe de tesis se presenta el desarrollo de un sistema de
termometría para ser utilizado en el Laboratorio Automatizado de Radiación
Electromagnética y Ultrasónica (LAREMUS) [1] de la sección de Bioelectrónica del
CINVESTAV – IPN, en la ciudad de México.
Este sistema tiene como objetivo realizar mediciones de temperatura precisas, en un
ambiente de emisión electromagnética. Las mediciones se harán dentro de un
material sustituto de tejido biológico (phantom). Las mediciones permiten caracterizar
los
patrones
de
absorción
de
energía
aplicada
mediante
radiaciones
electromagnéticas y/o ultrasónicas en dicho material. Esto se realiza con el fin de
investigar y desarrollar nuevas estrategias instrumentales y de procedimiento para la
aplicación de terapia de hipertermia sobre tejido vivo. Estas técnicas tienen como
propósito su aplicación futura en el tratamiento del cáncer.
El desarrollo actual de las técnicas de hipertermia se debe en gran medida al avance
en las técnicas instrumentales de medición de los parámetros de los aplicadores. En
este trabajo se propone el desarrollo de una técnica de caracterización confiable y
capaz de suministrar información termómetrica de manera repetible. Como requisito
primordial, se busca no perturbar el campo de distribución de la energía aplicada, por
lo que los sensores que se utilizan están basados en fibras ópticas. Esto debido a
que los sensores convencionales como termistores o termopares producen
modificaciones importantes en los patrones de distribución de energía y también
sufren de autocalentamiento por energía inducida.
4
1.1
ORGANIZACIÓN DEL INFORME
En el primer capítulo se describen las generalidades del trabajo, así como también
una presentación de la organización del informe de tesis.
En el capítulo 2, correspondiente a los antecedentes, se brinda una recopilación de
información relacionada con la temática de hipertermia, para luego presentar el
funcionamiento general del LAREMUS. En este contexto se presentan finalmente los
antecedentes relacionados con la temática específica de la tesis, es decir, los
sistemas de termometría existentes en el campo de la terapia hipertérmica, tanto en
el área clínica como en la experimental.
En el capítulo 3 se describen los objetivos que se persiguen en el presente trabajo de
tesis.
En el capítulo 4, dedicado a la descripción del problema, se exponen los aspectos
que se deben considerar para realizar las mediciones de temperatura de manera
confiable dentro del LAREMUS, así como también la justificación del presente
proyecto y las características que debe reunir la solución propuesta.
En el capítulo 5 se describe la solución propuesta, mencionando en forma general
cada una de las partes que constituirán el sistema final de termometría.
En el capítulo 6 se presenta el desarrollo de la solución propuesta, describiendo en
detalle cada una de las partes que componen el sistema de termometría.
En el capítulo 7 se presentan los resultados obtenidos en la evaluación de
desempeño de las partes que componen el sistema, así como también los resultados
obtenidos en la evaluación del sistema completo.
A continuación, en la sección de bibliografía, se presentan las referencias
bibliográficas consultadas para el desarrollo del trabajo.
5
Por último, se anexan tres apéndices con información complementaria acerca del
trabajo. En el apéndice 1 se presentan los diagramas de todos los programas
realizados en LabVIEW. Estos diagramas equivalen a los listados de un lenguaje de
programación convencional. En el apéndice 2, se exponen fotografías que muestran
en detalle algunas de las partes desarrolladas. En el apéndice 3 se presentan los
diagramas de las tarjetas de los circuitos impresos construidos
6
CAPÍTULO 2. ANTECEDENTES
2.1
LA HIPERTERMIA
2.1.1 Introducción
Para los humanos, se ha reportado que la temperatura “normal” del cuerpo varía en
un rango de 35.1 ºC a 37.7 ºC. Durante un proceso de fiebre, las temperaturas
pueden elevarse a valores más altos; el valor máximo en el hombre parece ser de
41.5 ºC a 42 ºC antes de que se presenten síntomas severos en el sistema nervioso
central [2].
Cuando se habla de hipertermia, se refiere a temperaturas superiores a aquellas
encontradas bajo situaciones normales o patogénicas. Para células de mamíferos,
las temperaturas de 42 ºC o superiores pueden ser entonces consideradas como
hipertérmicas [3].
Las células cancerosas pueden ser destruidas si se realiza un tratamiento de
calentamiento prolongado a temperaturas de 6 ºC a 8 ºC por arriba de la temperatura
normal del cuerpo [4]. De forma similar, las células normales calentadas también
serán dañadas térmicamente o destruidas; sin embargo, la sensibilidad de éstas no
parece ser tan pronunciada, y una mayor fracción de células sobrevive. Esta es la
base del uso de la hipertermia en terapias de cáncer [5].
Existe evidencia experimental que indica que las células tumorales in situ deberían
ser más sensitivas a la hipertermia que el tejido normal. Esta evidencia incluye la
posibilidad de que al menos algunas células neoplásicas sean inherentemente más
sensibles al calor que sus homólogas normales. Hay evidencia mucho más
concluyente que indica que el medio ambiente de al menos una gran parte de células
en tumores sólidos las hace a éstas particularmente sensibles al calor. Células en un
ambiente nutricionalmente pobre y células a bajo pH parecen ser fácilmente
inactivadas por exposiciones a temperaturas que no perjudican la habilidad
7
proliferativa de células en un ambiente más favorable. Muchos tumores tienen bajos
índices de flujo sanguíneo; células lejos de los capilares pueden por lo tanto estar
precisamente en lugares identificados con una incrementada sensibilidad al calor. La
fisiología de los tumores, y en particular la inhabilidad de muchos neoplasmas para
intercambiar sangre rápidamente con sus alrededores en estado normal, los hace
altamente atractivos para llevar a cabo un calentamiento vía irradiación local de
energía; ya sea por ultrasonido o por técnicas electromagnéticas, tal como se
describe a continuación.
2.1.2 Técnicas de hipertermia
La hipertermia como una herramienta para el tratamiento de enfermedades malignas
se está volviendo rápidamente una realidad clínica. Las dos principales técnicas
físicas competitivas de calentamiento localizado son las técnicas electromagnéticas y
la técnica por ultrasonido.
2.1.2.1
Técnicas electromagnéticas
Las técnicas electromagnéticas realizan el calentamiento del tejido por interacción
del mismo con radiaciones en el intervalo de las radiofrecuencias. Se pueden
clasificar en dos ramas principales, las técnicas invasivas y las técnicas externas o
no invasivas.
Básicamente, las técnicas invasivas consisten en antenas de radiación de alta
frecuencia implantadas, antenas (agujas) de bajas frecuencias implantadas y
“semillas” ferromagnéticas implantadas que trabajan a bajas frecuencias. Cualquiera
de estos dispositivos se implantan en el cuerpo a través de un orificio natural o a
través de la piel con la ayuda de agujas hipodérmicas.
En general, la principal ventaja que presentan estas técnicas es la de permitir
patrones de calentamiento altamente controlables, mientras que su principal
desventaja es la necesidad de insertar objetos, agujas o semillas a través del cuerpo.
8
En casos en los que los procedimientos invasivos no causen complicaciones, estas
técnicas pueden ser de gran utilidad.
Las técnicas de radiación EM no invasivas consisten básicamente en aplicadores
capacitivos o inductivos a bajas frecuencias, guías de ondas como radiadores a altas
frecuencias y grandes guías de ondas como radiadores a bajas frecuencias.
Las técnicas electromagnéticas externas se dividen en dos grandes ramas: las
técnicas de calentamiento localizado (hipertermia regional) y las técnicas de
calentamiento general (hipertermia de cuerpo entero). En la Figura 1 se muestra un
equipo comercial para hipertermia profunda que opera a 27 MHz (BSD-2000 3D,
BSD Corp.) [6]. El mismo cuenta con un aplicador de 24 dipolos capaz de controlar
de manera tridimensional la forma, profundidad y posición del patrón de irradiación.
Figura 1: Equipo comercial para hipertermia profunda, aplicada de forma no invasiva.
Existen muchas ventajas del calentamiento localizado de tumores sobre el
calentamiento de cuerpo entero:
9
Ø Usando la hipertermia local es posible obtener patrones de calentamiento más
confiables
y
uniformes,
particularmente
en
tumores
localizados
profundamente, lo que lleva a mejores efectos terapéuticos.
Ø Los tejidos normales pueden tener amplias variaciones en su sensibilidad
térmica y ciertos órganos pueden ser muy sensibles al calor, por lo tanto, el
calor localizado reduce sustancialmente el daño a tejido normal.
Ø El calentamiento localizado evita los efectos indeseables en la inmunología del
paciente ya que el calentamiento de grandes volúmenes de tejido reduce la
capacidad inmunológica del paciente e incrementa la frecuencia de
metástasis.
El empleo de un solo aplicador provoca un máximo calentamiento en la superficie,
con una progresiva disminución de la temperatura en capas inferiores de la piel, por
lo cual no se logra un calentamiento homogéneo en tumores a profundidades de 3
cm a 4 cm, incluso utilizando sistemas de enfriamiento en la piel. Por lo tanto, para
lograr un calentamiento homogéneo a ciertas profundidades de la piel, es necesario
emplear arreglos de aplicadores. En la Figura 2 se muestran dos aplicadores
comerciales
utilizados
para
suministrar
terapia
mediante
electromagnéticas [7].
Figura 2: Aplicadores comerciales de terapia mediante radiaciones EM.
10
radiaciones
2.1.2.2
Técnicas ultrasónicas
Un método de deposición de energía con una focalización más exacta es a través del
uso del ultrasonido. El paso de una onda de presión a través de un medio no elástico
resulta en una transferencia de energía, justo como sucede con el paso de una onda
electromagnética a través de tejido que presenta cierta resistencia al paso de la
misma. Por supuesto, los mecanismos moleculares involucrados son muy diferentes.
La razón por la cual el uso del US ofrece una manera más fácil de focalizar la
energía en comparación con las técnicas electromagnéticas es debido a la
característica de la relación absorción vs. frecuencia de ambas modalidades. Un
diagrama simple de un sistema de US no enfocado se muestra en la Figura 3.
Figura 3: Sistema básico para radiación por US en tratamientos por hipertermia.
En lo concerniente a la profundidad de penetración, el uso de haces no enfocados de
US ofrecen algunas (aunque a veces limitadas) ventajas sobre las técnicas
electromagnéticas. El calentamiento a profundidades de 3 cm a 4 cm actualmente es
una realidad. Para una penetración más profunda, el problema básico persiste: el
tejido en o cerca de la piel es expuesto a una mayor densidad de energía que el
tejido profundo y por lo tanto, se eleva a una temperatura mayor. El calentamiento
superficial sólo puede proteger la piel y el tejido hasta unos pocos milímetros debajo
de la piel. Para calentar a una gran profundidad, hay dos técnicas disponibles:
enfocar haces simples o superposición de varios haces utilizando diferentes puntos
11
de entrada. Estas técnica pueden combinarse, por ejemplo, varios haces enfocados
pueden ser superpuestos o un haz simple enfocado puede moverse continuamente
para simular el comportamiento de múltiples haces. En la Figura 4 se presenta un
equipo comercial (Sonotherm 1000, Labthermics Technologies Inc) [8] de hipertermia
mediante ultrasonido.
Figura 4: Equipo comercial para proveer hipertermia mediante ultrasonido.
2.1.2.3
Comparación de las técnicas
En resumen, una sola modalidad no resulta satisfactoria para todas las aplicaciones
de hipertermia. Los sistemas prácticos para generar hipertermia frecuentemente
consisten de varios aplicadores y probablemente de radiadores electromagnéticos y
ultrasónicos. El desarrollo de métodos ultrasónicos para la producción de hipertermia
no se ha estudiado tanto como el de los métodos electromagnéticos, pero debido a
las ventajas significativas del ultrasonido para algunas aplicaciones debería
estudiarse más este campo.
2.1.3 Aspectos tecnológicos de la hipertermia
En los estudios de hipertermia se requiere ingeniería de precisión y soporte orientado
a la instrumentación, ya que la naturaleza del tratamiento con hipertermia demanda
12
la capacidad de liberar cantidades precisas y bien controladas de radiación EM o US.
Sin embargo, la tarea se hace difícil por la gran cantidad de métodos que
actualmente son investigados para la generación de calor. El calentamiento externo
con microondas y radiofrecuencia con una gran variedad de aplicadores, el
ultrasonido, las técnicas invasivas, perfusión y calentamiento de cuerpo entero son
de los más estudiados en la actualidad. Para cada una de estas técnicas, se aplican
diferentes constantes físicas y también se requieren de diferentes formas de
monitorear la temperatura. Otro problema estriba en la gran variedad de tipos de
tumor existentes, sus ubicaciones en el cuerpo y los tamaños que puedan tener, a
todo esto se incluyen los complicados cambios en los patrones de temperatura
causados por su irrigación sanguínea, el cual es frecuentemente un parámetro
variante en el tiempo. Así, es probable que debido a esta diversidad y debido a el
dominio requerido para la apropiada aplicación de varias técnicas de calentamiento,
no hay modalidad que sea aplicable universalmente a todos los tumores. Un sistema
compuesto de una combinación de dos tipos de energía, electromagnética y
ultrasónica, con una variedad de estilos y tamaños de aplicadores parece ser el ideal
para el tratamiento clínico.
2.2
LABORATORIO AUTOMATIZADO DE RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y
ULTRASÓNICA
En la Sección de Bioelectrónica del CINVESTAV-IPN, se está desarrollando un
laboratorio automatizado para el estudio de los efectos inducidos en sistemas
biológicos por la radiación de campos electromagnéticos y ultrasónicos [1]. A través
de este laboratorio se pretenden llevar a cabo experimentos de radiación controlada
con microondas en el intervalo de 4 a 8 GHz y ultrasonido de onda pulsante a 1 MHz.
El
Laboratorio
Automatizado
de
Radiación
Electromagnética
y
Ultrasónica
(LAREMUS) involucra diferentes sistemas que trabajan en conjunto. En la Figura 5
se menciona cada una de las partes que componen este laboratorio.
13
SISTEMA DE BLINDAJE
Y AISLAMIENTO EM
SISTEMA DE
RADIACIÓN
ULTRASÓNICA
MATERIAL SUSTITUTO
DE TEJIDO BIOLÓGICO
(PHANTOM)
SISTEMA DE
SEGURIDAD
SECUNDARIO
SISTEMAS DE MEDICIÓN
LABORATORIO
AUTOMATIZADO
DE RADIACIÓN
ELECTROMAGNÉTICA
Y ULTRASÓNICA
SISTEMA DE
RADIACIÓN
ELECTROMAGNÉTICA
SISTEMA DE
TERMOMETRÍA
SISTEMA DE
POSICIONAMIENTO
AUTOMATIZADO
SISTEMA DE
COMUNICACIÓN Y
CONTROL
PROGRAMA GENERAL
DE CONTROL
Figura 5: Partes que componen el LAREMUS.
A continuación se especifican los objetivos de cada uno de los sistemas que
conforman este laboratorio:
Ø Sistema de blindaje electromagnético. Este sistema permite contar con un
espacio libre de radiación electromagnética proveniente de cualquier fuente
externa al sistema de radiación a emplear. Delimita el espacio en el que la
radiación generada dentro de este laboratorio pueda actuar, asegurando de
esta forma la seguridad del operario. Permite además que las radiaciones
efectuadas sobre el material biológico sean originadas únicamente por el
patrón de radiación del aplicador, es decir, que la radiación que genera el
calentamiento en el material biológico sea producto de la radiación incidente
proveniente del aplicador y no de posibles reflexiones (ecos) provenientes de
cuerpos metálicos. Esta característica le da el nombre de cámara anecoica, es
decir, que no produce ecos.
Ø Sistema de control. Este sistema permite habilitar todos los dispositivos
electrónicos que se tengan en el interior del laboratorio, desde el exterior del
mismo con la ayuda de una computadora personal. El enlace se realiza a
14
través de fibra óptica para asegurar que no exista acoplamiento de radiación
electromagnética desde el interior al exterior de la cámara anecoica.
Ø Sistema de comunicación. Este sistema permite acceder a todas las variables
mensurables en el interior del laboratorio, como son: las mediciones de
temperatura, el pH y la potencia de radiación.
Ø Sistema de posicionamiento automatizado. Este sistema permite manipular la
posición del aplicador o aplicadores (radiador) y los sensores de temperatura.
El control de la posición se lleva a cabo desde el exterior de la cámara
anecoica a través de una computadora personal.
Ø Sistema de seguridad redundante. Este sistema permite leer las variables
mensurables del experimento a través de otro medio diferente al sistema de
comunicación propuesto, con el fin de poder detectar cualquier problema en el
enlace de comunicación.
Ø Sistema de radiación electromagnética. Este sistema permite generar la
radiación electromagnética requerida para inducir la hipertermia en el material
a radiar, las frecuencias de operación oscilan en el rango de 4 a 8 GHz.
Además, este equipo se controla desde una computadora en el exterior.
Ø Sistema de radiación de ultrasonido. Este sistema permite generar la radiación
ultrasónica requerida para inducir la hipertermia en el material a radiar, la
frecuencia de operación es de 1 MHz. Además, este equipo se controla desde
una computadora en el exterior.
Ø Material sustituto de tejido biológico (phantom). Este material simula las
características dieléctricas del tejido biológico, con el fin de realizar
experimentos sobre este material para asegurar la confiabilidad del sistema y
más adelante realizar experimentos en tejido biológico in vivo.
15
Ø Sistema de termometría. Este sistema es precisamente el que se reporta en el
presente informe de tesis. Tiene como objetivo realizar mediciones confiables
de temperatura en un material sustituto de tejido biológico que será calentado
a través de las radiaciones de campos EM y US.
En la Figura 6 se puede observar un diagrama general del LAREMUS.
Figura 6: Diagrama general del LAREMUS.
16
2.3
SISTEMAS DE TERMOMETRÍA PARA HIPERTERMIA
2.3.1 Introducción
La medición de la temperatura o dosimetría térmica, es una componente esencial en
los tratamientos por hipertermia, así como también en el estudio y caracterización
experimental de aplicadores. La manera más empleada de llevarla a cabo consiste
en introducir sensores de temperatura en el volumen sometido a irradiación para
monitorear los cambios de temperatura que se producen.
En los tratamientos clínicos, esto se realiza con el fin de poder controlar el
tratamiento y la temperatura terapéutica requerida. En los estudios experimentales se
realiza con el propósito de obtener una descripción lo más completa posible de los
patrones de energía depositada por los diferentes tipos de aplicadores y técnicas de
irradiación. Los sistemas de termometría donde hay introducción de sondas en el
volumen tratado se conocen como sistemas de termometría invasiva. Por otro lado,
en la termometría no invasiva, la temperatura se determina a través de medios que
no requieren el uso de sondas convencionales de temperatura en el volumen tratado,
pero este tipo de técnicas se encuentra aun en fase de desarrollo y evaluación
experimental. Más adelante se describirán estos conceptos con mayor detalle.
Dentro de los procedimientos experimentales para evaluar el comportamiento de los
distintos tipos de aplicadores usados en hipertermia, es muy frecuente el método
indirecto de determinación de la distribución de la tasa de absorción específica
(comúnmente denominada SAR, sigla derivada del inglés Specific Absorption Rate).
Este es un método simple, que consiste en el uso de un phantom equivalente de
tejido, en conjunto con un sistema de termometría invasivo [9]. El cálculo de la SAR
es importante para cuantificar los parámetros básicos del aplicador, como son el
tamaño efectivo del campo de radiación, la densidad de potencia entregada y la
profundidad de penetración [10].
17
La SAR representa la derivada en el tiempo del incremento de energía dW absorbida
por una masa diferencial dm contenida en un volumen diferencial dV y que tiene una
determinada densidad ρ. La SAR puede ser expresada como:
SAR =
d  dW  dS
dS
=

=
dt  dm  dm ρ .dV
(W kg )
donde W = energía (J), S = potencia (W), m = masa (kg), V = volumen (m3) y ρ =
densidad (kg/m3)
En ausencia de conducción térmica, como ocurre en determinadas condiciones
experimentales, la SAR puede hallarse de manera simple mediante la siguiente
expresión:
SAR =
dT
c
dt
(W
kg )
donde c (J/kg/°C) es el calor específico del medio en cuestión y dT representa el
incremento de temperatura registrado en el tiempo dt. De esta forma, dado que
podemos conocer el calor específico del phantom, midiendo la elevación de
temperatura en diversos puntos del mismo, es posible calcular la distribución de la
SAR y caracterizar el aplicador empleado [11]. Para ello se requiere un sistema de
termometría confiable, capaz de realizar mapeos de temperatura en diversos planos
del phantom. A su vez también se requiere un sistema de posicionamiento preciso,
para poder determinar la posición del aplicador con respecto al phantom, y la
posición de los sensores de temperatura cuando se llevan a cabo las mediciones.
2.3.2 Condiciones que deben cumplir los sistemas de termometría
Tanto en la práctica clínica como en los procedimientos experimentales se hace
necesaria una selección cuidadosa del tipo de transductor de temperatura y sus
características. Esto con el fin de permitir, por ejemplo, que el sistema opere bajo la
presencia de radiaciones electromagnéticas o ultrasónicas.
18
2.3.2.1
Medición de la temperatura en campos electromagnéticos
Los termistores, termopares y otros sensores convencionales poseen numerosas
ventajas que los hacen atractivos para ser utilizados en la monitorización de
temperatura en hipertermia. Dentro de estas ventajas se pueden mencionar tamaño
pequeño, gran exactitud, excelente confiabilidad y bajo costo. Por otro lado, este tipo
de sensores también posee una gran desventaja, que es el hecho de estar
constituidos por componentes metálicos conductivos, blindajes y cables de conexión.
Estas partes metálicas son a menudo la causa de errores considerables en la
medición de temperatura cuando las sondas se utilizan para monitorizar tejidos o
phantoms sometidos a radiaciones electromagnéticas. Estos errores de medición son
ocasionados por tres fenómenos, que pueden presentarse solos o actuando en
combinación.
1. Calentamiento del sensor por corrientes inducidas: Cuando un elemento
metálico está inmerso en un campo electromagnético existe un campo
eléctrico incidente sobre dicho elemento, que generará un campo eléctrico
interno en el metal para satisfacer las condiciones de frontera en la
superficie. Este campo eléctrico en el metal causará una corriente eléctrica
interna, provocando un calentamiento en la sonda y dando lugar a un error
en la medición.
2. Perturbación del campo electromagnético: La corriente interna radiará una
onda electromagnética dispersa, la cual puede sumarse a los campos
electromagnéticos directamente inducidos en los tejidos. Esto provocará
una modificación en los patrones de distribución de la radiación en el lugar
donde se realiza la medición de la temperatura.
3. Interferencia electromagnética: Los campos eléctricos y corrientes en los
cables metálicos pueden acoplarse al sistema de medición electrónica y a
los dispositivos de despliegue, provocando por lo tanto mediciones
inexactas.
19
Los problemas recién descritos son de tal magnitud que han impulsado a diversos
grupos de investigación a desarrollar sondas no perturbadoras de los campos
electromagnéticos. Más adelante, en este mismo capítulo, se comentarán en detalle
las diferentes aproximaciones tecnológicas utilizadas en la actualidad para enfrentar
este problema.
2.3.2.2
Medición de la temperatura en campos ultrasónicos
La medición de temperatura en presencia de campos ultrasónicos de intensidad
terapéutica se puede realizar mediante sondas convencionales como termistores o
termopares. Los problemas en este caso no se deben a los componentes metálicos
sino más bien a los materiales de recubrimiento utilizados en las sondas de uso
médico y los catéteres utilizados para introducir estas sondas. Ambos interactúan
con los campos ultrasónicos e introducen errores en la medición que hay que tomar
en consideración.
Los artefactos se producen como resultado de dos fenómenos, llamados
calentamiento viscoso y absorción viscosa de la sonda. El primero aparece debido al
movimiento relativo del tejido adyacente a la sonda, que origina la presencia de
fuerzas de fricción y causa absorción de energía por parte de la sonda. Este
problema no es tan serio y puede hacerse despreciable si se emplean sondas de
tamaño pequeño. La absorción en cambio se produce debido a la presencia de
componentes plásticos alrededor de la sonda (polietileno o Teflón por ejemplo). La
absorción ocurre porque el plástico posee un coeficiente de absorción de la potencia
ultrasónica mayor que el que posee el tejido circundante, lo que produce que la
sonda se caliente más que el tejido. El artefacto de absorción puede ser eliminado si
en lugar de un catéter se utilizan agujas metálicas para la inserción de las sondas.
Un método basado en este principio emplea arreglos de sondas dispuestos sobre
agujas flexibles [12]. Por otra parte se han desarrollado catéteres de poliuretano,
especiales para termometría en hipertermia mediante ultrasonido, que disminuyen
considerablemente el artefacto por absorción viscosa [13].
20
2.3.2.3
Requisitos específicos
En la Tabla 1 se resumen los requisitos de desempeño que deben de poseer los
sistemas de termometría para hipertermia utilizados en la práctica clínica [14]. Estos
requisitos representan un buen punto de referencia para el desarrollo del sistema del
presente trabajo, aunque la aplicación prevista no sea clínica sino más bien
experimental. Es importante notar que estos requisitos están orientados a los
sistemas de termometría invasiva, que son los que actualmente están aceptados
para uso clínico.
Tabla 1: Requisitos de los sistemas de termometría usados en aplicaciones clínicas de hipertermia.
Parámetro
Requisito mínimo
Exactitud de calibración
≤ ± 0,2 ºC dentro del rango
hipertérmico (30-60) ºC
Resolución
≤ ± 0,2 ºC
Deriva térmica
≤ ± 0,1 ºC/h
Periodo de recalibración
≥ 24 h
Tiempo de respuesta
≤4s
Artefacto por curvatura
≤ 0.1 ºC para un radio de
curvatura de 5 mm
Artefacto por EM o US
≤ 0.1 ºC
Interferencia EM
≤ 0.1 ºC para una
interferencia
de
10
mW/cm2 de exposición
Durabilidad
Adecuado para múltiples
implantes
Contacto
térmico
del Longitud de contacto ≤
sensor en la zona de 1,5 mm cuando se prueba
medición
en un gradiente térmico de
10 ºC/cm
Tasa de muestreo
≤ 10 s
21
Los sistemas de termometría usados en la práctica clínica van desde sensores
únicos hasta sensores múltiples operados por dispositivos de mapeo mecánico. En
las secciones siguientes se enumeran algunas tecnologías disponibles para realizar
termometría invasiva y se comentarán también algunas de las tecnologías
emergentes de termometría no invasiva.
Existen además una serie de recomendaciones internacionalmente aceptadas que se
deben cumplir si se pretende contar con un sistema de aseguramiento de calidad en
el procedimiento de hipertermia [15]. Estas recomendaciones establecen los
lineamientos a seguir en los protocolos de uso de radiaciones electromagnéticas en
hipertermia. Estos lineamientos establecen, entre otras cosas, las características que
deben poseer los sistemas de termometría, la necesidad de contar con un sistema
computarizado de control y adquisición de los datos de temperatura y los pasos a
seguir para lograr una caracterización completa de los aplicadores.
2.3.3 Técnicas invasivas
Como se mencionó previamente, las técnicas invasivas de medición de temperatura
son las más empleadas en la actualidad, ya que los sensores de temperatura tienen
una mayor confiabilidad por su difundida utilización en otras áreas de aplicación.
Además, en técnicas de radiación intracavitaria se ha demostrado que la medición de
temperatura es sólo posible con técnicas invasivas [16]. A continuación se destacan
las características de los sensores más empleados en las técnicas invasivas.
2.3.3.1
Termistores
Un termistor es un dispositivo basado en semiconductores, cuya resistencia es
dependiente de la temperatura a la que esté sometido. La termometría basada en
termistores tiene la ventaja de poseer una elevada resolución y exactitud, sin
embargo los dispositivos deben ser adaptados para poder usarse en campos
electromagnéticos. Esta adaptación consiste en proveer a los terminales metálicos
de una impedancia elevada, para evitar el acoplamiento de los campos
22
electromagnéticos. El tipo más común de termistor usado en hipertermia se basa en
el dispositivo desarrollado por Bowman en el año 1976, que utiliza terminales de
carbón impregnados en teflón. Uno de los sistemas de termometría para hipertermia
comercializados por la empresa BSD Medical Corporation está basado en este
principio de funcionamiento. El principal inconveniente de este sensor es su tamaño,
ya que posee un diámetro externo de 1.1 mm y requiere por lo tanto el uso de un
catéter de 16 G, lo cual limita el número total de sensores a utilizar. Divrik y col. han
reportado un método que permite sobrellevar en cierta forma esta limitante y optimiza
las mediciones basadas en este tipo de sensores [17].
2.3.3.2
Termopares
Resumidamente, un termopar es un sensor que está compuesto por dos alambres de
metales diferentes, que se hallan convenientemente unidos en un extremo. El
termopar genera entre sus extremos libres una diferencia de potencial (∆V)
proporcional a la diferencia de temperatura (∆T) entre el extremo donde se hallan
unidos los metales (o unión de medida) y el extremo libre (unión de referencia). Su
funcionamiento fue descrito por Seebeck en 1821, por lo que existen tablas que dan
valores del coeficiente Seebeck en función de la temperatura, el que se define como
el cociente ∆V/∆T [18].
La respuesta de los termopares es esencialmente lineal en el rango de interés
hipertérmico, ofreciendo una exactitud de al menos 0.2 °C. El pequeño diámetro de la
punta del alambre (típicamente 50 µm) permite realizar sondas con varios sensores,
para realizar múltiples mediciones con una sola inserción. La mayor ventaja de los
termopares es su bajo costo y la relativa facilidad de acondicionamiento de la señal.
Sin embargo, su principal desventaja es que no pueden ser usados en presencia de
radiaciones electromagnéticas, y deben ser introducidos luego de interrumpida la
irradiación. Por ello su principal aplicación se restringe a hipertermia mediante
ultrasonido [13].
23
2.3.3.3
Sensores basados en fibra óptica
Los termómetros basados en fibras ópticas ofrecen la ventaja de no poseer
componentes metálicos, y por lo tanto no perturbar los campos electromagnéticos. La
idea básica consiste en modular la intensidad o la fase de la luz que se propaga a
través de la fibra óptica. El principio de funcionamiento del sensor depende del
método de modulación utilizado.
Los sensores modulados en fase utilizan técnicas interferométricas y ofrecen una alta
sensibilidad y resolución [19]. Sin embargo su implementación requiere métodos
complejos de estabilización y un procesamiento adicional, lo que los hace poco
atractivos para algunas aplicaciones. Los sensores modulados en intensidad son
menos sensibles que los modulados en fase, pero se utilizan más ampliamente
debido a su relativa sencillez. Dentro de este tipo de sensores se encuentran los
sensores fluorescentes [20], los basados en la variación de intensidad causada por
absorción en un cristal semiconductor [21] y los sensores de campo evanescente
[22].
Los sensores interferométricos pueden lograr muy alta resolución, cuando se emplea
el cambio de fase producido por la diferencia del camino óptico. Dado el gran valor
del coeficiente termo-óptico de las fibras comunes, se pueden construir
interferómetros del tipo Fabry-Perot de tan solo 1 cm de longitud. Con estos sensores
se ha reportado resoluciones de 0.001 °C [19].
En los sensores de temperatura por fluorescencia, se coloca en el extremo de una
fibra multimodo un material fluorescente. Para excitar el material se utiliza una fuente
luminosa pulsada con emisión en ultravioleta, la luz emitida por el material en la
región visible, decae con una constante de tiempo característica, que es una función
lineal de la temperatura [20]. Con estos sensores disponibles comercialmente, se han
logrado resoluciones típicas de 0.1°C y tiempos de respuesta de 1 s. Un sistema de
termometría invasiva basado en este principio de funcionamiento es comercializado
por la empresa Luxtron, y será descrito más adelante [23].
24
Los sensores basados en variaciones de intensidad, utilizan los cambios en
transmisión o reflexión; que presentan diversos materiales al variar la temperatura. El
principio de estos sensores consiste en intercalar entre la fibra emisora y receptora,
un material cuyas propiedades de transmisión o reflexión varían con la temperatura.
También se construyen con una sola fibra que es transmisora y receptora a la vez,
en este caso en un extremo de la fibra se coloca el material y enseguida un espejo
[21]. La dependencia con la temperatura de la absorción óptica en materiales
semiconductores también ha sido empleada para termometría en campos
electromagnéticos. Se coloca un cristal de arseniuro de galio (GaAs) en el extremo
de una fibra óptica, y se envía un haz de luz mediante un LED. El cristal cambia la
absorción del haz de luz en función de su temperatura, lo cual es detectado por un
fotodetector ubicado en el extremo de una fibra que capta la luz reflejada [24].
Los sensores evanescentes modulan la intensidad del haz de luz que se envía a
través de una fibra multimodo. En este tipo de sensores se mide la variación de
potencia óptica transmitida a través de la fibra, cuando parte del recubrimiento óptico
se reemplaza por un material cuyo índice de refracción varía con la temperatura.
Entre los materiales para reemplazar el recubrimiento óptico se han utilizado aceites
vegetales [22] y compuestos siliconados [25]. En el Laboratorio de Instrumentación
de la ESIME-IPN se han desarrollado dos sensores basados en este principio. El
primero de ellos utiliza fibras ópticas de vidrio [26] y el segundo fibras ópticas de
plástico [27]. Ambos emplean un aceite vegetal como reemplazo del recubrimiento
óptico. Estos prototipos han sido tomados como base para el desarrollo de los
sensores empleados en el presente trabajo.
2.3.3.4
Mapeo de temperatura
La inserción de sondas estáticas generalmente provee muy pocas muestras de
temperatura, por lo tanto no es posible obtener toda la información necesaria en el
desarrollo de una sesión de hipertermia. La única manera práctica de realizar un
muestreo adecuado de los valores de temperatura y, por lo tanto, obtener la
información que describa lo más fielmente posible lo que está ocurriendo en el
25
volumen tratado, es el mapeo con los sensores. Este mapeo puede realizarse
manualmente o de manera automática, y consiste en un desplazamiento de los
sensores a posiciones prefijadas, a lo largo del volumen tratado, en el transcurso de
la sesión de hipertermia.
Gibbs [28] reportó el primer sistema de este tipo, que desarrolló para ser usado con
un equipo comercial. Este sistema de mapeo desplaza tres sondas a la vez mediante
un actuador impulsado por un motor de pasos, el que es controlado desde una
consola microcontrolada. El sistema fue luego refinado por la compañía BSD Medical
Systems y se comercializa como un complemento para sus sistemas de hipertermia.
Este sistema, está designado para ser usado con las sondas de Bowman, y utiliza un
sistema de rodillos a presión para mover la sonda. Puede mover un total de ocho
sondas a la vez con una longitud de recorrido de 0 cm a 30 cm, deteniéndose a
intervalos de hasta 0,5 cm como mínimo y por un tiempo de 6 s para realizar las
mediciones. La exactitud de posicionamiento establecida por el fabricante es de ±0,2
cm. En la Figura 7 se muestra un diagrama del sistema de mapeo recién descrito.
Figura 7: Diagrama del sistema de mapeo comercializado por BSD Medical Systems.
26
Existen otros sistemas de termometría para hipertermia disponibles comercialmente,
como el sistema basado en termopares TM-12, de Physitemp [29]. Este sistema
utiliza sondas basadas en termopares para monitorear la temperatura de hasta ocho
sitios diferentes. A través de una computadora IBM compatible y un programa
especialmente diseñado se pueden controlar los parámetros más importantes del
sistema. El fabricante asegura que el sistema posee una resolución de 0,01 °C, con
una exactitud de 0,1 °C en el rango de temperatura fisiológica. Este sistema no está
aprobado aun para uso clínico, y sólo está recomendado para fines experimentales o
de investigación. En la Figura 8 se muestra una fotografía del módulo de conexión de
los sensores En la Figura 9 se muestra la pantalla principal del programa de control y
visualización de la temperatura. Las lecturas de cada sensor se muestran en
indicadores individuales, pero no se presenta la información en forma gráfica
Figura 8: Módulo de conexión de sensores del sistema de termometría TM-12 de Physitemp.
Otro sistema comercial, pero basado en sensores de fibra óptica, es el termómetro
Luxtron M3100 [23]. Es un termómetro para aplicaciones biomédicas, aprobado para
uso clínico, que ofrece una exactitud y una estabilidad notables. Los sensores están
basados en fibras ópticas, cuyo principio de funcionamiento es el de fluorescencia,
tal como se mencionó previamente. Puede ser controlado a través de una
computadora personal IBM compatible, con la cual se comunica a través de la
interfase serie RS-232.
27
Figura 9: Pantalla del programa del sistema de termometría TM-12 de Physitemp.
La exactitud reportada por el fabricante es de ±0,1 °C en el punto de calibración y
±0,5 °C en un rango de 50 °C alrededor de este mismo punto. La resolución del
termómetro es de 0,1 °C en el indicador del equipo y de 0,01 °C cuando los datos se
presentan en la pantalla de la computadora. Una de las características más notables
de este sistema, aparte de su inmunidad a las radiofrecuencias, es la rapidez con la
que responden los sensores, ya que los mismos poseen un tiempo de respuesta
térmica de 250 ms. En la Figura 10 se muestra una fotografía de este instrumento.
Figura 10: Termómetro M3100 de Luxtron.
28
Se han reportado varios sistemas de mapeo de temperatura no comerciales, dos de
los cuales citaremos a continuación. El primero de ellos, desarrollado por Engler y
col. [30], se muestra en la Figura 11. Cada una de las sondas es impulsada por un
actuador independiente. El desplazamiento de la sonda se alcanza mediante la
acción de un motor a pasos que impulsa un actuador lineal. Cada paso del motor
produce un desplazamiento lineal de 0,005 cm en la sonda. Una ventaja de este
sistema es que si la sonda llega incidentalmente a trabarse o al fin de su recorrido, el
actuador no ejerce fuerza de tracción sobre la misma, permitiendo que resbale. Los
autores han reportado una exactitud de posicionamiento de la sonda de 0,005 cm.
Figura 11: Esquema del dispositivo de mapeo de Engler. Se pueden observar: el actuador (A), eje (B),
enchufe (C), magneto (D), interruptores de límite (E1, E2), cable (F), cubierta (G), tubo interno (H1),
tubo externo (H2), catéter (I), unión para las sondas termométricas y tubo (K), y agarradera para el
motor cilíndrico (L).
El segundo de los sistemas que podemos citar fue desarrollado originalmente en la
Universidad de Stanford por Tarczy-Hornoch y col. [31] y se basa en una serie de
desarrollos previos del mismo grupo. El dispositivo de posicionamiento emplea un
rodillo recubierto por un polímero blando (Tygon) que es impulsado por un motor de
pasos. Este rodillo presiona un segundo rodillo de aluminio que puede girar
libremente. Ambos proveen el mecanismo de tracción sobre el arreglo de sondas.
Existe un segundo cilindro de posicionamiento que se utiliza para el desplazamiento
de las sondas y que es operado por otro motor de pasos. Cuando las sondas se
29
desplazan hacia atrás se enroscan alrededor de este cilindro. Un programa de
computadora controla ambos motores de pasos y coordina las acciones requeridas
para llevar a cabo el posicionamiento de las sondas. El sistema de termometría
empleado es el termómetro Luxtron modelo 3000. Los autores reportan que es
posible mover las sondas a una velocidad de 20 cm/s con una exactitud en el
posicionamiento de 0,1 cm. En la Figura 12 se muestra un diagrama funcional del
dispositivo descrito. En la Figura 13 se muestra la pantalla principal del programa
utilizado para el control del sistema, donde se pueden visualizar las lecturas de los
sensores de temperatura.
30
Figura 12: Diagrama funcional del dispositivo de mapeo de Tarczy Hornoch, mostrando sus partes
principales.
31
Figura 13: Pantalla del programa de control y visualización de las lecturas de temperatura. A la
derecha se presenta el mapa de distribución de la temperatura, tanto en cifras como en colores de
acuerdo a una escala que va del azul (más frío) al rojo (más caliente). El tamaño de cada celda de
medición es de 2,5 cm x 2 cm. El usuario tiene diferentes opciones para acceder a utilidades del
programa mediante las teclas de función.
2.3.4 Técnicas no invasivas
Las técnicas no invasivas aparecieron como consecuencia de las limitaciones
encontradas en las técnicas invasivas: trauma para el paciente y la limitación para
medir la temperatura sólo en ciertos puntos del volumen tratado. El objetivo original
de la termometría no invasiva es el obtener una medición de la temperatura en
tiempo real y con una alta resolución. Actualmente, se ha dividido este objetivo en
dos partes: por una parte se plantea la construcción de sistemas sofisticados con una
alta resolución espacial y temporal, que ayuden al desarrollo y evaluación de las
32
técnicas de hipertermia en investigación. Por otra parte se busca el desarrollo de
sistemas para la práctica clínica de rutina, más simples y económicos.
Los sistemas basados en técnicas no invasivas que al presente pueden destacarse
son los siguientes:
- Radiometría por microondas: es la única técnica que aplicada en la práctica
clínica. La cantidad que se mide se relaciona directamente con la temperatura y se
logran los requisitos de resolución y sensibilidad hasta una profundidad de 5 cm [32].
- Resonancia magnética nuclear: es una técnica que comenzó a utilizarse a
mediados de los ´80 [33], pero que comenzó a considerarse seriamente recién en la
última década. Esto gracias a su desarrollo tecnológico, que ha logrado aumentar
significativamente la calidad de la imagen así como también la velocidad de
procesamiento. El principal problema que presenta esta técnica es su elevado costo.
- Imágenes de impedancia eléctrica: es un método que ofrece alta sensibilidad y
posibilidad de procesamiento en tiempo real. Además es de bajo costo, lo que la
hace atractiva para los sistemas de rutina. Los principales problemas que afronta hoy
en día son su baja resolución espacial e inconvenientes de compatibilidad
electromagnética [32].
- Cámaras termográficas: Son dispositivos con amplio grado de desarrollo
tecnológico y han sido utilizados en la evaluación de diferentes tipos de aplicadores y
técnicas de hipertermia en el ámbito experimental [34], [35], [36], pero presentan la
limitante de poder medir la temperatura sólo en la superficie tratada.
- Ultrasonido: este método se basa en la dependencia de la velocidad de
propagación de la onda ultrasónica en un medio con la temperatura. Los avances
realizados hasta el momento son alentadores, ya que se trata de una técnica que
provee una resolución bastante aceptable, con una buena focalización e imágenes
en tiempo real [37].
33
CAPÍTULO 3. OBJETIVOS
3.1
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un sistema de termometría basado en sensores de fibra óptica para el
LAREMUS. Este sistema de termometría consta básicamente de un arreglo de
sensores de fibra óptica, circuitos analógicos de acondicionamiento de las señales de
estos sensores, un sistema de adquisición digital y un programa para la visualización
de los datos. Adicionalmente se cuenta con un sistema de posicionamiento mecánico
controlado a través de una computadora personal para el posicionamiento
automatizado de los sensores dentro del volumen del phantom.
3.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Ø
Contar con un sensor basado en fibra óptica que reúna los siguientes requisitos:
•
Intervalo de trabajo: 20 ºC a 40 ºC. Esto debido a que se espera medir
diferencias de temperaturas entre 5 °C y 8 °C por encima de la
temperatura inicial del phantom y el mismo se colocará a una
temperatura inicial igual a la temperatura ambiente.
•
Inmune a las radiaciones electromagnéticas. Esto significa que las
lecturas de temperatura no deben sufrir modificaciones significativas
cuando el sensor esté inmerso en un campo electromagnético.
•
Pasivo a las radiaciones electromagnéticas. Esto quiere decir que el
sensor no debe causar interferencias significativas en el patrón de
distribución de energía producido por el aplicador sobre el phantom.
•
Exactitud ≤ ±0.2 °C al momento de la calibración. Este requisito fue
tomado de los requisitos enunciados para los sensores de uso clínico
descritos en la sección de antecedentes.
34
•
Constante de tiempo térmica inferior a 4 s. Al igual que el parámetro
anterior, este requisito fue tomado de los requisitos para los sensores
de uso clínico descritos en la sección de antecedentes.
Ø
Contar con un circuito analógico de acondicionamiento de la señal del sensor.
Este circuito deberá proveer una señal de salida analógica, proporcional a la
temperatura medida en el phantom.
Ø
Obtener la mayor cantidad de información de distribución espacial de la
temperatura en el phantom en el menor tiempo posible. Para realizar las
lecturas se deberá utilizar un posicionador automatizado existente, al que habrá
que realizarle las adaptaciones y/o mejoras necesarias para poder cumplir con
este objetivo.
Ø
Contar con un sistema de adquisición y procesamiento digital de las señales de
temperatura provenientes de los circuitos analógicos, utilizando los siguientes
elementos
disponibles:
una
computadora
personal,
un
software
de
programación y una tarjeta de conversión analógica a digital. Esto permitirá
visualizar y almacenar en forma digital los valores de temperatura registrados
en el phantom para su posterior análisis.
Ø
Lograr que el sistema de termometría pueda ser operado remotamente, desde
una computadora personal ubicada en el exterior de la cámara anecoica del
LAREMUS, utilizando un sistema de comunicación mediante red de fibra óptica
existente.
Ø Integrar las partes a desarrollar con las ya existentes para lograr de este modo
contar con el sistema de termometría en el LAREMUS.
Ø Realizar el informe final de la tesis.
35
CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
En el desarrollo de este capítulo se describe la justificación de contar con un sistema
de termometría en el Laboratorio Automatizado de Radiación Electromagnética y
Ultrasónica, así como también las características que debe reunir la solución
propuesta.
4.1
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Actualmente, las líneas de investigación en el campo de la hipertermia giran en torno
a encontrar la técnica o combinación de técnicas, que permitan asegurar una
radiación confiable y efectiva, con la capacidad de focalización necesaria para poder
radiar agrupaciones de células neoplásicas, a cualquier profundidad y en cualquier
topografía del cuerpo humano.
La hipertermia debe en gran medida su progreso al desarrollo de sistemas que
posibilitan la medición de temperatura de manera precisa y confiable. Sin embargo,
estos sistemas de termometría no han alcanzado aún el grado de desarrollo
tecnológico ideal pretendido, que consiste en un sistema capaz de suministrar
información con suficiente resolución espacial (en tres dimensiones), temporal y
termométrica. De esta forma, podría ser posible evaluar de manera confiable la
eficacia de la hipertermia, correlacionando de manera precisa la respuesta obtenida
con la forma en la que los tejidos son calentados. En términos cuantitativos, es
deseable una resolución espacial de 5 mm3 a 10 mm3, una resolución y exactitud de
0,1 °C a 0,2 °C y una resolución temporal menor a 1 s [38]. Un requisito adicional
para un sistema ideal es que el mismo no sea invasivo, debido a las perturbaciones
que pueden producir los sensores o, más aún, las molestias asociadas con la
inserción de los sensores en el paciente. En el caso de la hipertermia experimental,
sólo se busca evitar el primero de estos efectos.
36
Los requisitos enunciados en el párrafo anterior aún no han sido alcanzados en su
totalidad, pese a los esfuerzos que se vienen realizando en materia de termometría
no invasiva [39]. En la actualidad, los únicos medios confiables para la adquisición de
los datos termométricos detallados son los sensores de temperatura colocados en la
superficie de la piel o dentro de catéteres colocados de manera invasiva dentro del
volumen tratado. Como se mencionó previamente, se emplea el mapeo manual con
varios tipos de sensores de temperatura en phantoms, tejidos animales y humanos,
se utilizan además varios sistemas automáticos y semiautomáticos de mapeo con
uno o más sensores de temperatura y se encuentran disponibles algunos sistemas
comerciales.
En lo que respecta a las necesidades específicas del LAREMUS, dado que uno de
los objetivos del mismo es la evaluación de diferentes tipos de aplicadores y de
estrategias de calentamiento por medio de radiaciones EM y US, un sistema de
termometría invasivo, basado en sensores no perturbadores, es el candidato más
apropiado, al menos en una primera etapa. Dado que los sistemas de termometría
disponibles comercialmente resultan inadecuados en términos de su capacidad de
proveer la información termométrica necesaria a un costo razonable, se plantea
entonces el desarrollo de un sistema de termometría basado en tecnologías
localmente disponibles.
4.2
REQUISITOS QUE DEBE CUMPLIR LA SOLUCIÓN PROPUESTA
Los requisitos que debe cumplir el sistema de termometría a construir se basan en
los requerimientos básicos de resolución espacial, termométrica y temporal que debe
cumplir un sistema de termometría de uso clínico, así como también en aquellos
enunciados en la sección 2.3.2.3 del presente trabajo. Dado que el sistema a
desarrollar será utilizado en un laboratorio experimental y no en la práctica clínica,
algunos de estos requerimientos se han tomado sólo como referencia, fijándose
valores más flexibles para ellos en esta aplicación en particular.
37
A continuación se especifican las características particulares deseadas para el
sistema de termometría a diseñar:
Ø El sistema deberá poder realizar las mediciones cuando el phantom está
sometido a radiaciones electromagnéticas y/o ultrasónicas (medición en
simultáneo con la irradiación). Por esta razón los sensores de temperatura no
deberán perturbar el campo electromagnético, así como tampoco deberán ser
afectados de manera considerable por la radiación ultrasónica.
Ø Los sensores deben poder medir temperaturas que estén en el orden de la
temperatura de calentamiento del phantom. En nuestro caso el intervalo
estará comprendido entre el límite inferior de la temperatura ambiente
(aproximadamente 20 °C) hasta 40 °C. Como características más importantes,
estos sensores deben poseer una constante de tiempo térmica baja (≤ 4 s) y
poder brindar una exactitud ≤ ± 0,2 ºC en el rango mencionado.
Ø Las mediciones realizadas deben poder visualizarse en forma de mapa de
distribución de temperatura, de manera que su interpretación sea sencilla.
Además, los datos deben poder almacenarse para su posterior análisis y
procesamiento.
Ø El sistema debe ser capaz además de caracterizar térmicamente el phantom
en planos perpendiculares a la incidencia de la radiación, por lo que deben
contarse con múltiples sensores y estos deben estar provistos de movimiento
en dichos planos. Para que los sensores puedan realizar el mapeo, deben
poder desplazarse en forma automática. Para que pueda cumplirse el requisito
de resolución espacial, el sistema debe permitir seleccionar la profundidad del
plano a mapear dentro del phantom.
Ø El sistema debe poder ser operado remotamente, es decir, desde el exterior
de la cámara anecoica. Esto para evitar que el operario del sistema sea
sometido a las radiaciones que se emiten dentro de la cámara.
38
CAPÍTULO 5. SOLUCIÓN PROPUESTA
En el presente capítulo se describen las características que posee la solución
propuesta, establecidas para alcanzar los objetivos planteados y cumplir con los
requisitos particulares enunciados en el capítulo anterior.
5.1
DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA PROPUESTO
Para resolver el problema planteado se propone la construcción de un sistema de
termometría invasiva, constituido básicamente por varios sensores de temperatura y
un sistema mecánico de posicionamiento para llevar a cabo mapeos. El sistema
completo puede ser dividido en cuatro partes: la etapa de medición de temperatura y
acondicionamiento analógico de las señales, la etapa de posicionamiento
automatizado del aplicador y de los sensores dentro del phantom, la etapa de
adquisición y procesamiento digital de las señales, y la etapa de comando a
distancia. Las características de cada una de ellas se describen a continuación.
En primer lugar, para poder realizar las mediciones de temperatura en forma
simultánea con la radiación, se decidió utilizar sensores basados en fibra óptica.
Como se mencionó previamente, este tipo de sensores poseen la ventaja de no
perturbar y no resultar afectados por el campo electromagnético. En el caso de la
radiación ultrasónica, este tipo de sensores posee una interacción mínima. Se
utilizaron ocho sensores de temperatura, dispuestos sobre un plano del phantom
perpendicular a la incidencia de la radiación. El plano del phantom que mapean los
sensores es paralelo al suelo y tiene una dimensión de 35 cm de largo por 30 cm de
ancho, por lo que los sensores realizan un recorrido lineal efectivo de
aproximadamente 30 cm y cubren un ancho de unos 25 cm.
Los sensores de temperatura se desplazan linealmente en el plano descrito gracias a
la acción de un sistema de posicionamiento automatizado, que sirve además para
controlar el desplazamiento del aplicador de hipertermia. El sistema está constituido
39
por dos estructuras mecánicas de soporte: una de ellas para el aplicador de
hipertermia y la otra para el arreglo de sensores. Estas estructuras cuentan con
motores de corriente directa que proveen el movimiento del aplicador y los sensores
a la posición deseada. El control del movimiento se realiza a través de una
computadora personal. Las señales de control son producidas por una tarjeta
conversora instalada en esta computadora, que se envían a circuitos de potencia que
alimentan los motores de corriente directa.
Para cumplir con el requisito de visualización y almacenamiento de los datos, se
escogió el uso de un sistema de digitalización de las señales obtenidas mediante los
sensores de temperatura. Las señales de los sensores son acondicionadas por
circuitos electrónicos analógicos. Éstos producen una señal de voltaje proporcional a
la temperatura, la cual es digitalizada por una tarjeta de conversión analógica a
digital y es enviada a una computadora personal. En esta computadora reside un
programa de visualización y control, que además permite guardar los datos en forma
digital, para su posterior análisis.
Como se mencionó previamente, el arreglo experimental del LAREMUS se halla
ubicado en el interior de una cámara de blindaje electromagnético y anecoica. Por
esta razón, la computadora descrita en el párrafo anterior se halla en el interior de la
cámara. Mediante una segunda computadora, ubicada en el exterior de la cámara y
conectada a la primera a través de una red de fibra óptica, se puede operar de
manera remota todo el sistema.
En la Figura 14 se presenta el diagrama de bloques del sistema recién descrito.
40
PC externa
Exterior de la
cámara
Interior de la
cámara
PC interna
Entradas
analógicas
Placa A/D
8
Puerto A
Fuente de
alimentación
de CD
Puerto B
Circuitos de
acondicionamiento
Termómetros
Circuitos
de potencia
8
Posicionamiento
mecánico del
aplicador
Aplicador
Posicionamiento
mecánico de los
sensores
phantom
Sensores
Figura 14: Diagrama de bloques de la solución propuesta.
41
CAPÍTULO 6. DESARROLLO DE LA SOLUCION
PROPUESTA
En este capítulo se presenta el desarrollo de la solución propuesta, describiendo
cada una de las partes que componen el sistema de termometría construido.
6.1
ETAPA DE MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Y ACONDICIONAMIENTO
ANALÓGICO DE LAS SEÑALES
Esta etapa está constituida por los sensores de temperatura basados en fibra óptica,
que fueron desarrollados específicamente para este proyecto, y por los circuitos
analógicos de acondicionamiento, a los que nos referiremos como termómetros.
6.1.1 Sensores de temperatura
Como se mencionó previamente se propone el uso de sensores de temperatura
basados en fibra óptica. Este tipo de sensores no perturba los campos EM debido a
que no presenta en su estructura ninguna parte metálica; lo que resulta ideal ya que
las mediciones de temperatura se pueden llevar a cabo en simultáneo con la
irradiación.
6.1.1.1
Principio de funcionamiento
Las fibras ópticas trabajan basándose en la diferencia de los índices de refracción del
núcleo (n1) y del recubrimiento óptico (n2). Si estos parámetros se mantienen fijos no
habrá fluctuaciones en la potencia óptica a través de la fibra, mientras la potencia
óptica del transmisor sea constante [40].
La diferencia relativa entre los índices de refracción del núcleo y del recubrimiento
óptico está definida por:
42
∆=
n12 − n22
2n12
donde ∆ es la diferencia relativa entre los índices de refracción, n1 es el Índice de
refracción del núcleo y n2 el Índice de refracción del recubrimiento.
Generalmente esta diferencia relativa es mucho menor que la unidad, típicamente del
orden del 1% para fibras multimodo y de 0,1% para fibras monomodo. El índice de
refracción del núcleo debe ser ligeramente mayor que el índice de refracción del
recubrimiento óptico para que la fibra cumpla con las condiciones de guía óptica.
Los índices de refracción del núcleo y del recubrimiento óptico en una fibra son, en
general, independientes de la temperatura. Como se describió previamente, en la
sección de antecedentes, una de las formas en que la fibra óptica puede ser utilizada
como sensor de temperatura, es utilizando un recubrimiento óptico que presente una
variación de su índice de refracción con respecto a la temperatura. Para ello se
suelen emplear líquidos, como aceites u otras sustancias orgánicas, o bien
elastómeros sólidos. Todos ellos presentan un índice de refracción cercano al del
recubrimiento óptico pero un coeficiente de variación respecto de la temperatura
mucho más pronunciado.
El funcionamiento de este tipo de sensores puede ser explicado a través de un
modelo teórico. Este modelo se describirá a continuación, y está basado en la teoría
de las fibras de escasa conducción (en inglés, weakly guiding fibers). El modelo es
una aproximación que no toma en cuenta la longitud del sensor, pero, como se verá
más adelante, se correlaciona de manera bastante aproximada con los resultados
experimentales.
Asumiendo que la fibra se encuentra transmitiendo una cierta cantidad de potencia
óptica, constituida por potencia en el núcleo y en el recubrimiento, la potencia total se
puede expresar como [41]:
43
P = P1 + P2
donde los subíndices 1 y 2 se refieren al núcleo y al recubrimiento óptico de la fibra
respectivamente. Luego, la relación de potencia óptica entre núcleo y recubrimiento
se puede hallar como:
P1 3 1 / 2
= Nm −1
P2 4
donde Nm representa el número total de modos en el espacio libre que son aceptados
y transmitidos por una fibra de índice escalonado. El número de modos se relaciona
con el llamado parámetro v mediante la siguiente relación:
N m = 12 v 2
El parámetro v, a veces conocido como la frecuencia normalizada, es una propiedad
fundamental de la fibra, debido a que depende de sus parámetros más importantes y
se define como:
(
2
2
v = 2π . a1 . n1 − n 2
λ


)
1
2
donde a1 es el radio del núcleo de la fibra, λ es la longitud de onda de operación y n
es el índice de refracción.
Suponiendo un material de recubrimiento óptico cuyo índice de refracción dependa
de la temperatura, podemos hallar una expresión para la potencia (normalizada) en
el extremo de la fibra en función de la temperatura, que se puede escribir como:
Pnorm = 1 −
P2
2 2
= 1−
2
P
3π . a1 . n1 − n2 (T ) 2
λ


(
44
)
1/ 2
De esta última expresión, se puede ver que la potencia transmitida a través de la
fibra es dependiente de la temperatura y sigue una relación no lineal, en forma de la
inversa de una raíz cuadrada.
En la Figura 15 se muestra una gráfica de la potencia normalizada en función de la
temperatura. Los parámetros utilizados para construir la curva fueron los que
posteriormente se usaron de manera experimental en el presente trabajo:
a1 = 31,25 * 10-6 m
λ = 840 nm
n1 = 1,4787 (aceite de girasol)
n2(T) = 1,466 - (5 x 10-4 1/°C) *∆T
La dependencia del índice de refracción del recubrimiento óptico con la temperatura
es una aproximación, ya que se considera que la mayoría de los líquidos orgánicos
presentan un coeficiente de variación lineal de -5 x 10-4 1/°C [42].
20
30
40
50
1.0
0.984
0.9
Salida teórica (P norm)
0.8
0.980
0.7
0.978
0.6
0.976
Salida medida normalizada (P/P
max)
0.982
0.974
10
20
30
40
50
60
Figura 15: Potencia normalizada en función de la temperatura para el modelo de sensor.
45
6.1.1.2
Descripción del sensor
El diseño del sensor se basa en un prototipo desarrollado en el Laboratorio de
Instrumentación de la ESIME-IPN [26], al que se le realizaron algunas modificaciones
y mejoras a fin de adaptarlo a este proyecto en particular. Las mejoras que se
introdujeron en principio tienen que ver con una reducción sustancial del tamaño del
sensor. Esto implicó un menor desplazamiento volumétrico en el sitio de medición y
una disminución en la constante de tiempo térmica de la respuesta. Por otra parte, se
utilizó un aceite purificado como reemplazo del recubrimiento óptico, mediante el cual
fue posible lograr la repetibilidad en la producción de varios sensores. Finalmente, se
utilizaron cables prefabricados de fibra óptica, conocidos también como patch-cords
o jumpers, evitando de esta manera la realización manual del conectorizado en las
fibras, lo cual degrada de manera considerable la transmisión de potencia.
Para la fabricación del sensor se empleó fibra óptica de vidrio multimodo de 62,5 µm
de diámetro del núcleo y 125 µm de diámetro del recubrimiento óptico.
La estructura del cable que contiene esta fibra se muestra en la Figura 16.
Hilos de
Kevlar
Protección
plástica
(1,6 mm)
Primer
buffer
(920 µm)
Recubrimiento de la
fibra de vidrio
(125 µm)
Segundo
buffer
(490 µm)
Núcleo de la
fibra de vidrio
(62,5 µm)
Figura 16: Estructura del cable de fibra óptica empleado.
Se utilizó un patch-cord de 2 m de longitud con conectores del tipo ST (Wiremold,
J44 KT2-2M ST/ST), el cual posee una atenuación máxima de 0,25 dB a 850 nm.
46
Partiendo de este patch-cord, se fabricó el sensor de acuerdo al siguiente
procedimiento:
1. Se cortó el patch-cord por la mitad, quedando por lo tanto dos trozos de cable
de fibra óptica con un conector ST en el extremo.
2. Se retiraron 10 cm de la protección plástica del cable en ambos trozos, así
como también los hilos de Kevlar, con la ayuda de una pinza de corte y una
tijera.
3. Se retiraron 4 cm del primer y segundo buffer en ambos trozos con las pinzas
especiales para tal fin, quedando así la fibra de vidrio al descubierto.
4. Se introdujo un tubo de vidrio de 4 cm de longitud en uno de los trozos de fibra
óptica. Este tubo de vidrio posee 1,1 mm de diámetro externo y 0,9 mm de
diámetro interno. Al tubo se le realizaron dos perforaciones para permitir la
introducción del aceite.
5. Se volvieron a unir las fibras mediante un empalmador de fibra óptica (RXSX74). Este empalmador realiza la unión de la fibra mediante fusión del vidrio.
6. A un lado del sitio del empalme, se realizó la remoción de una pequeña
porción (1 mm) del recubrimiento de la fibra óptica, mediante la utilización de
ácido fluorhídrico al 50% durante 60 minutos.
7. Se neutralizó el ácido mediante una solución de bicarbonato de sodio
saturado, para evitar que siga actuando sobre la fibra y termine por destruirla.
8. Se colocó el tubo de vidrio por encima de esta porción sin recubrimiento y los
extremos fueron sellados con pegamento tipo epoxy. El tubo se llenó con el
aceite a través de una de las perforaciones y luego las perforaciones fueron
selladas con epoxy.
47
De esta forma se tiene finalmente el sensor, en el centro del cable de fibra óptica,
con un conector tipo ST a cada extremo del mismo. La Figura 17 muestra en detalle
la porción correspondiente al sensor.
tubo de vidrio
epoxy
buffer externo
aceite
protección exterior
recubrimiento de la fibra
núcleo de
la fibra
buffer interno
Figura 17: Esquema del sensor construido.
En el diseño final del sensor se utilizaron trozos de termocontraíble Thermofit a
ambos lados del tubo de vidrio, así como también un tubo de acrílico por encima para
otorgar al sensor una mayor resistencia mecánica. En la Figura 18 se muestra una
fotografía del aspecto final del sensor construido. En el apéndice 2 se muestran otras
fotografías en detalle del sensor.
Figura 18: Fotografía del sensor construido.
48
6.1.2 Circuito analógico de acondicionamiento
Se desarrolló un circuito electrónico que permite interpretar los valores de
temperatura registrada por cada sensor como variaciones en la transmisión de
potencia óptica. Cada sensor dispone de un circuito de acondicionamiento, que
consta de un circuito transmisor óptico y un circuito receptor óptico, lo que en
conjunto constituye un termómetro. El primero de ellos entrega una potencia óptica
constante por uno de los extremos de la fibra, mientras que el segundo detecta la
potencia en el otro extremo y entrega una señal de voltaje proporcional a la
temperatura registrada por el sensor. En la Figura 19 se presenta un diagrama de
bloques del termómetro desarrollado.
amplificador
Fuente
óptica
LED
emisor
fotoreceptor
salida
sensor
Figura 19: Diagrama de bloques del termómetro.
6.1.2.1
Transmisor óptico
El transmisor óptico es el responsable de inyectar una cantidad de potencia
constante a través de uno de los extremos de la fibra óptica que contiene al sensor.
El requisito fundamental para este circuito es el de proveer una señal luminosa con
una potencia estable. De esta manera, las fluctuaciones de potencia registradas en el
otro extremo de la fibra se pueden atribuir a variaciones de temperatura en el sensor.
Este es un problema frecuente en las diferentes aplicaciones que emplean fibras
ópticas, donde sólo interesa detectar las variaciones producidas por el fenómeno
modulante y se busca por lo tanto que las variaciones intrínsecas de la fuente óptica
puedan ser mínimas y como consecuencia despreciables.
49
Los diodos emisores de luz (LED’s), sufren efectos de la temperatura, así como
también de envejecimiento. Por esta razón, aunque la corriente de inyección se
mantenga constante, la potencia óptica emitida por el LED no lo es. Por ello, se
requiere el diseño de una fuente óptica estable, que cuente con circuitos para lograr
una compensación de las variaciones de la potencia óptica. Existen varios métodos
para lograrlo y cada uno exige un nivel de sofisticación acorde con los resultados
deseados [43]. Una técnica de estabilización para los casos en que se requiere una
estabilidad aceptable, asociada con un costo relativamente bajo, es la que se basa
en la retroalimentación óptica de parte de la señal de la fuente [44], [45]. Esta
técnica emplea un fotodetector que toma una parte de la luz emitida por el LED y la
retroalimenta negativamente a la fuente. De esta forma, cuando por alguna razón la
cantidad de potencia emitida por el LED tienda a variar, la retroalimentación negativa
compensará esta variación, causando que la fuente ejerza un efecto contrario sobre
la variable eléctrica (corriente o tensión) que maneja la emisión de potencia del LED.
El diseño del transmisor óptico del presente trabajo se basó en la técnica de
retroalimentación óptica. Como elemento emisor, se empleó un LED de alta
velocidad, el OPF 1414 (Optek). El mismo posee una longitud de emisión pico de 840
nm y potencia de emisión de 63 µW en una fibra óptica de 62.5/150. Viene provisto
de un conector estándar del tipo ST para cable de fibra óptica. En la Figura 20 se
muestra una fotografía del aspecto externo del LED utilizado.
Figura 20: Fotografía del LED OPF1414.
50
Para poder llevar a cabo la retroalimentación óptica toma una parte de la señal del
emisor mediante un fototransistor. El fotodetector utilizado para realizar la
retroalimentación fue el fototransistor IF-D92 (Industrial Fiber Optics). Se realizó la
eliminación de la protección externa a un lado del LED, hasta lograr la exposición de
una parte de la zona emisora de luz. Sobre esta zona se pegó el fototransistor
mediante epoxy transparente, de modo que pudiera captar una pequeña cantidad de
la luz emitida por el LED. En la Figura 21 se muestra un esquema del aspecto final
del montaje realizado.
Fototransistor
Puerto ST para la
fibra óptica
LED
Figura 21: Montaje del conjunto LED-fototransistor para lograr la retroalimentación óptica.
El circuito de compensación utilizado comprende el fotodetector (fototransistor), un
amplificador de voltaje, un circuito comparador, una referencia de voltaje, el LED
emisor y un circuito de polarización para manejar el LED. En la Figura 22 se presenta
un diagrama de bloques del sistema de control.
amplificador
al
sensor
comparador
circuito de
polarización
referencia
LED
Figura 22: Diagrama de bloques del circuito del transmisor óptico.
51
En la Figura 23 se muestra el circuito esquemático del transmisor óptico. El
fototransistor fue polarizado para lograr una corriente en reposo de 10 mA. Para ello,
de acuerdo a las características suministradas por el fabricante en la hoja de datos
del dispositivo, se empleó una resistencia de emisor conectada a tierra de 470 KΩ.
Como resultado, se obtuvo una tensión de salida en reposo de 2,5 V. Cuando el
dispositivo se expone a una fuente de luz, cuya longitud de onda es de 880 nm, la
corriente de colector se incrementa a una tasa de 100 µA/µW. Esto incrementa la
tensión de salida conforme aumenta la luz que incide sobre el dispositivo. De esta
forma se obtiene una tensión proporcional a la cantidad de potencia óptica emitida
por el LED. Esta señal de tensión es amplificada por un circuito no inversor de
ganancia ajustable entre 1,112 y 1,012. Éste se incluyó para poder tener un ajuste
fino en el nivel de la señal que se retroalimenta hacia el LED. La siguiente etapa es
un circuito que cumple la función de comparar la señal detectada por el fototransistor
con una señal de referencia muy estable. Se utilizó un amplificador operacional en
configuración de amplificador diferencial, donde la entrada positiva corresponde a la
señal de referencia y la negativa a la señal proveniente del fototransistor, de modo de
lograr el efecto buscado de retroalimentación negativa. La señal de referencia fue
generada mediante un dispositivo que es una referencia de tensión de muy alta
estabilidad. Se trata del circuito integrado LM399H, de National Semiconductor, que
posee una estabilidad de 0.0001 %/°C , la más alta entre los dispositivos disponibles
comercialmente. La salida del circuito comparador se inyecta, a través de una
resistencia, a la base de un transistor que es el encargado de manejar la corriente
del LED emisor. La resistencia de emisor de este transistor fue calculada para
obtener una corriente de reposo en el LED de 60 mA, de acuerdo a lo que especifica
el fabricante del LED, para obtener una emisión de potencia óptica de 63 µW, sobre
una fibra de 62,5/125 y en condiciones de acoplamiento óptimas. Los amplificadores
operacionales utilizados en el diseño fueron de tecnología JFET por su bajo nivel de
ruido y bajas derivas en las tensiones y corrientes de offset (TL082, National
Semiconductor).
52
VCC
R1
4K7
U1
VCC
3
LM399H(4)
CATHODE OUT
ANODE
1
2
C3
0.1uF
4
D1
VCC
R9
10K
8
VCC
OPF1414
U2B
U2A
R6
1
R8
3
2
5
10K
7
6
10K
Q1
BD237
TL082
TL082
R2
1K5
4
Q2
IFD92
10K
R4
470K
R3
120
R7
100K
-VCC
POT1
R5
100K
R10
12K
Figura 23: Circuito esquemático del transmisor óptico.
6.1.2.2
Receptor óptico
Para poder detectar la variación de la potencia óptica producida por el sensor se
empleó un circuito receptor el cual convierte la potencia óptica en una señal de
voltaje, que es proporcional a la potencia óptica que está recibiendo del emisor a
través del sensor. Como dispositivo optoelectrónico, para convertir la potencia óptica
en una señal eléctrica, se empleó en primera instancia el receptor óptico OPF 2404
(Optek). Este receptor se emplea como par complementario del LED OPF 1414, para
la construcción de sistemas de comunicaciones mediante fibra óptica. Por lo tanto,
este receptor también está provisto de un conector tipo ST para cable de fibra óptica
y su aspecto exterior es idéntico al del emisor presentado en la Figura 20. Sin
embargo, el circuito receptor construido con este dispositivo presentó un grave
inconveniente, que fue una elevada deriva de voltaje de salida con respecto al
tiempo. Luego de consultar este problema con el fabricante, se descartó este
receptor óptico, ya que se nos informó que está diseñado para trabajar acoplado en
53
corriente alterna a frecuencias elevadas, y no en corriente directa como estaba
previsto usarse en el presente trabajo.
Por lo tanto se buscó un dispositivo que pudiese operar en el rango de intensidad y
longitud de onda proporcionadas por el LED emisor. Las posibilidades eran escoger
un fotodiodo o un fototransistor. El primero posee una respuesta dinámica muy
rápida pero su sensibilidad es muy baja respecto a un fototransistor. Dado que en
esta aplicación no es crucial una elevada velocidad, ya que se trabaja con señales de
muy baja frecuencia, se recurrió al uso de un fototransistor, cuya respuesta es más
lenta que un fotodiodo pero cuya sensibilidad es mucho mayor. Específicamente se
escogió el fototransistor PNA 1605F (Panasonic). Es un fototransistor de silicio tipo
NPN, con elevada sensibilidad y especialmente apto para trabajar en el rango de
longitudes de onda del LED emisor. Su sensibilidad máxima la posee a los 900 nm.
En la Figura 24 se muestra la curva de respuesta en función de la longitud de onda,
donde se puede observar que a 840 nm (la longitud de onda del LED utilizado) la
sensibilidad decrece sólo un 5% respecto de la sensibilidad máxima.
Figura 24: Característica de sensibilidad espectral del fototransistor empleado.
54
En la Figura 25 se muestra el circuito esquemático del receptor óptico.
LM7805
OUT
3
VCC
C4
0.1uF
R13
10K
8
IN
GND
U3
2
VCC
1
R17
4K7
U5A
TL082
3
R11
R12 10K
1
2
7
6
470
R16
10
R14 10K
4
Q1
PNA1605
U5B
TL082
5
J4
SALIDA
1
2
C1
-VCC
R15
0.1uF
10K
R16
-VCC
4K7
POT3
100K
Figura 25: Circuito esquemático del receptor óptico.
Con el circuito de polarización empleado y en estado de reposo, es decir cuando no
está recibiendo señal óptica, el fototransistor proporciona una salida de tensión
colector-emisor de 50 mV en promedio. Dado que la hoja de datos suministrada por
el fabricante no proporciona información acerca de la sensibilidad del dispositivo en
función de la potencia óptica, se procedió a medir la misma. Utilizando la fuente
óptica desarrollada, se midió el rango de variación de tensión colector-emisor a la
salida de los sensores para el intervalo de temperatura de trabajo. Este resultó, en
promedio, entre 300 mV y 500 mV. Esto dependió del sensor empleado, ya que no
todos proveen el mismo nivel de atenuación en la señal óptica a causa de pequeñas
diferencias propias del proceso de fabricación. Además, existen diferencias en el
grado de acoplamiento óptico entre la fibra óptica y el fototransistor. Se utilizó por lo
tanto un circuito amplificador para la salida del receptor, con control de nivel de
corrimiento de DC (offset). El circuito, en una primera etapa, proporciona una
ganancia de 10 a la señal proveniente del fototransistor. La segunda etapa posee
ganancia unitaria y corrige el nivel de voltaje de offset, mediante el ajuste del valor de
resistencia de un potenciómetro multivueltas POT3. Esto último para lograr que la
salida del circuito sea de 0V cuando la entrada luminosa sea de 0 µW. Por lo tanto,
con los valores de ganancia del circuito, el circuito del termómetro tiene una
55
sensibilidad (promedio) de 50 mV/°C para el intervalo de temperatura de interés
(desde 20 °C a 40 °C).
La salida de este circuito se envía a la etapa siguiente a través de un cable blindado
para evitar las interferencias electromagnéticas. Este cable tiene una longitud
aproximada de 5 m, por lo que representa un inconveniente en cuanto a la carga
capacitiva que ofrece al amplificador operacional de salida. La capacidad del cable
con respecto a tierra fue medida mediante un puente de impedancias y resultó ser de
250 nF a 100 KHz, lo cual provoca que la salida oscile cuando se conecta a través
del mismo. Se implementó por lo tanto una configuración de circuito recomendada
con el fin de no degradar la respuesta en frecuencia del mismo y evitar que oscile
cuando se conecta una carga capacitiva [46]. En el apéndice 2 se muestra una
fotografía del circuito finalizado. En el apéndice 3 se incluyen los diagramas de la
tarjeta de circuito impreso diseñadas
6.1.3 Sistema de calibración de los termómetros
La respuesta individual de los sensores de temperatura puede verse afectada por
una serie de factores. Entre ellos se pueden encontrar diferencias en el proceso de
fabricación, diferente acoplamiento del emisor y/o receptor con el conector de fibra
óptica, variaciones en las características de los componentes optoelectrónicos, etc.
Estos factores afectan la respuesta de cada sensor, de manera que no se tiene una
curva de respuesta única. Por otra parte, el sensor posee una respuesta que es
intrínsecamente no lineal, que se aproxima a la inversa de una función raíz cuadrada,
tal como se mostró en la sección 6.1.1.1.
Cuando se dispone de un sistema de captura de los datos de los sensores de
temperatura, asociado con un procesador digital, es común utilizar métodos de
linealización basados en algoritmos matemáticos [47]. Dado que en este caso, el
sistema de adquisición de datos está desarrollado en una plataforma digital, esto
brinda la posibilidad de utilizar tablas de calibración para conocer el valor de
temperatura al que está sometido cada sensor.
56
De esta manera, para obtener el valor de temperatura, se registra el valor de voltaje
entregado por el circuito de acondicionamiento y éste se compara con una tabla
previamente obtenida de voltaje vs. temperatura.
La tabla de voltaje vs. temperatura se obtiene para cada uno de los sensores gracias
a un sistema que realiza la curva de calibración en forma automática. Este sistema
de calibración consiste básicamente en un control de temperatura digital basado en
una computadora personal. En la Figura 26 se presenta un diagrama de bloques de
dicho sistema.
resistencia
PC
(control
digital)
AO
tarjeta
A/D
control de
potencia
agitador
AI
circuito de
acondicionamiento
baño
termostático
sensor
Figura 26: Diagrama de bloques del sistema de calibración de los sensores de temperatura. Las
siglas AO y AI representan la salida analógica y la entrada analógica de la tarjeta respectivamente, PC
se refiere a la computadora personal y tarjeta A/D a la tarjeta de conversión analógica a digital.
6.1.3.1
Baño termostático
El baño termostático tiene como función contener agua a temperatura controlada, y
es el recipiente donde se va a sumergir el sensor bajo calibración. Posee una
resistencia calefactora, un sensor de temperatura y un agitador impulsado por un
motor de 6 V de corriente directa. La resistencia calefactora es una resistencia
blindada para inmersión, que tiene una potencia máxima de 40 W a 110 V.
57
6.1.3.2
Circuito de acondicionamiento
El circuito de acondicionamiento consta de un termómetro basado en el circuito
integrado LM35 (National Semiconductor). Este es un sensor integrado que provee
una salida de 0 V a 0° C y una sensibilidad de 10 mV/°C. Tiene una constante de
tiempo de 1 s medida en un líquido agitado [48]. Su salida se conecta un circuito
electrónico de acondicionamiento que sirve para ajustar la calibración del sensor y
tiene una ganancia igual a 10. En la Figura 27 se muestra el circuito esquemático de
este termómetro, sugerido por el fabricante del dispositivo para medidas que se
realizan de manera remota.[48] Como se muestra en el diagrama de bloques, su
salida se conecta al canal de entrada analógica de una tarjeta de adquisición (LabPC
1200 AI, National Instruments).[49] Al igual que en los circuitos de medición de
temperatura en el phantom, entre la salida del circuito y la entrada analógica de la
tarjeta, se conectó un filtro antialiasing y un circuito de protección.
IN
GND
U5
LM7805
OUT
3
C5
0.1uF
2
VCC
1
J6
2
1
SENSOR
R12
680
R13
33K
U2B
LM158
7
5
R15
220
6
R14
J4
AI
1
2
R16
20K
22K
Figura 27: Circuito del termómetro del sistema de calibración.
6.1.3.3
Control de potencia
El control de potencia tiene como función regular el voltaje que se suministra a la
resistencia calefactora en función a la señal de control proveniente de la
58
computadora personal. Esta señal se genera en el programa de control digital y se
envía a través de una salida analógica de la tarjeta de adquisición. Básicamente,
este circuito contiene un oscilador controlado por voltaje (OCV), cuya salida se utiliza
para regular el tiempo de conducción de un triac de potencia. Este triac se halla
conectado a la línea de 110 V para controlar la potencia que se suministra a la
resistencia calefactora.
El circuito del control de potencia se muestra en la Figura 28. Este circuito cuenta
con una primera etapa que tiene como objetivo acondicionar la señal entregada por
la tarjeta de adquisición a los niveles requeridos por el OCV. El circuito del OCV
necesita un voltaje de control entre 9 V y 12 V de corriente directa para trabajar en el
rango lineal. La salida analógica de la tarjeta entrega una señal de control entre 0 V y
5 V, por lo que esta etapa, que es un amplificador operacional en configuración
diferencial, se encarga de adecuar el rango. La salida de este circuito es:
 R2 
Vsal = (Vcc − Vi ) * 

 R1 
donde Vcc es el voltaje de alimentación (12 V) y Vi representa el voltaje de entrada
(salida de la tarjeta conversora). R2 y R1 se escogieron iguales a 10 KΩ por lo que
la ganancia es unitaria. De esta manera, cuando el voltaje de entrada es igual a 0 V,
la salida del circuito es igual a 12 V, y cuando el voltaje de entrada es igual a 3 V la
salida es de 9 V.
La siguiente etapa está constituida por el circuito integrado del OCV. Se trata del
LM566 (National Semiconductor). Éste es un circuito integrado que genera una señal
de salida cuadrada, cuya frecuencia central se puede fijar a través de una resistencia
y un capacitor externos. Luego, esta frecuencia puede aumentarse de acuerdo al
voltaje de corriente directa aplicado al circuito integrado a través de la pata 5, que
debe cumplir la relación ¾Vcc<V5<Vcc. Para un control óptimo sobre la onda
senoidal con frecuencia de línea de 60 Hz, el fabricante del circuito integrado
recomienda el uso del OCV operando a una frecuencia central de 1 kHz. Esto se
59
logra haciendo Vcc = 12 V, R5 = 4,7 KÙ y C3 = 0,1 µF. Cuando V5 = 12 V, el OCV
trabaja a la frecuencia central de 1 kHz. Esta frecuencia aumenta linealmente a
medida que V5 disminuye, llegando hasta 2 kHz cuando V5 = 9 V. Si V5<9 V la
respuesta del dispositivo se hace impredecible, dejando de oscilar cuando el voltaje
es menor a 8 V.
La salida del OCV sólo es capaz de suministrar 2 mA, por lo que se envía a un
transistor de propósito general, el 2N2222A (ST Microelectronics) con el fin de elevar
la capacidad de carga para la siguiente etapa, que requiere un nivel de 10 mA. El
transistor polarizó para una corriente de colector máxima de 20 mA y se hace
trabajar en corte y saturación, obteniendo a la salida una señal cuadrada que sigue a
la señal de entrada. Esta señal se envía a un optotriac, que tiene como finalidad
aislar los pulsos del voltaje de línea que se conectan a la carga. Se escogió el
dispositivo MOC3031 (Motorola), que provee un aislamiento de 7,5 kV (pico). Es muy
importante contar con esta etapa de aislamiento, ya que se está trabajando con
niveles de voltaje elevados capaces de dañar la tarjeta conversora. El optotriac
posee además un circuito detector de cruces por cero, que realiza la sincronía de los
disparos de su salida con la línea de corriente alterna a la que se halla conectado.
Esto elimina los transitorios en la línea y hace que la variación de corriente en el triac
de potencia (di/dt) sea gradual, aumentando la vida útil del dispositivo. Finalmente,
para controlar la potencia sobre el elemento actuador, se utilizó un triac de potencia
(TIC226D), que posee una capacidad de manejo de corriente de 8 A. Los valores de
los componentes del circuito de salida del optotriac se escogieron de acuerdo a lo
recomendado por el fabricante en la hoja de datos.
En el apéndice 3 se muestran los diagramas de la tarjeta de circuito impreso
diseñada.
60
C3 VCC
0.1uF
U3
1
VCC
VCC
J3
R1
R2
2
1
3
4
8
R3
10K
GND
LM566
SQR
VCC
R5
4K7
8
7
6
5
U2A
LM158
1
3
10K
LM566
2
10K
4
AO
R4
10K
VCC
R10
68
J2
U4
MOC3031
R8
560
1
2
TRAF100
R9
Q2
TIC226
560
C4
R7
330
Q1
2N2222A
J5
R11
1K
1
2
1uF
R6
10K
CARGA
Figura 28: Circuito del control de potencia del elemento calefactor. AO indica la entrada analógica de
la tarjeta conversora, TRAF100 la entrada de voltaje de línea y CARGA la conexión a la resistencia
calefactora.
6.1.3.4
Etapa digital
La etapa digital del control consiste en un programa de calibración donde las tablas
de calibración de cada sensor se elaboran de manera automática luego de que el
usuario indica los parámetros de entrada. Este programa fue desarrollado en
lenguaje de programación gráfico LabVIEW (National Instruments).
El algoritmo del programa se presenta en el diagrama de flujo de la Figura 29. Como
variables de entrada, el usuario debe indicar la temperatura final deseada y el
número de puntos que quiere tomar en la curva de calibración. También debe
especificar el sensor que está por calibrar, para que el programa tome las lecturas de
voltaje de entrada del canal correspondiente de la tarjeta de adquisición del sistema
61
de termometría. Una vez especificados estos tres datos, se puede iniciar la ejecución
del mismo. El programa calcula automáticamente las temperaturas intermedias,
dividiendo el intervalo entre la temperatura registrada por el sensor patrón (del baño
termostático) y la máxima temperatura deseada ingresada por el usuario, por el
número de puntos a medir. En cada punto el programa llama a una subrutina de
control de temperatura, pasando como parámetro el valor de la temperatura
deseada. La subrutina indica cuando la temperatura está dentro de un intervalo
estable, regresando una variable lógica con valor verdadero. De esta manera, el
programa de calibración guarda los datos de voltaje y temperatura registrados en el
punto y vuelve a llamar a la subrutina para hallar los valores del siguiente punto. La
subrutina se explica en detalle más adelante en esta misma sección.
La tabla de calibración de sensor se guarda en un archivo de texto. Con el número
de sensor y el nombre de archivo escrito por el usuario, el programa crea un archivo
que se asocia luego de manera única con este sensor. En este archivo, la primera
columna representa la temperatura medida por el sensor patrón y la segunda el
voltaje registrado por el sensor bajo calibración. Este archivo es luego usado por el
programa de termometría para calcular la temperatura a la que está sometido el
sensor.
La pantalla principal del programa se muestra en la Figura 30. El usuario cuenta con
una ventana con controles para ingresar los parámetros requeridos: temperatura
final, número de puntos, número de sensor y nombre del archivo. El usuario cuenta
además con un indicador de progreso, donde puede ver una barra que va avanzando
conforme se van obteniendo los valores del voltaje del sensor a cada temperatura.
Se pueden ver también la temperatura medida (temperatura inicial) y el intervalo
calculado para los puntos intermedios. Al finalizar el ciclo, también se puede ver la
curva de calibración resultante, para verificar de manera aproximada que el proceso
se llevó a cabo correctamente.
62
medir la temperatura
inicial
promediar
inicializar variables
controlar la
temperatura en el
punto solicitado
la
temperatura
es estable ?
Si
No
medir voltaje y
temperatura
guardar los valores en
tabla de calibración
pasar al siguiente
punto a controlar
número de
puntos es el
máximo ?
Si
No
Figura 29: Diagrama de flujo del programa de calibración de los sensores.
63
guardar
tabla en
archivo
salir
Figura 30: Pantalla principal del programa de calibración de los sensores.
La subrutina de control es un programa que calcula los valores a enviar al circuito de
potencia del actuador (resistencia calefactora), en función de los parámetros
especificados por el usuario y la temperatura registrada por el sensor. En la Figura
31 se presenta el diagrama de flujo de este programa. El diagrama completo del
programa realizado en LabVIEW se incluye en el apéndice 1.
Se utilizó un algoritmo de control proporcional, donde la salida que comanda el
circuito de potencia es una señal de voltaje proporcional al error. Este error se
calcula como la diferencia entre el valor de temperatura deseado y el valor de
temperatura medido por el sensor. La función de transferencia de este control es:
G=
m(t )
=k
e(t )
donde e(t) representa la señal de error, m(t) la señal de control y k la sensibilidad
proporcional o ganancia proporcional [50]. Como puede observarse, cuanto más lejos
este la temperatura deseada, mayor será en este caso la potencia suministrada al
calefactor para alcanzar dicha temperatura.
64
inicializar puerto
recoger 500 muestras
promediar
calcular el error
(T°deseada - T°actual)
calcular la salida
escalada
Si
salida = salida escalada
error > 0 ?
No
salida = 5 V
la
temperatura
es estable ?
Si
incrementar contador
No
contador llegó
a 15
segundos?
contador = 0
Si
fin
No
Figura 31: Diagrama de flujo mostrando el algoritmo del programa de control de temperatura.
65
Dado que el actuador usado solamente es capaz de calentar el baño termostático, la
temperatura alcanzada por el mismo se encuentra por encima de la temperatura
preestablecida por el usuario, dentro de un intervalo de +0,25 °C. Como se puede
observar en el diagrama de flujo, si la temperatura del baño permanece por más de
15 s dentro de este intervalo, el programa activa una variable de control lógica.
En la Figura 32 se presenta la pantalla principal de la subrutina de control de
temperatura. Se indica la temperatura medida en una gráfica en función del tiempo
así como también en un indicador digital. También se presenta una gráfica que indica
la magnitud de la señal de control (salida analógica). El valor de consigna es el valor
de temperatura deseada que es enviada como parámetro por el programa principal
de calibración. El valor de la constante proporcional se fijó en 0,4 para obtener una
respuesta óptima, sin excesivo sobreimpulso.
Figura 32: Pantalla principal de la subrutina de control de temperatura del programa de calibración.
66
6.2
ETAPA DE POSICIONAMIENTO AUTOMATIZADO
El sistema de posicionamiento utilizado está basado en un desarrollo previo existente
en el LAREMUS [51]. Este sistema estaba compuesto por una estructura mecánica
de soporte para el aplicador y los sensores de temperatura, un controlador de
posición basado en un microcontrolador (HC11 de Motorola) y una computadora
personal para el envío de comandos por parte del usuario. Este sistema fue
modificado para el desarrollo del presente trabajo, debido a que fue necesario
adaptar algunas partes y optimizar las funciones de otras. Del sistema original se
utilizaron las estructuras mecánicas y los circuitos electrónicos de interfase entre el
microcontrolador y la computadora personal. Se modificaron los circuitos de la fuente
de alimentación del sistema y los circuitos de potencia de los motores. Se diseñó un
nuevo controlador basado en la computadora personal y una tarjeta de adquisición
analógica-digital. De esta forma se eliminó el uso del microcontrolador como sistema
de control.
Las partes que componen la etapa de posicionamiento automatizado son:
1. Estructura mecánica, para el posicionamiento del aplicador y los sensores.
2. Circuitos electrónicos analógicos, compuestos por los circuitos de potencia,
los circuitos de acondicionamiento para los puertos y la fuente de alimentación
de corriente directa.
3. Controlador digital, compuesto por la computadora personal, la tarjeta de
adquisición y el programa de control.
A continuación se detalla el desarrollo de cada una de estas partes.
67
6.2.1 Estructura mecánica
Esta estructura tiene como función principal servir como medio de soporte mecánico
al aplicador y a los sensores de temperatura, para que los mismos puedan ser
llevados a la posición deseada dentro de los límites establecidos.
Se cuenta con dos diferentes sistemas mecánicos de posicionamiento. El primero de
ellos con desplazamiento en dos dimensiones, para posicionar el aplicador en un
plano x-y, perpendicular a la dirección de incidencia de la radiación sobre el
phantom. El segundo, encargado del movimiento de los sensores de temperatura en
un plano paralelo al plano x-y, con el fin de efectuar un barrido en el phantom.
La estructura destinada al desplazamiento del aplicador cuenta con tres motores, uno
que permite realizar el desplazamiento en el eje Y y los otros dos que permiten
realizar el desplazamiento en el eje X, esto último con el fin de reforzar la capacidad
de carga. La estructura de desplazamiento de los sensores también cuenta con dos
motores que operan de forma simultánea y que sirven para realizar el
desplazamiento en el eje de movimiento.
Los motores que se emplean son motores de CD (Minertia Motor, Yaskawa Electric)
que cuentan con escobillas e imán permanente. Proveen un torque de 0,4 N.m. Esto
representa una capacidad de carga suficiente, ya que se requiere un torque de 0,2
N.m para mover la más pesada de las estructuras (el posicionador de los sensores)
desde su posición de reposo. Para el control de la posición de los motores, cada uno
de ellos está provisto de un codificador óptico de posición, que se caracteriza por
entregar un total de 500 pulsos por revolución. Adicionalmente, cada uno de los ejes
que posee movimiento cuenta con interruptores de límite, que sirven para evitar el
desplazamiento más allá de los límites mecánicos.
El sistema mecánico de posicionamiento para el aplicador está construido sobre una
base cuadrada de acrílico con un área exterior de 65 cm x 65 cm y un grosor de 1
68
cm. Un esquema del sistema mecánico de posicionamiento para el aplicador de
hipertermia se muestra en la Figura 33.
Ejes
de
movimiento
Base de
acrílico
y
x
Soporte del
aplicador
Motores
Figura 33: Esquema del posicionador del aplicador.
El sistema mecánico de posicionamiento de los sensores es similar al empleado para
el posicionamiento del aplicador, excepto que las dimensiones son mayores y sólo
posee un eje de movimiento. En la Figura 34 se muestra la estructura del sistema de
posicionamiento para los sensores de temperatura.
69
A los circuitos
acondicionadores
sensores de temperatura
ejes de
Ny lamid
cinta transportadora
cinta transportadora
motor 1
motor 2
Figura 34: Esquema del posicionador de los sensores de temperatura.
Para poder colocar los sensores en diferentes profundidades (z) del phantom, se
construyó una estructura de acrílico que cuenta con ranuras en posiciones
predeterminadas. Para colocar los sensores en el plano x-y se cuenta con una placa
de acrílico con perforaciones espaciadas 1 cm. En la Figura 35 se muestra una
fotografía de esta estructura de acrílico con los sensores de temperatura montados.
Figura 35: Estructura de acrílico para la colocación de los sensores de temperatura en el phantom.
70
6.2.2 Circuitos electrónicos analógicos
Esta etapa tiene como finalidad el acondicionamiento de las señales que son
enviadas y recibidas por la computadora personal para el control de la posición de
los motores. Se compone de circuitos de acondicionamiento de las señales
provenientes de la computadora (a las que llamaremos señales de salida), circuitos
de acondicionamiento de las señales que son enviadas hacia la computadora (a las
que llamaremos señales de entrada) y una fuente de alimentación de corriente
directa.
Para la etapa de acondicionamiento de señales de salida, se empleó en primer lugar
un buffer de salida. Se escogió el circuito integrado 74HC245 por su facilidad para
implementarse como circuito de acople y protección. En la Figura 36 se muestra el
circuito empleado como etapa de acoplamiento entre las salidas de la tarjeta de
adquisición y la etapa de potencia.
1
SN74LS08N
A
3
2
SN74LS04N
A
1
1
2
2
5
B
6
3
4
74HC245
19
1
8
7
6
5
4
3
2
1
PUERTO A
2
3
4
5
6
7
8
9
9
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
5
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
18
17
16
15
14
13
12
11
C
8
C
OE
DIR
CONTROL X
4
B
VCC
10
6
13
D
9
11
8
E
11
1
2
D
CONTROL Y
12
1
A
10
3
2
1
2
F
13
12
5
B
6
4
Figura 36: Circuito de acoplamiento de las señales de salida.
71
CONTROL T
Como se puede observar en la Figura 36, las señales procedentes del puerto A, se
conectan con las terminales correspondientes a las entradas del buffer (pines 2-9),
Por medio de la terminal de dirección (DIR), se configura el buffer en dirección A-B al
conectar ésta a un “1” lógico, es decir, las terminales A se consideran como entradas
mientras que las B, se consideran como salidas. Además, se debe conectar la
terminal de habilitación (G) a tierra, para que el dispositivo funcione adecuadamente.
Las salidas reforzadas en corriente por el buffer, se conectan a un circuito lógico de
compuertas AND y NOT, cuya función, es impedir la presencia de salidas en alto en
las terminales de control, es decir, si se tienen dos entradas correspondientes al
control de uno de los motores, el circuito lógico, dará como resultado, que ambas
salidas estén a un “0” lógico. La razón para implementar este circuito lógico, es por
razones de seguridad, para evitar que se pudieran presentar conflictos en el circuito
de potencia si dos salidas del puerto correspondientes a un eje se ponen en “1”
lógico simultáneamente.
Para las señales que se deben introducir a la tarjeta de adquisición, también se debe
contar con un circuito encargado del acondicionamiento de estas señales como
protección del sistema. Este circuito de acondicionamiento, recibe señales
procedentes de dos fuentes diferentes. Por un lado, las señales generadas por los
interruptores de límite, que indican que alguno de los ejes se encuentra en uno de los
extremos; y por otro, las señales precedentes de los codificadores ópticos.
Como puede observarse en la Figura 37, también se empleó el circuito integrado
74HC245, pero se cambió la configuración del circuito por medio de la terminal de
direccionamiento (DIR) al tipo B-A, de manera que se conecta el puerto de entrada B
a las terminales A del buffer. Se emplean 3 resistencias de 470 Ω conectadas a 5 V,
para obtener una entrada en “1” lógico mientras el interruptor está abierto. En el
instante en que el interruptor se cierra, la señal presente en las entradas corresponde
a un “1” lógico. Por otro lado, las entradas denominadas como “Codif.” son pulsos
digitales TTL compatibles, proporcionados por los codificadores ópticos cuando los
motores provocan el desplazamiento de cada uno de los ejes.
72
Los diagramas de circuito impreso para los circuitos de acoplamiento de entrada y
salida se muestran en el apéndice 3.
Una vez que se obtienen en el puerto A los bits correspondientes al giro de los
motores en una dirección u otra, es necesario proveer una señal de salida con la
potencia apropiada para impulsar los motores.
Para este propósito se desarrolló un circuito de potencia (Figura 38), basado en dos
transistores tipo Darlington que operan de forma complementaria. Los transistores
empleados fueron el TIP120 y el TIP125.
VCC
R1
470
INT de LIMITE T
VCC
74HC245
19
1
8
7
6
5
4
3
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
R2
470
OE
DIR
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
INT de LIMITE Y
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
18
17
16
15
14
13
12
11
CODIF. EJE T
VCC
CODIF. EJE Y
CODIF. EJE X
R3
470
PUERTO B
INT de LIMITE X
Figura 37: Circuito de acoplamiento de señales de entrada.
La etapa de potencia se realizó de manera tal que se requieren como entradas dos
bits para cada motor, los cuales provienen del puerto A después de ser reforzadas
por el circuito acondicionador de señal, y brindan tres acciones diferentes al motor, la
combinación de bits “00”, indica que el motor debe estar parado, la combinación “01”
indica el movimiento del motor en un sentido, y la combinación “10” el movimiento en
sentido contrario. A la salida de esta etapa de potencia, se tienen solamente dos
terminales. Dado que los motores empleados son de corriente directa, estas
73
terminales deben proporcionar un voltaje positivo de +12 V para que el motor gire en
un sentido e invertir este voltaje para que el motor gire en sentido contrario, esto se
logra mediante el arreglo con los transistores en configuración Darlington.
Los diodos que aparecen en el circuito se colocaron para proteger los transistores, ya
que cuando la salida de los operacionales polariza a la unión base-emisor en forma
inversa, se supera la tensión máxima admisible para esta juntura en los dispositivos,
que es de 5V. El diagrama de la tarjeta de circuito impreso desarrollada para este
circuito se presenta en el apéndice 3.
VCC
VCC
27K
8
VCC
10K
0.47
TL082
A
3
1
2
TIP120
1N4142
4
1.2K
VDD
2
1
1
2
MOTOR
TL082
B
CONTROL
5
TIP125
7
6
1.2K
1N4142
0.47
VDD
Figura 38: Circuito de potencia.
Dada la naturaleza del medio y la cantidad de señales de ruido presentes, la
alimentación de los sistemas fue un punto que requirió de especial atención. Por ello
se recurrió al diseño de una fuente de corriente directa que pudiera operar de
manera autónoma. Se emplearon baterías recargables con una capacidad de 10 A/h
y un voltaje de 6 V, para las señales digitales y los sistemas de acondicionamiento
así como para los codificadores de posición. Además, se requiere de una batería de
74
7 A/h y un voltaje de ± 12 V, también recargables, para los motores y sus respectivas
etapas de potencia.
Todos los componentes empleados en el sistema de posicionamiento en el interior
del laboratorio automatizado, se determinaron de manera que puedan funcionar con
un voltaje de alimentación único de 5 V y con un mínimo consumo de energía,
excepto los relacionados con la potencia del motor, que requieren una alimentación
de ± 12 V de manera que las baterías empleadas, satisfacen perfectamente los
requerimientos de alimentación eléctrica.
En la Figura 39 se muestra el diagrama eléctrico de la fuente de alimentación.
Salidas
Relevador 1
+ 12 V
Cargador 1
GND
B1
110 VAC
Cargador 2
- 12 V
B2
Cargador 3
+6V
B3
Bobina
Rel. 1
2P
Relevador 2
Interruptores
de Salida
GND
Baterías
Bobina
Rel. 2
4P
Figura 39: Esquema eléctrico de la fuente de alimentación.
Se puede observar en el diagrama de la fuente, que ésta cuenta con cargadores para
cada una de las baterías, que se conectan a la línea de corriente alterna. En paralelo
con los cargadores se hallan conectados dos relevadores. Cuando se desea cargar
las baterías, se acciona el interruptor de línea y los cargadores y los relevadores
quedan energizados. Los interruptores de los relevadores 1 y 2 que se encuentran
normalmente cerrados y están en serie con la salida de las baterías, se abren. Esto
75
evita que incidentalmente se pueda alimentar los circuitos con los cargadores de
baterías, lo cual los dañaría. La fuente cuenta con fusibles de protección tanto en la
entrada de línea como en cada una de las salidas de corriente directa.
Adicionalmente, la fuente posee un voltímetro analógico que permite comprobar el
estado de las baterías. El diagrama de circuito impreso de la fuente se muestra en el
apéndice 3.
6.2.3 Controlador digital
En esta etapa es donde se lleva a cabo la coordinación de todo el sistema para
poder controlar de manera adecuada la posición del aplicador y los sensores de
acuerdo a lo que el usuario determine. Se compone de una computadora personal
IBM compatible (Pentium II, 400 MHz), una tarjeta de adquisición analógica - digital
(PCI 1200 A/I, National Instruments) [52] y un programa de control desarrollado en un
lenguaje de programación gráfica (LabVIEW, National Instruments).
El control de posición del aplicador y de los sensores, se realiza mediante señales
digitales de control provistas por la tarjeta de adquisición. El puerto digital A de la
tarjeta se utiliza para las señales de salida, mientras que el puerto B se utiliza para
las señales de entrada. Como se mencionó previamente, las señales de salida
corresponden a las combinaciones de bits que se envían a los circuitos de potencia
para mover a los motores, mientras que las señales de entrada corresponden a la
información de los codificadores de posición y a los interruptores de límite.
La tabla I muestra la asignación de pines de los puertos digitales A y B de la tarjeta
de adquisición. Para el puerto A, la primera letra se refiere al eje de movimiento (X, Y
o T) y la segunda a la dirección (Izquierda o Derecha). Para el puerto B la primera
letra se refiere a Codificador o Interruptor de límite, y la segunda al eje (X, Y o T)
76
Tabla 2: Asignación de pines para los puertos A y B de la tarjeta de adquisición.
puerto \ pin
5
4
3
2
1
0
A
TI
TD
YI
YD
XI
XD
B
IT
CT
IY
CY
IX
CX
El algoritmo utilizado para el programa de control de posición se muestra en el
diagrama de flujo de la Figura 40. El programa se encarga de enviar la señal de
control al puerto digital correspondiente al motor que se desea mover. Esto lo realiza
hasta que se haya contado el número suficiente de pulsos provenientes del
codificador de posición, lo que corresponderá a un desplazamiento indicado por el
usuario. Cuando el contador alcanza el valor final, se envía un cero al puerto para
detener el motor. El diagrama completo del programa realizado en LabVIEW se
incluye en el apéndice 1.
El programa de control de posición fue realizado mediante el lenguaje de
programación LabVIEW, de National Instruments. Gracias a las ventajas que ofrece
la programación modular con este lenguaje, este programa puede funcionar solo o
como una subrutina de otro programa. En este caso, el programa será utilizado como
subrutina del programa principal de termometría, para llevar a cabo los mapeos de
temperatura y para desplazar el aplicador. Las variables de entrada que recibe este
programa son el desplazamiento deseado, la dirección (izquierda o derecha) y el eje
que se desea mover (X, Y o T). Como salida entrega una variable lógica en estado
verdadero cuando se llegó a la posición deseada. La pantalla principal del programa
del posicionador se muestra en la Figura 41.
77
Inicializar Variables
¿FIN =
verdadero?
Si
Salir
No
Mover motor
Leer Puerto
¿ Hay pulso
del
codificador?
Si
Incrementar Contador
No
¿Contador
es máximo?
No
Si
Enviar un cero al
puerto
Inicializar contador
FIN = verdadero
Figura 40: Diagrama de flujo del programa de control de posición.
78
Figura 41: Pantalla principal del programa de control de posición.
6.3
ETAPA DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DIGITAL
Como se mencionó previamente, las señales analógicas provenientes de los ocho
termómetros se digitalizan mediante una tarjeta conversora anológica-digital y se
utiliza un programa para la visualización de los datos y el control de los elementos
del interior de la cámara. Previo a la digitalización de las señales de los termómetros,
se utilizaron filtros antialiasing y circuitos de protección contra tensiones elevadas. A
continuación se detallan cada una de las partes que componen esta etapa.
6.3.1 Filtros antialiasing y protecciones
Entre cada salida de los termómetros y las entradas analógicas de la tarjeta se
colocaron filtros pasabajo de primer orden, con una frecuencia de corte de 20 Hz. La
función de estos filtros es eliminar el ruido de alta frecuencia presente en la señal de
salida de los termómetros para evitar el efecto de aliasing en la conversión analógica
a digital. Además, se colocó una protección contra sobretensiones, constituida por un
diodo zener, para proteger las entradas de la tarjeta contra posibles fallas en los
79
circuitos. Como se mencionó previamente, la conexión eléctrica entre los
termómetros y los filtros se realizó mediante cable blindado para evitar el
acoplamiento electromagnético de señales de ruido. En la Figura 42 se muestra el
circuito implementado.
Figura 42: Circuito esquemático del filtro antialiasing y protección contra sobretensiones.
En el apéndice 3 se muestra el diagrama de la tarjeta de circuito impreso
desarrollada para los circuitos de filtrado y protección.
6.3.2 Tarjeta de adquisición
Se empleó una tarjeta de adquisición de 12 bits (PCI-1200 A/I, National Instruments).
Se trata de la misma tarjeta cuyos puertos digitales se utilizaron en el controlador de
posición de los motores. Esta tarjeta posee 8 canales de entrada analógicos, que se
configuraron en un rango de ±5 V para lograr máxima resolución [52].
6.3.3 Programa de visualización y control
El programa general de visualización y control del sistema de termometría fue
desarrollado en el lenguaje de programación LabVIEW. Este programa posee una
pantalla principal o panel de control donde el usuario puede acceder a los
parámetros necesarios para llevar a cabo el experimento y visualizar los resultados.
La pantalla principal se muestra en la Figura 43.
80
Las funciones que lleva a cabo el programa son cuatro: control de posición del
aplicador, control de los parámetros de irradiación del aplicador, control de posición
de los sensores de temperatura y captura de datos de temperatura a través de la
tarjeta de adquisición.
Figura 43: Panel de control principal del programa desarrollado para el sistema de termometría.
Cuando se ejecuta el programa, el mismo queda a la espera de comandos por parte
del usuario para llevar a cabo las funciones requeridas. A continuación se describe
una secuencia de operación típica.
Inicialmente, el usuario debe ingresar la posición deseada del aplicador, en cm
medidos desde la posición de origen, que queda establecida por los límites
mecánicos del posicionador. Se deben ingresar los valores de desplazamiento tanto
en el eje X como en el eje Y. La posición en el eje Z corresponde a la distancia
vertical entre el aplicador y la superficie del fantoma. Esta distancia se ajusta de
81
forma manual antes de comenzar los experimentos, por lo que no es posible
modificarla desde la pantalla del programa. Se incluye debido a que es un parámetro
importante que debe ser almacenado para referencia.
A continuación, el usuario debe configurar los parámetros correspondientes al barrido
con los sensores de temperatura. Estos parámetros son la posición inicial y final de
los sensores y el número de puntos a medir. Tanto la posición inicial como la final
deben expresarse en cm y y se miden a partir de la posición de origen. La
profundidad a la que se encuentran los sensores, al igual que la distancia en Z del
aplicador, no se controla desde el programa sino de forma manual y se incluye para
referencia posterior.
Luego de fijar los parámetros para el posicionamiento del aplicador y de los
sensores, se puede comenzar la sesión de experimentación, lo cual queda de
manifiesto cuando se enciende el indicador “Sistema preparado”.
A continuación se debe iniciar la radiación, ya sea con radiofrecuencia o con
ultrasonido. En el caso del panel de control que se muestra en la Figura 43, se
muestran los comandos accesibles para la irradiación mediante microondas, donde
el usuario debe especificar la potencia, la frecuencia y el tiempo total de radiación. Al
activar el interruptor “Radiación”, se mueve el aplicador, en este caso la antena
radiadora, hasta la posición indicada y comienza la irradiación por el tiempo prefijado.
Para llevar a cabo el mapeo sólo hay que activar el interruptor “Iniciar mapeo”, que
lleva a cabo el barrido con los sensores de acuerdo a lo estipulado por el usuario
anteriormente. Al finalizar el barrido, se presentan los resultados mediante un gráfico
de intensidad, donde se tiene una escala de colores asignada para cada valor de
temperatura dentro del intervalo de trabajo.
El panel principal del programa cuenta además con un indicador de tiempo total
transcurrido, útil para determinar de manera aproximada el tiempo restante de carga
de las baterías del sistema de alimentación. Además posee un botón que permite
82
finalizar la ejecución del programa en cualquier momento que el usuario desee
interrumpir la sesión de experimentación.
Todos los parámetros y datos recolectados luego del experimento pueden ser
almacenados en un archivo para luego ser procesados de manera conveniente para
caracterizar al aplicador en cuestión. La función de guardar archivo se accede a
través del menú ARCHIVO, incluida en la barra de menú que se describe a
continuación. Una vez que se ha almacenado en un archivo los parámetros del
experimento, este archivo estará disponible en formato ASCII para que pueda ser
leído con posterioridad o bien para que la información de la temperatura en el
phantom pueda ser analizada con la ayuda de programas como Matlab. Un archivo
de ejemplo se muestra en la Figura 44. En este archivo se almacenan: fecha y hora
del experimento, posición del aplicador, posición inicial, final y profundidad de los
sensores de temperatura, número de puntos medidos en un barrido y los datos de
temperatura registrados.
Figura 44: Formato del archivo de almacenamiento de datos.
En la pantalla principal se puede observar una barra de menú donde las opciones
disponibles son: ARCHIVO, OPCIONES y AYUDA. A continuación, en la Tabla 3, se
mencionan brevemente las aplicaciones de los comandos que se encuentran dentro
de cada opción.
83
Tabla 3: Comandos dentro de las opciones de menú.
COMANDO
ARCHIVO→
NUEVO
ARCHIVO→
GUARDAR
ARCHIVO→
SALIR
OPCIONES→
OPCIONES→
AYUDA→
AYUDA
AYUDA→
ACERCA DE
ACCIÓN
Permite realizar un nuevo experimento.
Permite almacenar todos los parámetros del experimento en
un archivo. Se abre una ventana de diálogo que permite
indicar el nombre del archivo y la ruta donde se guardará.
Cierra el programa.
Modifica los parámetros de la medición de temperatura en el
phantom.
Reservado para poder seleccionar el tipo de aplicador en
evaluación
Ayuda general sobre el programa.
Información general del programa.
En la Figura 45 se presenta el diagrama de flujo de la rutina de mapeo de los
sensores programa principal. En el apéndice 1 se incluye el diagrama del programa
completo realizado en LabVIEW.
84
Fijar parámetros de
adquisición
Configurar tarjeta de
adquisición
hubo
error?
SI
hubo
error?
SI
NO
Enviar el comando de inicio
de adquisición
NO
hubo
error?
Leer datos del dispositivo
NO
SI
desplegar
mensaje de
error
Promediar
salir
Comparar con archivo de
calibración
Enviar salida en °C
FIN
Figura 45: Diagrama de flujo de la rutina de mapeo de los sensores en el programa principal del
sistema de termometría.
El diagrama de flujo de la figura anterior se explica a continuación:
1)
Cuando el usuario indica que desea comenzar con el mapeo, el programa
calcula el recorrido total en función de las variables posición inicial y posición
final.
85
2)
A continuación el programa mueve los sensores de temperatura a la izquierda
hasta topar con el interruptor de límite (posición home). Esto se realiza con el fin
de establecer un punto de referencia para las posiciones inicial y final que
deben recorrer los sensores, ya que el codificador de posición del motor no
brinda información acerca de la posición absoluta.
3)
Luego de un tiempo de espera de 5 s, para evitar agitar excesivamente el
líquido del phantom, el programa procede a mover los sensores hasta la
posición de inicio indicada por el usuario.
4)
Se esperan a continuación 8 s, para lograr que los sensores se estabilicen.
5)
El programa llama a la subrutina de adquisición de los datos de temperatura
(que se explica más adelante) y guarda los datos en memoria.
6)
Se mueve luego el carro de los sensores y se repiten los pasos 4 y hasta
finalizar con el recorrido.
7)
Una vez alcanzada la posición final deseada, los datos son interpolados
mediante una función de suavizado, incluida en el paquete de LabVIEW, para
poder desplegarse en pantalla como un plano de distribución espacial de
temperaturas. En este plano se representa la temperatura medida de acuerdo a
una escala de colores prefijada, donde el color azul indica temperaturas más
frías, el color amarillo temperaturas intermedias, y el color rojo temperaturas
elevadas.
A continuación, en la Figura 46 se muestra el diagrama de flujo de la subrutina de
adquisición de los datos. El diagrama completo del programa en LabVIEW se incluye
en el apéndice 1.
86
inicio
calcular el recorrido
total
mover el carro hasta la
posición de origen
esperar 5 segundos
desplazar el carro
hasta la posición inicial
de mapeo
esperar 8 segundos
rutina de adquisición de
temperatura
se llegó al
final del
recorrido?
Si
interpolar datos
mostrar los datos en la
gráfica
No
mover hasta la posición
siguiente
fin
Figura 46: Diagrama de flujo de la subrutina de adquisición de los datos.
87
El funcionamiento de la subrutina de adquisición de los datos mostrada en la figura
anterior se describe a continuación. El diagrama completo del programa en LabVIEW
se presenta en el apéndice 1.
1)
Al iniciar la subrutina, el programa inicializa las variables que tiene que ver con
el dispositivo de adquisición reconocido por el programa. Estas variables son:
el dispositivo deseado, la frecuencia de muestreo, los límites de entrada
(intervalo de la señal analógica), la cantidad de muestras a recoger por cada
barrido de las entradas y los canales que se consideran como entradas.
2)
A continuación se configura el dispositivo de adquisición con las variables
inicializadas en el punto anterior.
3)
Se envía el comando para iniciar la adquisición.
4)
Cuando el dispositivo indica que se finalizó la adquisición, se leen los datos y
se guardan en la memoria.
5)
Si en los pasos 2, 3 o 4 ocurriera algún error, el programa reinicializa el
dispositivo e indica el mensaje de error mediante una ventana de diálogo. En
este caso, la ejecución del programa se detiene.
6)
Los datos que se guardaron en memoria son promediados por el número de
muestras adquiridas por canal, para eliminar las pequeñas fluctuaciones
debidas al ruido en las señales.
7)
Se llama a una subrutina que compara los valores de la tabla de calibración
con los datos obtenidos por cada canal. Esta subrutina regresa el valor de
temperatura interpolado de la tabla de calibración. La pantalla principal de esta
subrutina se muestra en la Figura 48 y el diagrama correspondiente en
LabVIEW se muestra en el apéndice 1.
88
8)
Obtenida la temperatura por la subrutina de tabla de calibración, se envían los
datos al programa principal para continuar con el barrido de los sensores.
En la Figura 47 se muestra la pantalla principal de la subrutina de adquisición de los
datos.
Figura 47: Pantalla principal de la subrutina de adquisición de los datos, que realiza el barrido de los
canales de entrada donde están conectadas las salidas de los termómetros.
89
Figura 48: Pantalla principal de la subrutina de interpolación de datos en la tabla de calibración.
6.4
ETAPA DE COMANDO A DISTANCIA
Todas las etapas descritas hasta el momento se hallan dentro de la cámara
anecoica, por lo que no es posible acceder a ellas en el transcurso de los
experimentos. Si se hubiesen colocado en el exterior de la cámara, hubiera sido
necesario tender una gran cantidad de cables a través de las paredes, lo cual elimina
el aislamiento óhmico entre ambos lados a la vez que resulta poco práctico. Debido a
esto se utilizó un sistema de comunicación por fibra óptica desarrollado previamente
[53].
El sistema de comunicación se basa en el uso de dos computadoras IBM
compatibles, una de ellas (que fue descrita en los párrafos anteriores) en el interior
de la cámara anecoica y otra en el exterior (Intel Celeron, 433 MHz). La
comunicación entre ambas computadoras se realiza a través de un cable de fibra
90
óptica, la computadora exterior sirve para operar de manera remota a la
computadora interior.
La tarjeta de red por fibra óptica utilizada para comunicar las dos computadoras es
una 3C905B-FX(SC) 100Base-FX (3Com), que posee una velocidad de transmisión
de 100 Mbps. El protocolo que se utiliza para comunicar ambas computadoras es el
TCP/IP. El paquete utilizado para la comunicación es el Remote Administrator v2.0,
el cual permite controlar todos los dispositivos y programas de la computadora
interior desde la computadora exterior. En la Figura 49 se muestra un diagrama del
sistema descrito, existente en el LAREMUS [1].
EXTERIOR DE LA CAN
INTERIOR DE LA CAN
FIBRA ÓPTICA
GENERADOR DE CAMPOS EM
GENERADOR DE US
POSICIONADOR DE LA ANTENA
POSICIONADOR DE LOS SENSORES
DE TEMPERATURA
CÁMARAS DIGITALES
DE VIDEO
SISTEMA DE MEDICIÓN DE LA POTENCIA RADIADA
Y DE LOS PARÁMETROS AMBIENTALES
COMPUTADORA LOCAL
COMPUTADORA REMOTA
Figura 49: Sistema de comando a distancia del LAREMUS.
91
CAPÍTULO 7. PRUEBAS DE VALIDACIÓN Y RESULTADOS
En el presente capítulo se describen los resultados obtenidos en la evaluación de las
prestaciones del sistema construido. Se describen primeramente los resultados
obtenidos en las pruebas de validación realizadas a cada una de las etapas en forma
separada. Por último se presentan los resultados obtenidos en la evaluación del
sistema completo de mapeo.
7.1
ETAPA DE MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Y ACONDICIONAMIENTO
ANALÓGICO DE LAS SEÑALES
7.1.1 Sensores de temperatura
Los sensores de temperatura fueron evaluados en cuanto a sus características
estáticas (curva de calibración y repetibilidad) y dinámicas (constante de tiempo
térmica). También se realizaron pruebas sometiendo al sensor a campos
electromagnéticos, en particular para observar su respuesta al calentamiento
mediante microondas. En la Figura 50 se presenta un diagrama del arreglo
experimental utilizado para caracterizar el sensor de temperatura en todas las
pruebas que se describen a continuación, excepto en la de calentamiento con
microondas.
Se utilizó un multímetro óptico (Hewlett Packard, 8153A) provisto de un módulo de
fuente óptica (Hewlett Packard, 81551MM) y un módulo sensor de potencia óptica
(Hewlett Packard, 81532A). El sensor de fibra óptica se conectó entre la fuente
óptica y el sensor de potencia. Se seleccionó una longitud de onda de operación de
840 nm. Para obtener la temperatura del baño se utilizó un termómetro con sensor
de termopar, calibrado con una exactitud de 0.1 °C (TES-1310).
92
termómetro
multímetro óptico
HP 8153 – LIGHTWAVE MULTIMETER
HP 81532
POWER
SENSOR
HP 81551
LED
SOURCE
sensor
baño termostático
Figura 50: Esquema del arreglo experimental usado para caracterizar el sensor de temperatura.
7.1.1.1
Respuesta estática del sensor
Se tomaron repetidas curvas de calibración, donde se evaluó la potencia óptica
transmitida por el sensor de fibra óptica en función de la temperatura. En la Figura 51
se muestran tres curvas de calibración obtenidas para un sensor de prueba, para un
intervalo de temperatura de 15 °C a 50 °C. Para evaluar la estabilidad del sensor con
el tiempo cada prueba fue realizada en diferentes días, con intervalos de una
semana. En estas curvas se representa la potencia normalizada en función de la
temperatura. La potencia normalizada se calcula dividiendo cada valor de la tabla por
la potencia máxima registrada. Esto se realiza con el fin de poder comparar los
diferentes experimentos, ya que la potencia absoluta depende fuertemente del
acoplamiento óptico entre la fibra y el emisor y/o receptor. Este acoplamiento no
puede repetirse exactamente cada vez que se retira la fibra del conector y se la
vuelve a conectar.
Para evaluar la repetibilidad del sensor se realizó una interpolación polinomial de
orden 5 sobre la totalidad de los datos, utilizando el paquete de procesamiento
Statistica (StatSoft). Como resultado se obtuvo la siguiente ecuación de potencia
normalizada (Pnorm) en función de la temperatura (T):
Pnorm = −0.4613 + 0.1108 * T − 0.0044 * T 2 + 0.0001 * T 3 − 1.2931 * 10 −6 * T 4 + 6.3837 * 10 −9 * T 5
93
El coeficiente de correlación resultó de 0.99, con una desviación estándar de 0.44%.
Luego, se procedió a calcular el error promedio relativo de cada una de las curvas
con respecto al polinomio obtenido, de acuerdo a la ecuación:
Error =
1
n
∑
i
TMi − TEi
TEi
Donde n representa el número de puntos de la curva medida, TM la temperatura
medida en cada punto y TE la temperatura calculada por la ecuación en ese mismo
punto. Como resultado se obtuvieron errores de 0,42%, 0,37% y 0,29% para las
mediciones 1, 2 y 3 respectivamente.
La respuesta del sensor utilizando microondas como medio de calentamiento fue
evaluada con un horno de microondas comercial, que posee una frecuencia de
operación de 2.45 GHz, operando a una potencia de 100 W. El arreglo experimental
fue similar al anterior, pero en lugar de usar un baño termostático para calentar el
agua, se usó el horno de microondas. El sensor se colocó en un recipiente plástico
con agua. Las mediciones de temperatura de referencia se realizaron apagando el
horno y abriendo la puerta del mismo para colocar el termopar. En la Figura 51 se
muestra la curva obtenida, para un intervalo de 20 °C a 50 °C .
Al igual que en el caso anterior, se calculó el error promedio relativo para la curva
obtenida con microondas respecto de la curva obtenida mediante una aproximación
polinomial anterior. Los parámetros de la ecuación fueron los mismos que la
ecuación anterior, para observar si el calentamiento con microondas produce un
comportamiento diferente al que se observa calentando por medio del baño
termostático. El resultado obtenido en este caso fue un error de 0,38%.
94
1.0
Potencia normalizada
0.9
0.8
0.7
0.6
exp1
exp2
exp3
0.5
0.4
10
20
30
40
50
Temperatura (°C)
Figura 51: Curvas de calibración para tres experimentos realizados con el sensor.
1.0
Potencia normalizada
0.9
0.8
0.7
0.6
calentamiento con microondas
aproximación polinomial para el
calentamiento resistivo
0.5
0.4
10
20
30
40
50
Temperatura (°C)
Figura 52: Curva de calibración usando microondas como medio de calentamiento del agua. Como
referencia se incluyó la aproximación polinomial de la curva realizada con calentamiento resistivo.
95
7.1.1.2
Respuesta dinámica del sensor
Para calcular la constante de tiempo de los sensores desarrollados se sometió a un
sensor de prueba a un incremento escalón de la temperatura y se verificó su
respuesta con el multímetro óptico. Se colocó inicialmente el sensor en un baño
termostatizado a 26,0 °C y se esperó a que la potencia óptica se mantenga estable.
Luego se procedió a pasar rápidamente el sensor a otro baño termostatizado, que
estaba a una temperatura homogénea de 53.8 °C. El objetivo es caracterizar
dinámicamente el comportamiento del sensor ante este estímulo de entrada escalón
de temperatura. Se medió la potencia óptica en función del tiempo, la cual se
presenta en la Figura 53.
8.5
Potencia óptica (uW)
8
7.5
7
6.5
6
5.5
0
10
20
30
40
50
60
Tiempo (s)
Figura 53: Respuesta dinámica del sensor ante una entrada que varía bruscamente. Los puntos
representan las mediciones de potencia realizadas, mientras que la curva es una función de
interpolación.
Para obtener el valor de la constante de tiempo (τ) se consideró como aproximación
que el sistema es de primer orden. Por lo tanto posee una respuesta exponencial al
escalón y la función usada para realizar la interpolación fue la siguiente:
96
P = ( Pfinal − Pinicial) * (1 − e
( −T )
τ
) + Pinicial (ìW)
donde P = potencia óptica a la salida del sensor, T = temperatura registrada, Pfinal y
Pinicial corresponden a las potencias registradas, final e inicial respectivamente.
Utilizando como datos una potencia inicial de 5,848 µW, una potencia final de 8,037
µW y los valores de potencia y tiempo registrados, se obtuvo para la constante de
tiempo un valor de τ=1,95 s. Las operaciones se realizaron mediante el paquete de
cálculo Statistica (StatSoft), con el módulo de procesamiento no lineal.
7.1.2 Circuito analógico de acondicionamiento
El circuito analógico de acondicionamiento tiene como finalidad entregar una señal
analógica dependiente de la temperatura del sensor. Esta señal debe ser estable si
el sensor se mantiene a temperatura constante. Además debe proveer una relación
señal ruido aceptable para que las señales puedan ser adquiridas a través de la
tarjeta conversora. Debido a estos factores, se evaluaron la estabilidad de la fuente
óptica y la respuesta de los circuitos en función de la temperatura.
7.1.2.1
Estabilidad de la fuente óptica
Para comprobar el correcto funcionamiento de la fuente óptica, se procedió a realizar
una evaluación de su estabilidad en función del tiempo. Para comparar, se realizó la
misma evaluación a un circuito similar, pero sin la etapa de retroalimentación óptica.
Para medir la potencia óptica se conectó el circuito de la fuente a la entrada del
multímetro HP8153A mediante un cable de fibra óptica. Se utilizó el protocolo
recomendado por Hewlett Packard para la prueba de sus fuentes ópticas [54]. Este
protocolo indica que se debe encender la fuente por un periodo de una hora, y luego
proceder a medir la potencia óptica a la salida de la fuente durante un intervalo de 15
minutos. Se tomaron un total de 50 muestras en 15 minutos, a intervalos regulares.
Los datos se almacenaron mediante la utilidad de memoria que posee el multímetro.
Los resultados para cada caso se presentan en la Tabla 4 y en la Figura 54.
97
Tabla 4: Resultados comparativos de la fuente óptica estabilizada y de la fuente óptica sin estabilizar.
Parámetro \ Fuente
Sin estabilizar
Estabilizada
Potencia máxima (µW)
39,494
18,014
Potencia mínima (µW)
38,126
17,998
Diferencia (µW)
1,369
0,015
Promedio (µW)
39,383
18,007
Desvío estándar (dB)
±0.03
±0,002
Potencia relativa al valor medio (dB)
0.02
0.00
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
-0.10
-0.12
sin estabilizar
estabilizada
-0.14
-0.16
0
2
4
6
8
10
12
14
Tiempo (minutos)
Figura 54: Potencia óptica en función del tiempo para las dos fuentes ópticas evaluadas. En el eje y
se representa la diferencia relativa (en dB) con respecto al valor medio del intervalo.
7.1.2.2
Respuesta de los circuitos en función de la temperatura
Para cada uno de los circuitos, se elaboró una tabla de calibración de tensión de
salida en función de la temperatura. Estas tablas se realizaron mediante el sistema
de calibración descrito en el apartado 6.1.3. La salida del medidor de temperatura del
sistema de calibración fue ajustado con un RTD de platino (RT-10, Omega) previo a
98
la realización de estas pruebas. En las siguientes figuras se presentan los resultados
obtenidos con cada uno de los sensores del sistema de termometría, para
mediciones realizadas en el intervalo de temperatura entre 20 °C y 40 °C.
1.1
1.0
0.9
0.8
Voltaje (V)
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
40
42
Temperatura (°C)
Figura 55: Curva de calibración para el circuito 1.
0.8
0.7
Voltaje (V)
0.6
0.5
0.4
0.3
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
Temperatura (°C)
Figura 56: Curva de calibración para el circuito 2.
99
1.3
1.2
Voltaje (V)
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
40
42
Temperatura (°C)
Figura 57: Curva de calibración para el circuito 3.
2.6
2.4
2.2
2.0
Voltaje (V)
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
Temperatura (°C)
Figura 58: Curva de calibración para el circuito 4.
100
1.8
1.6
1.4
Voltaje (V)
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
40
42
Temperatura (°C)
Figura 59: Curva de calibración para el circuito 5.
0.8
Voltaje (V)
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
Temperatura (°C)
Figura 60: Curva de calibración para el circuito 6.
101
0.8
Voltaje (V)
0.7
0.6
0.5
0.4
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
40
42
Temperatura (°C)
Figura 61: Curva de calibración para el circuito 7.
0.6
Voltaje (V)
0.5
0.4
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
Temperatura (°C)
Figura 62: Curva de calibración para el circuito 8.
102
Una observación que cabe realizar es que en las diferentes curvas, el intervalo de
temperatura entre algunos puntos de medición no es uniforme. Esto se debe a que el
sistema de calibración no toma los puntos a intervalos iguales, ya que guarda los
pares de valores de temperatura-voltaje una vez que la temperatura se mantuvo
estable por más de 15 s. Esta temperatura siempre está por encima del valor
calculado por el programa y es variable, por el hecho de que el control se realiza
calentando el baño. Este efecto es más notable cuando el baño termostático se
encuentra a temperaturas bajas.
7.2
ETAPA DE POSICIONAMIENTO AUTOMATIZADO
La evaluación del sistema de posicionamiento de los sensores se realizó con el fin de
determinar la exactitud con la cual el sistema es capaz de llevar a cabo las
operaciones solicitadas. Para ello, se efectuaron ensayos de repetibilidad y
mediciones de los rangos de desplazamiento mínimo (resolución) y máximo.
7.2.1 Repetibilidad
Para ejecutar esta prueba se realizaron repetidos ciclos de mapeo, iniciados desde la
misma posición de origen. El mapeo consistió en un recorrido total de 20 cm, en
pasos de 1 cm y con paradas de 10 s en cada posición. Se realizaron 5 repeticiones,
en las cuales se midió la posición final así como también las posiciones intermedias
que alcanzaba el soporte con los sensores. Las posiciones fueron medidas con una
regla plástica, con una división mínima de 1 mm. En la Figura 63 se muestra una foto
del arreglo experimental empleado.
En la Tabla 5 se presentan los resultados de las cinco repeticiones realizadas. En la
Figura 64 se grafica la posición obtenida en función de la posición requerida para el
intento 4. Como resultado se obtuvo una exactitud de ±1 mm respecto a las
posiciones intermedias deseadas y un error final acumulado (máximo) de 2 mm.
103
imagen ampliada de la regla
Figura 63: Arreglo experimental para medir la repetibilidad del posicionador de los sensores. Se
muestra a la izquierda una ampliación de la foto, mostrando el detalle de la zona de medición.
7.2.2 Desplazamientos máximo y mínimo.
Otras mediciones que se realizaron sobre el sistema de posicionamiento
corresponden a los rangos máximo y mínimo de desplazamiento logrado.
El rango máximo obtenido es de 33,5 cm, medido con una regla graduada en mm.
Este corresponde al rango máximo que permiten los interruptores de límite del
sistema mecánico.
El rango mínimo o resolución del sistema fue medido con un micrómetro (Mitutoyo),
que posee una resolución de 0,0001 pulgadas. El micrómetro fue soportado sobre
una base de metal, tal como se muestra en la Figura 65. Se colocó el extremo del
micrómetro tocando contra el carro del posicionador y se procedió a mover el
posicionador de tal forma que se detenga al detectar un pulso del codificador de
posición. La prueba se ejecutó varias veces, obteniéndose resultados repetitivos. El
valor medio obtenido fue de 0,1 mm.
104
Tabla 5: Resultados de las pruebas de repetibilidad del posicionador de los sensores de temperatura.
Posición
deseada (cm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Posición
alcanzada 1
(cm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Posición
alcanzada 2
(cm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15.1
16.1
17.1
18.1
19.1
20.1
Posición
alcanzada 3
(cm)
Posición
alcanzada 4
(cm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10.1
11.1
12.1
13.1
14.1
15.1
16.1
17.1
18.2
19.2
20.2
1
2
3.1
4.1
5.1
6.1
7.1
8.1
9.1
10.1
11.1
12.1
13.1
14.1
15.1
16.1
17.2
18.2
19.2
20.2
Posición
alcanzada 5
(cm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Posición alcanzada (cm)
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
Posición deseada (cm)
Figura 64: Repetibilidad del sistema de posicionamiento de los sensores para el cuarto de los cinco
intentos. La recta representa el comportamiento ideal, mientras que los puntos son los valores
registrados.
105
Figura 65: Arreglo experimental para la medición del rango mínimo. Se observa el micrómetro y a la
derecha el carro del posicionador.
7.3
ETAPA DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DIGITAL
7.3.1 Filtros antialiasing y protecciones
Para los circuitos de filtrado y protección se obtuvieron primeramente resultados en
simulación, mediante el programa Electronics Workbench v5.12. Para evaluar el
comportamiento de la etapa de filtrado se simuló el circuito y se obtuvo la respuesta
en frecuencia. Para evaluar la etapa de protección contra sobretensiones, se simuló
el circuito y se evaluó la respuesta temporal a señales de baja amplitud y a señales
de gran amplitud. Las simulaciones se realizaron previo a la implementación del
circuito, con el fin de conocer si el diseño estaba de acuerdo a los cálculos teóricos.
La respuesta en frecuencia del filtro se presenta en la Figura 66 para un rango de
frecuencias de 0.1 Hz a 10 kHz. Se presenta tanto la respuesta en amplitud como la
respuesta en fase.
106
Figura 66: Respuesta en frecuencia simulada del circuito del filtro antialiasing.
La respuesta del circuito a una señal de baja amplitud se simuló conectando a la
entrada un generador de señal sinusoidal de 10 Hz con una amplitud de 5 V,
centrada en 2,5 V. Los resultados se muestran en la Figura 67.
Figura 67: Respuesta en amplitud del filtro para una señal senoidal de 5 V y 10 Hz.
107
La respuesta para una señal senoidal de 10 Hz, que supera el límite de voltaje
permitido a la entrada analógica de la tarjeta conversora se simuló para verificar la
efectividad del circuito de protección. En la simulación se utilizó una señal de 10 Vpp,
centrada en 2,5 V. La respuesta obtenida se muestra en la Figura 68.
Figura 68: Respuesta en amplitud del filtro para una señal de 10 V y 10 Hz.
Por último se midió la efectividad del circuito de protección contra sobretensiones,
registrando la salida del circuito para una entrada de amplitud superior a la permitida
por las entradas analógicas de la tarjeta de adquisición. Para generar la señal de
entrada se utilizó un generador de señales de precisión (Wavetek, model 22). La
salida se midió con un osciloscopio de memoria digital (Hewlett Packard, 54601) y
también se envió a una computadora personal a través de la tarjeta de adquisición
para su almacenamiento y posterior análisis. En la Figura 69 se presenta el resultado
de la medición.
108
5
4
voltaje medido (V)
3
2
1
0
-1
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
tiempo (s)
Figura 69: Señal adquirida por el sistema de captura de datos, donde se puede observar la limitación
de la señal de entrada como protección para la tarjeta de adquisición.
En la figura se observa que la señal se limita tanto en su parte positiva como en su
parte negativa. El circuito recorta los picos positivos en el valor de voltaje zener (5 V),
mientras que recorta los picos negativos en el valor de caída de voltaje de directa del
diodo, que es de 0,75 V. Las mediciones arrojadas por el osciloscopio fueron 5,08 V
para el voltaje máximo y –0,76 V par el voltaje mínimo.
7.3.2 Sistema de adquisición
Utilizando el mismo arreglo experimental usado en la prueba anterior, se enviaron
diferentes tipos de señal al sistema de captura de datos. Se registró la respuesta del
sistema ante: señal de corriente directa, señal senoidal de baja amplitud y señal
cuadrada de alta amplitud. Esto se realizó con el fin de evaluar el nivel de ruido
presente en la señal adquirida, la linealidad del sistema de captura de datos y la
ausencia de voltajes de desbalance.
En el primer caso se inyectó una señal de corriente directa de amplitud igual a 102
mV, medida en el osciloscopio. Se midió el nivel de ruido de esta señal
109
proporcionada por el generador, que resultó ser de 8 mV pp. La señal medida por el
sistema de captura, a una frecuencia de muestreo de 300 Hz, se muestra en la
Figura 70.
0.20
voltaje medido (V)
0.15
0.10
0.05
0.00
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
tiempo (s)
Figura 70: Respuesta del sistema para una señal de corriente directa.
El nivel de ruido, medido en la pantalla de la computadora con la ayuda de cursores
del programa de adquisición, fue de 24 mV pp. El nivel de voltaje de corriente directa
medido en pantalla fue de 0,105 mV.
Para obtener la respuesta a la señal de baja amplitud, se inyectó una señal senoidal
a una frecuencia de 5 Hz y amplitud de 164 mV pp. Este fue el mínimo valor de
amplitud que entrega el generador utilizado. El valor de corrimiento de corriente
directa de la señal fue de 104 mV. El sistema de captura de datos se configuró para
una frecuencia de muestreo de 300 Hz. La señal registrada por el sistema se
muestra en la Figura 71.
110
0.20
voltaje medido (V)
0.15
0.10
0.05
0.00
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
tiempo (s)
Figura 71: Respuesta del sistema para una señal de baja amplitud.
Se midió la señal obtenida en el programa de adquisición, y el valor registrado fue de
160 mV pp. El corrimiento de corriente directa medido fue de 102 mV. Se pudo
observar que la presencia de ruido en la señal distorsionó levemente la forma de la
forma de onda senoidal.
Por último, para evaluar la linealidad y la respuesta a una entrada tipo escalón, se
inyectó una señal cuadrada de 5 Hz. Medida con el osciloscopio, la señal registraba
4,235 V pp de amplitud, un corrimiento de basal de 2,08 V y una frecuencia de 5,025
Hz. También en este caso la señal fue capturada a una frecuencia de 300 Hz, La
señal registrada por el sistema se muestra en la Figura 72.
111
5
voltaje medido (V)
4
3
2
1
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
tiempo (s)
Figura 72: Respuesta del sistema para una señal cuadrada.
La señal medida con el sistema de adquisición fue de 4,23 mV pp. Se puede ver que
la respuesta a la entrada tipo escalón es del tipo subamortiguada, sin sobreimpulsos,
típica de un sistema de primer orden, como lo es el filtro implementado.
7.4
ETAPA DE COMANDO A DISTANCIA
Esta etapa se encontraba en funcionamiento antes de comenzar el presente trabajo,
por lo que solamente se estudiaron sus especificaciones y se procedió a utilizarla
para el comando del sistema de termometría. Los resultados detallados de la
evaluación de esta etapa pueden consultarse en la referencia [1].
7.5
SISTEMA DE TERMOMETRÍA COMPLETO
Una vez evaluadas por separado cada una de las partes que componen el sistema
de termometría, y habiendo verificado un funcionamiento acorde con lo esperado, se
procedieron a realizar pruebas al sistema completo en funcionamiento, las que se
describen en detalle en la siguiente subsección. Estas pruebas se realizaron con el
112
objetivo de validar el comportamiento del sistema de medición en una situación
similar a la que será utilizada de manera real, sometiendo al phantom a un
incremento de temperatura que esté entre los 6 °C y los 8 °C, mediante un patrón de
calentamiento que produzca una distribución espacial diferenciada de la temperatura.
Luego de diversas pruebas, se decidió que lo mejor sería colocar en el phantom una
fuente de calor a temperatura constante y medir el mapa de distribución luego de
transcurrido un intervalo de tiempo determinado. Para generar una fuente de calor
constante y repetible, se utilizó un recipiente metálico de 8 cm de diámetro y 15 cm
de altura. El mismo se llenó con agua y se colocó en su interior una resistencia
calefactora, de 40 W a 110 V. Se encendió la resistencia y se llevó el agua a
temperatura constante (temperatura de ebullición).
El recipiente fue sumergido dentro del phantom hasta 1 cm de profundidad. En la
Figura 73 se muestra un esquema del arreglo experimental. El phantom utilizado es
de acrílico transparente de 1 cm de espesor, y posee 30 cm de largo, 35 cm de
ancho y 20 cm de altura. El volumen aproximado de agua que se colocó fue de 18
litros.
calentador
a 110 VAC
recipiente metálico
nivel de agua
1 cm
phantom
Figura 73: Arreglo experimental para realizar mapeos con el sistema de termometría.
113
Se realizaron mapeos de temperatura a diferentes profundidades, con un sistema de
termometría basado en termopares. Este sistema se calibró con una RTD de platino
(RT-10, Omega) de acuerdo al protocolo establecido en el reporte técnico [55]. Se
repitieron los mismos mapeos con el sistema de termometría basado en fibras
ópticas, para poder evaluar su desempeño. Cada mapeo partió de una temperatura
inicial constante en el phantom, la cual fue registrada mediante un barrido de los
sensores. En la Figura 74 se muestra un mapeo del phantom conteniendo agua a
temperatura ambiente, realizado con los termopares a una profundidad de 3,5 cm. La
temperatura promedio registrada fue de 28.7 °C. La gráfica fue realizada con el
paquete de procesamiento matemático Matlab 6 (MathWorks Inc). Este programa
permite la realización de figuras en 3D, asignando una paleta de colores para
representar la escala en la dimensión Z. En este caso se utilizó la paleta de colores
completa, asignando el mínimo de la escala a 28 °C y el máximo a 38 °C, tal como se
observa en la figura.
Figura 74: Mapeo de temperatura en estado inicial, a 3,5 cm de profundidad con los termopares.
114
Seguidamente se realizaron mapeos de 18 cm de longitud, a profundidades de 1,5;
2,5 y 3,5 cm de la superficie del líquido. Los sensores se encontraban espaciados 2
cm cada uno. Los mapeos a cada profundidad, fueron realizados pasados 10
minutos de encendida la resistencia calefactora. Para el mapeo a 3,5 cm de
profundidad se obtuvieron las temperaturas mostradas en la Figura 75 y en la Figura
76, correspondientes al sistema patrón (termopares) y al sistema de fibras ópticas,
respectivamente. Del mismo modo, para el mapeo a 2,5 los resultados se muestran
en la Figura 77 y en la Figura 78. Finalmente, los mapeos a 1,5 cm de profundidad
se muestran en la Figura 79 y en la Figura 80.
115
Figura 75: Mapeo de temperatura con termopares a una profundidad de 3,5 cm.
Figura 76: Mapeo de temperatura con los sensores de fibra óptica a una profundidad de 3,5 cm.
116
Figura 77: Mapeo de temperatura con termopares a una profundidad de 2,5 cm.
Figura 78: Mapeo de temperatura con los sensores de fibra óptica a una profundidad de 2,5 cm.
117
Figura 79: Mapeo de temperatura con termopares a una profundidad de 1,5 cm.
Figura 80: Mapeo de temperatura con los sensores de fibra óptica a una profundidad de 1,5 cm.
118
7.6
DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
A continuación se analizan y discuten los resultados obtenidos, presentados en la
sección anterior.
7.6.1 Etapa de medición de la temperatura y acondicionamiento analógico de
las señales
A continuación se analizan los resultados obtenidos en la evaluación de cada una de
las partes que conforman esta etapa
7.6.1.1
Sensores de temperatura
Los sensores de temperatura que se tienen como resultado del presente trabajo,
fueron desarrollados luego de una serie de pruebas en las que el prototipo definitivo
es el que se presenta. Como se mencionó anteriormente, inicialmente se trabajó en
base a los resultados reportados en las referencias [26] y [27]. Ambos sensores
propuestos tienen un tamaño inconveniente para su uso en esta aplicación, que
implica una constante de tiempo térmica elevada (de 30 s). Se pueden citar como
otras desventajas que el sensor basado en fibra óptica de vidrio presenta una
inflexión importante en su respuesta, aproximadamente a los 35 °C y el sensor de
fibra de plástico posee una baja sensibilidad y una interferencia considerable por el
movimiento de la fibra. Por esta razón se decidió intentar en desarrollar un prototipo
mejorado.
Por sus cualidades se escogió el sensor de fibra óptica de vidrio, tratando de
disminuir su tamaño y mejorar su respuesta. Se observó que cambiando el tipo de
aceite, por otro con distinto índice de refracción era posible obtener diferentes
respuestas. Se probó inicialmente con aceite de linaza purificado, que posee un
índice de refracción de 1,4797, mayor al del aceite de girasol utilizado en la
referencia [26] (1,4659). Los resultados no fueron satisfactorios ya que se obtuvo un
punto de inflexión en la curva, dentro del intervalo de interés. Luego se probó
119
entonces con aceite de oliva virgen, que posee un índice de refracción de 1,4657,
menor que el aceite de girasol. Los resultados no fueron satisfactorios tampoco, ya
que la curva del sensor mostraba un efecto de “saturación”, por lo que la sensibilidad
obtenida era muy baja. La variación de potencia óptica en función de la temperatura
para estos aceites se muestra en la Figura 81 .Finalmente se decidió probar con
aceite de girasol pero purificado, que tiene características diferentes al utilizado
anteriormente. Se utilizó el aceite de girasol de la empresa Fluka Chemika (Cat. n°
88921) [56], que tiene un índice de refracción de 1,4787, con el que se obtuvieron los
resultados reportados en este trabajo. Los valores del índice de refracción del aceite
de oliva y del aceite de linaza se tomaron de la bibliografía como referencia [57], ya
que no eran proporcionados por el fabricante.
1.0
Potencia normalizada
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
aceite de linaza
aceite de oliva
0.4
20
30
40
50
Temperatura (°C)
Figura 81: Curvas de respuesta para dos aceites evaluados para el sensor de temperatura.
Analizando las características del sensor desarrollado (Figura 51), se puede observar
que el mismo posee una curva de respuesta estable. Los resultados obtenidos en las
mediciones con un mismo sensor, en intervalos de una semana, así lo demuestran,
con un error por repetibilidad menor al 1% en el intervalo de trabajo (20 °C a 40 °C).
120
También se puede observar que la curva obtenida experimentalmente se aproxima
en su forma al modelo teórico calculado, que predice el comportamiento del sensor
(Figura 15). La razón de tener un comportamiento que no es idéntico al del modelo
en cuanto a los valores de las curvas, se debe en principio a que el modelo utilizado
no toma en cuenta (o bien aproxima) algunos de los parámetros del sensor real.
Por otra parte, un resultado importante es el que tiene que ver con la respuesta del
sensor al calentamiento con microondas. Se puede observar que el error por
repetibilidad obtenido en las pruebas (0,38%) se encuentra dentro del intervalo de
confianza obtenido para las pruebas con calentamiento resistivo, donde el mayor
error por repetibilidad fue del 0,42%.
En cuanto a la constante de tiempo térmica del sensor, se obtuvo un valor de 1,95 s.
Este valor se pudo lograr gracias a las dimensiones con las que fue construido el
sensor, ya que el volumen de aceite utilizado influye de manera importante en este
parámetro. A menor volumen de aceite, menor es el tiempo requerido por el sensor
para alcanzar la temperatura final. El tamaño final del elemento sensor fue de 10 mm
de largo y 1,1 mm de diámetro externo, conteniendo un volumen aproximado de 6
mm3 de aceite. En el apéndice 2 se muestran fotografías en detalle del sensor.
7.6.1.2
Circuito analógico de acondicionamiento
Este circuito proporciona una señal de voltaje que es función de la temperatura
registrada por el sensor. Como componente crítico del mismo se encuentra la fuente
óptica, la cual, como se mencionó anteriormente, debe ser muy estable para
proporcionar lecturas confiables de la temperatura.
Como se puede ver en los resultados, la estabilidad conseguida gracias al uso de la
técnica de retroalimentación óptica mejoró el comportamiento de la fuente sin
retroalimentación. Esta fuente sin estabilizar afectaría considerablemente el valor de
salida, ya que su variación es de 0,69 % sobre una señal de 20 µW de potencia
óptica (±0,03 dB), que representa el valor promedio de potencia registrada a la salida
121
de los sensores. En cambio, el nivel de variación registrado en la fuente estabilizada
(±0.002 dB) produce un error de 0,046 %. Este valor se encuentra por debajo de la
variación requerida para incrementar en 0.1 °C la salida, que es del orden del 0,1 %
de acuerdo a los datos obtenidos en la gráfica de respuesta de potencia normalizada
vs. temperatura.
Como se mencionó previamente, el acoplamiento de los sensores con los
componentes optoelectrónicos no es igual para todos los sensores. La corriente de
colector del fototransistor es una función no lineal de la potencia óptica incidente.
Esta última se ve afectada por el ángulo de incidencia y el área de la parte
fotosensible que es expuesta a la luz, tal como se describe en las hojas de
características del dispositivo. Es por esta razón que la respuesta observada en
función de la temperatura del sensor para cada uno de los circuitos no fue la misma.
Esto justifica la necesidad de contar con un sistema de calibración para los circuitos,
para independizar las mediciones de las variaciones entre las características de cada
circuito.
También se puede observar que la respuesta de los circuitos es una función cuya
sensibilidad no varía bruscamente en el intervalo de trabajo. La excepción es el
circuito n°2 donde se presenta un punto de inflexión en la curva.
7.6.2 Etapa de posicionamiento automatizado
Como se mencionó previamente, el posicionador de los sensores de temperatura fue
un desarrollo basado en un trabajo anterior [51]. En este trabajo se buscó mejorar
algunas de las características que el diseño anterior, reemplazando y/o desarrollando
nuevas partes. El posicionador existente poseía un hardware de manejo basado en
un microcontrolador, con una interfase de programación basada en sistema operativo
MS-DOS. Esto hacía que el sistema carezca de cierta flexibilidad a la hora de realizar
modificaciones al programa original, por lo que se decidió implementar el sistema de
control digital que se describió en este trabajo, el cual posee una interfase de
programación grafica basada en MS Windows y desarrollada en LabVIEW. Los
122
circuitos de la fuente de corriente directa y de potencia de los motores, fueron las
otras partes del diseño original que tuvieron que modificarse para mejorar su
desempeño.
La repetibilidad en las posiciones alcanzadas por el posicionador le otorga al sistema
una exactitud de +2 mm, donde la máxima desviación se produce por acumulación
de errores hacia la parte final del recorrido evaluado. Este valor es similar al
posicionador de uso clínico reportado por Tarczy Hornoch y col. [31], que es de 1
mm. Para los mapeos en un material sustituto de tejido biológico como el phantom,
este error puede despreciarse ya que el líquido contenido es homogéneo y por lo
tanto los gradientes de temperatura no varían de manera considerable en una
distancia de 2 mm.
La resolución obtenida (0,1 mm) es comparable a la reportada por Engler y col. [30]
cuyo posicionador para uso clínico tiene un desplazamiento mínimo de 0,05 mm. Por
la misma razón expresada en el párrafo anterior, la resolución de obtenida por el
sistema de posicionamiento excede los requisitos para los desplazamientos que se
requieren en los mapeos de temperatura.
Como se describió en la parte de desarrollo, la operación del control del posicionador
se realiza a través de los puertos digitales de la misma tarjeta usada para la
adquisición de datos. De esta manera se pueden aprovechar las ventajas de la
programación modular ofrecida por el programa LabVIEW, para el control de
instrumentación y adquisición de datos. Esta operación no causó ningún conflicto en
el dispositivo, ni se observaron demoras en la ejecución simultánea de las
operaciones de control de posición y adquisición de datos. Esto se verificó durante
las operaciones de mapeo de temperatura realizadas con el sistema.
7.6.3 Etapa de adquisición y procesamiento digital
En la evaluación de esta etapa se pudieron analizar las mediciones que entrega el
sistema de captura, conformado por los circuitos de filtro y protección más la tarjeta
123
de adquisición y el programa. Las mediciones entregadas por el sistema de captura
de los datos se compararon con las mediciones tomadas por el osciloscopio
conectado a la entrada de señal.
El filtro antialiasing provee un rechazo mayor a 40 dB a las señales cuya frecuencia
sea mayor que 10 kHz. De este modo se atenúa el ruido de alta frecuencia que
pudiera llegar a acoplarse en las líneas de señal que se conectan a las entradas del
sistema de adquisición. Es importante contar con este sistema de filtrado, ya que la
electrónica de preamplificación estará funcionando en un ambiente de emisión de
campos electromagnéticos.
El sistema de protecciones demostró su efectividad, limitando el voltaje a la entrada
de la tarjeta conversora por debajo de los valores máximos permitidos. Para el caso
de la tarjeta empleada, el intervalo máximo va desde –5 V hasta +10 V [52]. Los
resultados de la simulación se verificaron luego en la señal registrada por el sistema
de captura. Esto asegura un funcionamiento adecuado y previene la presencia de
sobrevoltajes accidentales en las entradas analógicas, los cuales pueden dañarlas
seriamente.
El análisis de ruido y corrimiento de voltaje basal, se pudieron analizar mediante la
medición sobre una señal de corriente directa de amplitud y nivel de ruido conocidos.
Tal como se pudo observar en los resultados, el nivel de ruido en la señal mostrada
por el sistema de captura (24 mV pp) fue superior al nivel medido a la entrada (8 mV
pp). Luego de analizar cuidadosamente el recorrido de la señal, se pudo determinar
que este nivel de ruido era introducido por la fuente de alimentación de la
computadora en la línea de tierra. Esto se verificó midiendo con el osciloscopio la
línea de tierra de la computadora personal, la cual estaba efectivamente conectada a
un punto común con las demás tierras de los instrumentos para evitar los lazos de
tierra. Se pudo verificar que al apagar la computadora el ruido cesaba en dicha línea.
Una primera solución que se encontró a este problema es el filtrado digital de los
datos adquiridos, realizando un sobremuestreo y posterior promediación, tal como se
comentó en cada una de las rutinas que realizan adquisición de señales a través del
124
sistema. Esto es posible de realizar en esta aplicación en particular, ya que la señal
que se está registrando es prácticamente un nivel de corriente directa. Por esta
razón, como frecuencia de adquisición se fijó en todos los casos un valor de 300 Hz.
En el caso de la señal presentada en la Figura 70, el promedio de las 300 muestras
da un valor de 0,102 mV, en comparación con la medida de 0,104 mV registrada con
el osciloscopio a la entrada. La otra medición que implicó comparar un nivel de
corriente directa fue la de señal de baja amplitud. En este caso la señal medida a la
entrada fue de 104 mV, mientras que a la salida, la media calculada fue de 105 mV.
Como se puede ver, existe un corrimiento de corriente directa en la señal que en el
peor de los casos llega al 2%. Esto afecta el valor de temperatura medido, aunque no
de manera significativa. Por ejemplo, en el caso del sensor n°1 que tiene una
sensibilidad promedio de 50 mV/°C, este corrimiento de 3 mV representa un error en
la estimación de la temperatura del orden de 0,06 °C.
7.6.4 Etapa de comando a distancia
Como se mencionó previamente, esta etapa sólo fue puesta en funcionamiento e
incorporada al sistema de termometría, habiéndose analizado los resultados en
trabajos anteriores. Sólo se puede remarcar que el sistema pudo ser comandado sin
inconvenientes desde la computadora personal externa a la cámara anecoica, sin
registrarse errores durante su funcionamiento.
7.6.5 Sistema de termometría completo
Los resultados del sistema de termometría trabajando en forma completa, pudieron
obtenerse mediante las pruebas de medición de calentamiento del phantom. Estas
pruebas mostraron que el sistema presenta un comportamiento similar al obtenido
con un sistema de termopares de referencia.
Tomando como referencia las gráficas obtenidas a partir de los mapeos con los
termopares, se puede observar a primera vista que la temperatura registrada es
función de la profundidad, a mayor profundidad la temperatura es menor. Para la
125
gráfica tomada a 3,5 cm de profundidad, existe un incremento de la temperatura
pequeño, que es de 0,31 °C en promedio. La gráfica presenta una coloración azul
oscuro prácticamente homogénea, con algunas diferencias que llegan a 1°C en el
extremo final del recorrido (distancia x).
Para el mapeo a 2,5 cm de profundidad, la temperatura muestra cambios
significativos en la superficie medida. En la parte central, la cual se encuentra bajo el
área del recipiente caliente, la temperatura es menor que en los límites del phantom.
Esto se puede deberse a una corriente de convección del líquido, que se mueve
desde abajo hacia arriba por diferencia de densidad. La gráfica refleja este fenómeno
dando un color diferente para el área debajo del recipiente. El incremento de
temperatura registrado en la parte central fue de 3 °C en promedio, mientras que en
los lados fue cercano a los 4 °C. La temperatura en los límites del área medida
tienden a ser un poco menores, debido a la distancia respecto del recipiente caliente.
Para los mapeos realizados a 1,5 cm de profundidad, la temperatura registrada
nuevamente se vuelve homogénea. En promedio, el incremento de temperatura
registrado es de 6,5 °C, siendo de 7 °C en el área central. También se pueden notar
estas diferencias de acuerdo al color de la superficie de la gráfica.
Las mediciones realizadas con el sistema de termometría de fibras ópticas, mostró
un comportamiento que cualitativamente es similar al sistema de medición de
referencia. En general se puede observar que las gráficas presentan una morfología
y una distribución de las tonalidades comparables. Una característica que poseen las
mediciones realizadas con los sensores de fibra óptica, es que las gráficas obtenidas
son más “suaves”. Esto podría deberse en principio a que los sensores no poseen
una geometría igual a la de los termopares Los termopares van enfrentando
directamente el volumen de líquido donde miden la temperatura, mientras que los
sensores de fibra óptica llegan de lado a la zona de medición. Esto puede provocar
que zona de medición se agite levemente antes de realizarse la medida, por lo que el
resultado es una medición promediada de esta zona. En la Figura 82 se brinda un
esquema de esta situación recién comentada.
126
Zona a medir
termopar
soporte del sensor
Zona a medir
sensor de fibra
óptica
Dirección de movimiento
Figura 82: Esquema de la situación mecánica del sensor al realizar los mapeos.
7.7
OTROS RESULTADOS DEL TRABAJO DE TESIS
Como otros resultados del presente trabajo de tesis se pueden citar seis
publicaciones en congresos de la especialidad, tres de ellas fueron a nivel nacional y
las restantes a nivel internacional. Las referencias se detallan a continuación:
Ø PENNISI, CPA; LEIJA, L; FONSECA, W; VERA, A. “Fiber Optic Temperature
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Ø CHONG, JE; PENNISI, CPA; LEIJA, L; FONSECA, WH. “Sistema de
termometría basado en fibras ópticas para un laboratorio de hyperthermia”.
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Ø PENNISI, CPA; CHONG, JE; LEIJA, L. Sistema de termometría basado en
termopares para un laboratorio de hipertermia”, Resúmenes de la 7ª
Conferencia de Ingeniería Eléctrica, CINVESTAV-IPN. Sep 2001, México DF,
MEXICO.
Además de ello, se cuenta con un reporte técnico relacionado al sistema de
termometría, que consiste en un sistema basado en termopares. Se trata del sistema
que se utilizó en las pruebas del sistema completo, en la sección 7.5.
128
CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES
A continuación, se presentan las conclusiones acerca del cumplimiento de los
objetivos planteados al comienzo de la tesis, así como también las perspectivas de
trabajo futuro.
El objetivo general de este trabajo, que fue desarrollar un sistema de termometría
basado en fibras ópticas para el LAREMUS, fue cumplido de forma satisfactoria. A
continuación se detallan las conclusiones que se relacionan con el cumplimiento de
los objetivos específicos planteados al comienzo de la tesis.
Sensor de temperatura
Se cuenta con un sensor de temperatura desarrollado en base a fibras ópticas de
vidrio. Se trata de un sensor de campo evanescente, por lo que su funcionamiento se
basa en la modificación de las propiedades de una parte del recubrimiento de una
fibra óptica. El sensor proporciona una modificación en la potencia óptica transmitida
en función de la temperatura. En particular, el recubrimiento óptico de una parte de la
fibra se reemplazó por un aceite vegetal que varía su índice de refracción con la
temperatura.
Se encontró un aceite que brinda al sensor un comportamiento estable. La curvas de
sensibilidad, obtenidas en un intervalo de 15 °C a 50 °C, no presentan cambios
bruscos de pendiente en su curva de respuesta. Esto hace que el sensor resulte apto
para realizar mediciones en el intervalo de interés, de 20 °C a 40 °C. Las curvas
obtenidas muestran un error por repetibilidad menor al 1%, lo cual indica que el
sensor es estable, al menos en el periodo de tiempo en el que fue evaluado. Los
resultados obtenidos con microondas como medio de calentamiento resultan
satisfactorios, ya que se logró un error por repetibilidad comparable al obtenido en
las curvas con calentamiento resistivo. Por este motivo se puede concluir que el
sensor desarrollado cumple con el requisito de no resultar afectado de manera
129
considerable por las radiaciones electromagnéticas. En cuanto al requisito de
pasividad a este tipo radiaciones, no se pudieron realizar pruebas que muestren la
distribución del campo de radiación electromagnética en el phantom en presencia y
en ausencia de los sensores. Esto se debe a que no se pudo contar con
instrumentos de medición necesarios para realizar la prueba. No obstante, se puede
decir que el hecho de que el sensor no contenga componentes metálicos en su
composición hace suponer que la influencia será mínima, sobre todo si se compara
con un sensor convencional.
En cuanto al requisito pretendido de inmunidad y pasividad a las radiaciones
ultrasónicas, no se pudieron realizar pruebas de evaluación. Esto se debe a que no
se pudo disponer de un equipo de radiación ultrasónica de potencia, tal como el que
se utiliza en los tratamientos de hipertermia.
El sensor de temperatura utilizado como patrón para la calibración tiene una
exactitud de ±0,2 °C a 25 °C [48]. Esto sirve de referencia para estimar el orden de
exactitud lograda por el sistema al momento de la calibración. No se puede concluir
con precisión acerca de la exactitud lograda por el sensor, pero se puede estimar
que, debido a los errores analizados en las etapas que involucran la captura de la
señal, su valor estará cercano al idealmente pretendido.
En cuanto a la constante de tiempo térmica alcanzada con el sensor, se puede
concluir que se cumplió de manera satisfactoria el requisito de alcanzar un valor
inferior a los 4 s. Esto hace que el sensor sea particularmente apto para realizar las
mediciones en el área de interés en un tiempo corto.
Como desventaja de este sensor se puede citar el problema asociado con las
características físicas de la sonda, que en principio estarían dando estimaciones
diferentes de la temperatura respecto a un sensor convencional. No obstante, el
hecho de que el sensor sea inmune a las radiaciones electromagnéticas supera esta
desventaja en comparación con un sensor convencional.
130
Circuito analógico de acondicionamiento
También fue alcanzado el objetivo de contar con circuitos para acondicionar las
señales de los sensores de manera confiable. Los resultados obtenidos en la
evaluación de la fuente óptica muestran un desempeño aceptable, sin que las
variaciones que se registran afecten de manera significativa las mediciones de la
temperatura.
Sistema de posicionamiento
Se logró contar con un sistema de posicionamiento para efectuar los barridos de
temperatura dentro del phantom
de una manera repetible y automatizada. Los
resultados obtenidos son comparables con los reportados por otros grupos de
investigación, incluso referidos a posicionadores usados en el área clínica donde los
requisitos son más rigurosos.
El control digital desarrollado hace que el sistema de posicionamiento sea modular,
pudiendo operar de forma autónoma. La programación utilizada brinda una interfase
amigable para el usuario, de manejo intuitivo.
Sistema de adquisición y procesamiento
Se logró el objetivo de contar con un sistema de adquisición y procesamiento digital
de las señales entregadas por los circuitos analógicos de acondicionamiento.
Los circuitos que realizan la captura de los datos no introducen errores significativos
en la señal (como ser corrimiento del nivel basal o no linealidad) y pueden ser
considerados como despreciables. El ruido observado debido al problema de la
computadora personal, pudo ser subsanado en parte realizando la promediación de
la señal de entrada, aunque habría que resolverlo de forma más efectiva.
131
El programa de adquisición y visualización de los datos fue desarrollado de manera
modular, y se cuenta con una interfase visual de usuario que resulta de operación
amigable. Las operaciones repetitivas se han disminuido para requerir el mínimo de
intervención por parte del usuario en la operación del sistema.
Los archivos obtenidos luego de los mapeos de temperatura, pueden ser manejados
por cualquier paquete de procesamiento matemático, para realización de los cálculos
que requiere la caracterización de los aplicadores de hipertermia.
Operación remota del sistema
Se logró operar sin ningún inconveniente el sistema desde la computadora remota
ubicada en el exterior de la cámara, por lo que este objetivo fue cumplido de manera
satisfactoria.
Integrar las partes de manera de contar con un sistema de termometría
Finalmente, se puede concluir que el sistema desarrollado satisface los requisitos
necesarios para el LAREMUS. La información termométrica obtenida en los planos
mapeados de manera experimental, muestran que es posible utilizar el sistema para
caracterizar distribuciones tridimensionales de temperaturas. Estas distribuciones
pueden ser generadas a partir de elementos que calienten de phantom, como son los
aplicadores de hipertermia.
132
Perspectivas
Como perspectivas de trabajo futuro, se pueden proponer las siguientes actividades:
Ø Mejorar las características físicas del sensor, tratando de obtener una forma
de geometría axial, incluso de menor tamaño. Habría que analizar otras
propuestas de sensores basados en este principio, tal como los sensores de
fibra hueca, que en lugar de reemplazar el recubrimiento de la fibra por una
sustancia sensible a la temperatura, reemplazan el material del núcleo.
También es posible que el uso de fibras ópticas que no sean las mismas
usadas en comunicaciones, pueda disminuir el tamaño de la construcción al
no tener un recubrimiento tan grueso. Existen variedades de fibra de vidrio con
calibre externo mucho más pequeño que podrían resultar apropiadas.
Ø Realizar pruebas de calibración a los sensores de temperatura y a los
termómetros completos con patrones trazables a referencias metrológicas. De
esta manera se tendría una caracterización más completa de los mismos.
Ø Optimizar el tamaño de la estructura de soporte desarrollada, perteneciente al
sistema de sujeción de los sensores de temperatura en el interior del phantom.
Esto debido a que todavía es mucho el volumen que posee y por lo tanto el
volumen de líquido que desplaza al ser sumergido, provocando errores en la
medición por agitación excesiva al moverse dentro del phantom.
Ø Realizar pruebas con el sensor sometido a campos ultrasónicos, para
observar tanto el comportamiento del campo como el efecto sobre las lecturas
de temperatura.
Ø Continuar con el desarrollo del programa de adquisición de los datos, para
completar la funcionalidad de partes del mismo y para agregar nuevas
funciones que vayan surgiendo de acuerdo a las necesidades de operación
del LAREMUS.
133
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