PROYECTO FINAL.

“REALIZACIÓN DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN DEPOTENCIA, PARA ELECTROCIRUGÍA”.

Asesor: Donaciano Jiménez Vázquez.

Alumnos:Armando Ayala Ayala.

Eric Alonso Montaño Matadamas.

Índice.

1. Objetivo_________________________________________________________ 3

2. Introducción _____________________________________________________ 3

3. Antecedentes____________________________________________________ 4

4. Desarrollo_______________________________________________________ 7

4.1 Convertidor AC a DC __________________________________________ 8

4.2 Convertidor A/D ______________________________________________ 8

4.3 Funcionamiento del dispositivo ICL7107 ___________________________ 8

5. Diseño final. ____________________________________________________ 13

5.1 Prueba de voltaje ____________________________________________ 13

5.2 Prueba de corriente __________________________________________ 15

5. Etapa de Potencia ______________________________________________ 16

6. Conclusiones __________________________________________________ 20

7. Bibliografía ____________________________________________________ 21

OBJETIVO.

Realizar un sistema para la medición de potencia en equipos de electrocirugía, que nos permita obtener también los valores de voltaje y corriente de manera independiente.

INTRODUCCION.

La potencia eléctrica es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia serian los litros por segundo que vierte el deposito que la contiene. La potencia se mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”. Un J/seg equivale a 1 watt (W), por lo tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica. La unidad de potencia de la energía eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra “W”.

La forma más simple de calcular la potencia de una carga activa o resistiva conectada a un circuito eléctrico es multiplicado por el valor de la tensión en volt (V) aplicado por el valor de la corriente (I) que se recorre, expresada en ampere. Para ese cálculo matemático se utiliza la siguiente formula:

P = V · I.

El resultado de esa operación matematica para un circuito eléctrico monofasico de corriente directa o de corriente alterna estará dado en watt (W). Por lo tanto si sustituimos la “p” que identifica la potencia por su equivalente, es decir, la “W” de watt, tenemos también que P = W la unidad de medición como el watt tiene múltiplos y submúltiplos los cuales son:múltiplos Kilowatt (kW) = 10 з = 1000 watt Kilowatt-hora (kW-h) trabajo realizado por mil watt de potencia en una hora. Un kW-h es igual a 1000 watt x 3600 segundos, o sea, 3600000 joule.

ANTECEDENTES.

Descripción funcional de un equipo de electrocirugía.

La electrocirugía es una técnica muy utilizada para procedimientos en los cuales los procedimientos de corte mecánicos son difíciles de aplicar, como por ejemplo cortes de la próstata a través de la uretra, entre otros. Esta técnica emplea corrientes en radio frecuencia (RF) entre 0.5 y 3 MHz aplicadas a través de electrodos de área pequeña para producir coagulación y corte de tejidos vivos. Entre algunas de las ventajas del uso de las técnicas de electrocirugía se cuentan el ahorro en tiempo, ausencia de sangrado, asegura una buena asepsia y elimina la posibilidad de transferir una infección desde un tejido enfermo a un tejido normal. La curación de una herida producida con una electrodisección toma casi el mismo tiempo que un corte con escalpelo.

El instrumento para electrocirugía es un generador de corriente en radiofrecuencia controlada, que es aplicada en un electrodo de punto, de hoja o de lazo para producir fulguración (tratamiento o extirpación por medio de chispas eléctricas), coagulación y corte. La trayectoria de retorno para la corriente es a través de un electrodo de referencia (tierra) de dispersión de gran área. La función del electrodo de dispersión es proporcionar una corriente con una despreciable alza en la temperatura de la piel. Las diferentes respuestas del tejido dependen del modo de aplicación del electrodo activo y del tipo de corriente aplicada. Todos los equipos de electrocirugía de alta frecuencia generan una onda oscilatoria conocida como onda seno. Existen dos tipos de ondas, las ondas seno amortiguadas y las ondas seno pura.

Una onda seno amortiguada es una forma de onda que ocurre como un grupo de oscilaciones, la primer oscilación del grupo presenta la maxima amplitud seguida de un tren de pequeñas ondas.

Figura 1. Onda seno amortiguada.

Este tipo de onda tiene un amplio efecto en el tejido vivo que resulta en una excesiva generacion de calor y coagulación. Cuando la onda es más amortiguada, el efecto de coagulación y destrucción del tejido aumenta. Por lo que a mayor amortiguamiento en la onda, mayor hemostasis (Detención de hemorragia).

Una onda seno no amortiguada es una onda pura, balanceada y simétrica en la cual la amplitud en todas las oscilaciones es la misma. Una onda de seno pura produce un efecto en el tejido altamente focalizado, resultando en la separación del tejido con muy poca coagulación. Ya que produce muy poco daño al tejido o coagulación, no existe significante hemostasis.

Figura 2. Onda seno no amortiguada

Como ingenieros biomedicos dentro de un hospital lo que nos interesa es ver el buen funcionamiento de los equipos medicos entre los que se encuentra la unidad de lectrocirugia, en si para minimizar los riesgos inherentes de esta tecnica en los pacientes.

La mejor forma de preservar la unidad electroquirurgica y corroborar su correcto funcionamiento es a partir de lo que se denomina mantenimiento preventivo, este consta de varias rutinas, las cuales algunas deben de ser realizadas por el personal del quirofano antes de comenzar la intervencion quirurgica y otras deben ser realizadas por personal de ingenieria biomedica. En ambos casos, se requiere que la persona se encuentre debidamente capacitada para realizar dicha labor.

Normalmente se recomienda que este tipo de unidades sean por lo menos revisadas una vez al ano por personal capacitado. Generalmente en los manuales tecnicos de estos equipos se entregan diversas tablas con las especificaciones tecnicas que debe cumplir la unidad, de igual forma en los manuales se encuentran tambien las curvas de potencia de salida que exige la normatividad, por ejemplo la norma IEC60601-2-2.

Para poder realizar estas mediciones se necesita disponer de equipos electrónicos sofisticados como un Wattmetro que sería nuestro sistema de medición de potencia, que es un equipo específico para medir la potencia en las unidades de electrocirugía.

Pero existe un problema, que estos equipos no están disponibles en la mayoría de las instituciones de salud, debido a su elevado costo y además de que no son de fácil uso por personal que no está debidamente capacitado.

Verificar la potencia del equipo y que sus condiciones físicas estén en óptimas condiciones minimiza de manera notable los daños y accidentes al personal y paciente del hospital.

La realización de este proyecto, tiene como finalidad ofrecer una solución para tener debidamente controlados los equipos de electrocirugía, los cuales funcionan utilizando altas cantidades de corriente, con un fin quirúrgico. La construcción del sistema de medición nos debe permitir manejar y determinar que las corrientes utilizadas sean las apropiadas a fin de evitar un daño severo al paciente que puede ser irreversible, evitando poner en riesgo la vida del mismo, así como el mal funcionamiento o deterioro del equipo, y que a largo plazo pueda repercutir en daños para la institución de salud donde se desarrollen este tipo de técnicas quirúrgicas. Con este instrumento, se garantiza que los equipos deban estar trabajando regidos por las normas establecidas y de no ser así, calibrarlos a fin de tenerlos en óptimas condiciones para su buen desempeño.

DESARROLLO.

La construcción del medidor de potencia, se pretende utilizar para medir la potenciaempleada en un equipo de electrocirugía, a continuación se presenta un diagrama a bloquespara la construcción del dispositivo para medir la potencia:

Figura 3. Diagrama a bloques de la 1a y 2a etapa de un wattmetro.

Con base en el diagrama de la figura 1, necesitamos realizar dos etapas para el acondicionamiento de la señal de voltaje con la que estaremos trabajando, estas son:

Primera etapa: es el acondicionamiento de la señal, formada por la resistencia de carga, el atenuador y el convertidor de AC a DC.

Segunda etapa: se especifica la conversion A / D de la señal y el despliegue. Además la corriente o voltaje que se va a medir, deberá ser en corriente continua (CC), de la resistencia al atenuador se tendrá una señal en corriente alterna (CA) y del atenuador al convertidor de AC a DC, se obtendrá una señal preescalada y finalmente la señal del convertidor de AC a DC será desplegada en los displays de siete segmentos.

CONVERTIDOR AC A DC.

El convertidor de AC a DC es parte del acondicionamiento de la señal, normaliza la entrada a un voltaje de corriente continua (CC). En la siguiente figura se muestra el circuito que será utilizado, donde se muestra que a la entrada del amplificador operacional entra el voltaje del secundario del transformador, dicho voltaje es de corriente alterna (AC) a la salida obtenemos un voltaje en corriente continua (CC).

Figura 4. Circuito para convertidor de AC a DC.

CONVERTIDOR A/D.

Como la medición de la potencia es de forma digital se necesita de un dispositivo que nos convierta la medición de señal analógica a digital. El convertidor de A/D de 3 . dígitos, sus aplicaciones mas comunes son vóltmetros y amperímetros digitales. En el diseno de este vóltmetro digital se utiliza el convertidor A/D CMOS ICL 7107. El ICL 7107 alimenta un despliegue de diodos emisor de luz (LED). Se incluyen decodificadores de 7 segmentos, alimentadores de despliegue, referencias y un reloj.

Figura 5. Configuración del dispositivo utilizado para la conversión analógica/digital de las

señales a desplegar (Voltaje, Corriente, Potencia).

FUNCIONAMIENTO DEL DISPOSITIVO ICL 7107

Un convertidor análogo digital (ADC) es mejor conocido como un convertidor dependiente dual. Es preferido sobre otros debido a su precisión, simplicidad en diseño y relativa indiferencia al ruido. Su operación es mejor comprendida si se describe en dos etapas.

Durante la primera etapa y por un periodo dado el voltaje de entrada es integrado, y en la salida del integrador en el final de este periodo, hay un voltaje que es directamente proporcional al voltaje de entrada. Al final del periodo del preset el integrador es alimentado con un voltaje de referencia interno y la salida del circuito es gradualmente reducida hasta que esta alcance el nivel de cero referencias de voltaje.

Esta segunda etapa es conocida como periodo de pendiente negativa y su duración depende en la salida del integrador en el primer periodo. Así como la duración de la primera operación es fija y la de la segunda es variable es posible comparar las dos y de esta forma el voltaje de entrada es comparado con el voltaje de referencia interno y el resultado es codificado y enviado al display.

Todo esto suena muy sencillo, pero; es de hecho una serie de operaciones bastante complejas que son realizadas todas por el ADC IC con la ayuda de algunos componentes los cuales son usados para configurar el circuito para el trabajo.

figura 6. Conexión de los displays en los pines respectivos del ICL 7107.

En detalle el circuito funciona de la siguiente manera: el voltaje a ser medido es aplicado a través de los puntos 1 y 2 del circuito de la figura 6 y a través del circuito formado por R3, R4 y C4 es finalmente aplicado a los pines 30 y 31 del IC. Estos son la entrada del IC como se puede ver en el la figura 6. La resistencia R1 junto con el capacitor C1 son usados para configurar la frecuencia del oscilador interno (reloj) que es configurado a aproximadamente 48 Hz. A esta configuración del reloj hay cerca de 3 diferentes lecturas por segundo. El capacitor C2 que es conectado entre los pines 33 y 34 del IC ha sido seleccionado para compensar el error causado por el voltaje de referencia interno y tambien mantiene el display constante. El capacitor C3 y la resistencia R5 forman conjuntamente el circuito que hace la integración del voltaje de entrada y al mismo tiempo previene cualquier división del voltaje de entrada haciendo el circuito más rápido y más confiable así como la posibilidad de error es reducida. El capacitor C5 forza al instrumento a mostrar cero cuando no existe ningún voltaje en su entrada. La resistencia R2 junto con el pot P1 son usados para ajustar el instrumento mientras este es conectado para que muestre cero cuando la entrada también lo es. La resistencia R6 controla el flujo de la corriente a través del display para que el brillo de este sea suficiente sin dañarlo. El IC como ya se ha mencionado, es capaz de controlar cuatro displays de led ánodo común. Los tres de la derecha están conectados de tal forma que puedan mostrar todos los números del 0 al 9 mientras que el primero de la izquierda pueda solamente mostrar el numero 1 y el signo menos cuando el voltaje es negativo. Todo el circuito opera desde una simétrica fuente de ± 5v.

VDC que es aplicada a los pines 1(+5v), 21 (tierra 0v) y 26 (-5v) del IC Se recomienda comenzár a trabajar identificando los componentes y separándolos en grupos.

El valor de la resistencia R3 controla el rango de la medición del voltímetro. El integrado es muy sensible a la electricidad estática y se debe ser muy cuidadoso al manipularlo. Se debe tener cuidado de no tocar los pines con los dedos para no dañarlo. Cuando se haya terminado de ensamblar el circuito y esté conectado a la fuente simétrica encendida; el display deberá iluminarse inmediátamente y formar un número. Hacer corto circuito la entrada (0.0 V) y ajustar el pot p1 hasta que el display indique exactamente 0.

El display se configura de la siguiente manera:

Figura 7. Pines del display de siete segmentos.

Una vez conocida la forma de operar del dispositivo ICL 7107, se realizó un ajuste al circuito trabajando con el diseño que se muestra continuación:

Figura 8. Circuito para la construcción del Vólmetro.

En este nuevo circuito, una de las modificaciones más importantes es la eliminación del convertidor de AC a DC, debido a las características que se presentaron anteriormente de la investigación del dispositivo, debido al fino comportamiento que tiene a la frecuencia, por otra parte se hace uso de otro dispositivo para la fijación de voltaje y que no haya variaciones al realizar las mediciones.

Un diodo zener regulable, el TL431. Un diodo rectificador, que al estar polarizado inversamente, conduce una corriente muy pequeña, del orden de μA (micro-ampers). Sí incrementamos la tensión inversa, llega un punto en que la corriente inversa a través del diodo crece rápidamente. Al margen de voltaje donde ocurre esto se le denomina zona dedisrupción. Los diodos rectificadores normalmente no están pensados para llegar a esta zona,y pueden romperse.

Los diodos zener son diodos preparados para trabajar en la zona de disrupción.

Permiten mantener una tensión más o menos constante (tensión de avalancha) variando la intensidad de corriente inversa que pasa a través de ellos. El TL431, que tiene tres patas (el cátodo, el ánodo y la tensión de referencia), permite que esta tensión constante sea regulada a nuestro gusto según el valor de la tensión de referencia. Disponemos también de una resistencia variable, para ajustar la tensión de referencia al nivel que queramos.

DISEÑO FINAL

PRUEBA DE VOLTAJESe alimentaron dos circuitos construidos como el mostrado en la figura 8 con voltajes

en DC de un generador de funciones, con ayuda de un multímetro digital del laboratorio, se sabe el valor de la señal de entrada, en los displays se obtuvo una salida de la señal, la cual es en DC.

Se ajusto la señal de entrada a cero, para que la lectura en los displays coincidiera, se ajusto esta salida con ayuda del atenuador, ahora la entrada era de cero volts y en los displays se podía observar el valor de la señal de entrada. A continuación se muestra una tabla con los resultados obtenidos:

Tabla 1. Comparación de voltajes (Multímetro /circuito).

A continuación se muestra la imagen de uno de los valores obtenidos (Multímetro/circuito):

Figura 9. Valor correspondiente a la tabla 1.

PRUEBA DE CORRIENTE.

Una vez que los circuitos sirven para la parte de voltaje el siguiente paso es realizar la medición de corriente. Como es difícil poder realizar una medición de corriente de manera directa sobre el circuito, se utiliza un transformador de 120 V a 8A, medir esta cantidad de corriente con nuestro circuito no es lo recomendable debido al sobre calentamiento del mismo lo cual provocaría la perdida total del circuito. De esta manera se realiza la siguiente modificación para poder medir la corriente que nos entrega el transformador a la salida del secundario. Se realiza una conexión en serie 20 resistencias de 100 Ω a 25 W cada una, quedando un arreglo de resistencias de 200 Ω, este arreglo se realiza simulando la resistencia que presentan los equipos de electrocirugía, debemos de mencionar que en la manera real los equipos de electrocirugía presentan una resistencia de 300 Ω y 500 Ω. De esta manera se observó que el valor de voltaje de salida en el secundario del transformador medido en el arreglo de resistencias es con un valor de 27 V así que sabiendo el valor de voltaje y el del arreglo de resistencia sabemos que por la ley de Ohm I = V/R.

Figura 10. Adecuación de un sistema para amperímetro.

De esta forma garantizamos que se mide la corriente realmente, la prueba que se realizó fue la siguiente:

A la salida del juego resistivo salen 27V en AC, y tenemos una resistencia de 5 Ohms, entonces si sacamos la corriente por la ley de Ohm, tenemos una corriente de 5.4 A, que es lo que se mide en volts en el voltímetro, después bajamos este voltaje de salida de las resistencias a 13.5V y tenemos la misma resistencia de 5 Ohms y de igual forma por la ley de Ohm, tenemos una corriente de 2.7 Amper, que es lo que se visualiza en los display’s, de esta manera verificamos la correcta construcción y buen funcionamiento del amperímetro.

Físicamente el arreglo de resistencias queda de la siguiente manera:

Figura 11. Arreglo de resistencias.

ETAPA DE POTENCIAPara esta etapa se requiere multiplicar los valores de la corriente y el voltaje ya que la

potencia se define con la siguiente ecuación:P = I x V.

Este diseño consiste en manejar las señales de manera analógica que es así como se obtienen, encontrar un dispositivo que realizará la multiplicación de las señales analógicas el resultado mandarlo como señal de entrada al ICL07107 y desplegar el resultado.

Figura 12. Diagrama general a bloques de la etapa de potencia.

El dispositivo que se requiere es un multiplicador, se buscaron integrados que su principal función fuera realizar la multiplicación, se encontraron un sin fin de circuitos integrados entre ellos el AD632, AD834, AD835 y el AD633 los dos últimos resultaron los más óptimos para la realización de la multiplicación el único inconveniente que se presento fue que el AD835 realizaba la multiplicación directa y manejaba valores de voltaje de ± 1V, el segundo integrado propuesto fue el AD633 el cual manejaba voltajes de entrada de ± 10 V, el circuito se muestra en la siguiente figura así como una tabla con sus especificaciones.

Figura 13 Diagrama de AD633.

Tabla 2. Especificaciones del multiplicador AD633.

El circuito se configura de la siguiente manera para un buen funcionamiento:

Figura 14. Circuito multiplicador.

Con este circuito se realizaron algunas medidas de voltaje1 y voltaje2 que se obtienen de una fuente de DC para verificar su buen funcionamiento. Los resultados de la multiplicación de los voltajes voltaje se verificaron y compararon entre el integrado y la calculadora, como se muestra a continuación:

Tabla 3. Comparación de resultados circuito/calculadora.

CONCLUSIONESSe logró realizar un dispositivo el cual nos proporciona la medición de potencia de un

equipo de electrocirugía, así como la medición de corriente y voltaje de manera independiente, es decir, se despliegan los tres valores al mismo tiempo en tres display´s de siete segmentos independientes entre si, con estos valores se puede ver el desempeño del equipo de electrocirugía y a su vez asegurar una buena aplicación del tratamiento de corte o coagulación ya que si no se proporciona la potencia adecuada se puede generar una iatrogenia al paciente.

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