Diseño e implementación de un sistema de control para el equipo Fototer.
Piñero Regueiro, Ariel
3er año. Facultad de Física. Universidad de La Habana. Colina Universitaria, Vedado, 10400 La Habana, Cuba. PACS 42.79.-e, 87.55.de, 87.50.ct
Resumen:
El equipo Fototer es un dispositivo de tratamiento para distintas afecciones que se basa en el uso de la luz no coherente como antiinflamatorio, analgésico y antibacteriano. Entre sus principales atractivos se encuentra la portabilidad y simplicidad en el funcionamiento. El uso de un sistema de control basado en Arduino, permite modificar el funcionamiento y aumentar las prestaciones del dispositivo, sin perder ninguno de los atractivos antes mencionados. En el presente trabajo se estudia e implementa un sistema que permite el funcionamiento del Fototer con baterías, incorpora un selector de tratamientos y funciones relacionadas con el tiempo y radiación de cada tratamiento. Se rediseña también la interfaz del equipo, haciéndolo, a la vez, más amigable con el usuario. Se obtiene así un Fototer más robusto, eficiente, escalable, portable y práctico.
1 Introducción:
El uso de terapias basadas en luz láser infrarroja como antiinflamatorio ha demostrado ser un eficiente tratamiento alternativo a los métodos tradicionales. Su principal ventaja radica en el hecho de ser un tratamiento no invasivo y, por tanto, sin efectos secundarios. [1, 2] Las fuentes de luz no coherente (LED) cumplen dos de las características físicas del láser (monocromaticidad y direccionalidad), pero no la coherencia. A pesar de esto, se ha demostrado que comparten las propiedades fisiológicas atribuidas al láser de baja potencia (antiinflamatorio, analgésico y bioestimulante), y se han propuesto como método de tratamiento de diversas afecciones [3]. El uso de ledes infrarrojos como antiinflamatorio y analgésico ha sido probado con una alta satisfacción en los pacientes. El trabajo de investigación condujo a la fabricación del equipo FOTOTER. Este es un equipo que posee licencia y está en policlínicos del sistema nacional de salud pública, área de tratamiento de medicina deportiva, así como en misiones internacionalistas.
Imagen 1. Fototer comercial.
El equipo Fototer, sin embargo, presenta varias dificultades. El único mecanismo de control que posee es un interruptor de encendido/apagado. Esto hace que exista una excesiva dependencia del
usuario o del operador del equipo, quien debe estar especialmente atento al tiempo de tratamiento, con la posibilidad de exceder la cantidad de radiación recomendada. Además, el dispositivo se alimenta únicamente de la red eléctrica.
Además del uso de la luz infrarroja, se ha demostrado la efectividad del uso de luz azul y roja en el tratamiento del acné vulgaris. Incluso se ha propuesto tratamientos que incluyen la combinación de los tres tipos de luz mencionados. [4, 5] El uso de luz ultravioleta se ha propuesto también como método de detección de enfermedades bacterianas de la piel, caries dental, entre otros. El equipo Fototer no incluye estos tipos de tratamientos.
El objetivo del presente trabajo es desarrollar un nuevo equipo con mayores prestaciones. Se diseña y construye un dispositivo que mantiene las bondades del Fototer y soluciona sus deficiencias, a la vez que incorpora nuevos tratamientos.
2 Nuevo dispositivo:
El diseño de un nuevo dispositivo debe mantener dos de las principales ventajas del Fototer: bajo costo de producción y portabilidad. Además, debe ser capaz de incorporar los nuevos tratamientos, sin desechar la luz infrarroja, a la vez que resuelve las deficiencias mencionadas anteriormente. A continuación, describimos las principales características que incorpora el nuevo modelo.
Inclusión de nuevos tratamientos: Se propone que el dispositivo cuente con un arreglo de 3 ledes (rojo, azul e infrarrojo). Esto, junto a un selector de tratamientos, permite al usuario utilizar de manera independiente los ledes, o de manera combinada, si así lo requiere. Esto hace que un único equipo sea capaz de proveer diferentes tratamientos.
Portabilidad: Se propone un dispositivo que no necesite estar conectado a la corriente para dar un tratamiento. Además de aumentar de manera evidente la comodidad para cualquier usuario, esto permite el acceso a zonas en donde no se dispone de corriente eléctrica para aplicar estos tratamientos. Para ello se han incorporado baterías, que podrán ser de un rango de 7-12V, pudiendo ampliarse al rango de 6-20V sin necesidad de añadir ningún componente extra. [6] Una batería típica de 2200mAh proveerá una autonomía de 12 horas.
Interfaz: Junto al interruptor de encendido/apagado, se ha añadido un selector para que el operador escoja el tipo de tratamiento que desea aplicar. Además de poder escoger entre uno o varios ledes, como ya se dijo, el operador podrá seleccionar el tiempo de duración. El dispositivo controla el tiempo, con lo cual el usuario solo debe preocuparse de dar comienzo a su tratamiento, lo cual evitará tiempos de radiación no deseados. Para los casos en que un mismo tratamiento requiere la aplicación de la luz en varios puntos, se incluye un botón de iniciado que posibilita el cambio de posición de los ledes sobre las diferentes zonas del cuerpo.
Aplicación: Los ledes se pegan utilizando ventosas, lo cual brinda una ventaja al operador ya que tendrá más control sobre la zona donde se realice el tratamiento y le causará menos cansancio en la aplicación del mismo.
Escalabilidad: El equipo fue diseñado para ser un dispositivo completamente adaptable a condiciones adversas. Posee un encapsulado hecho a medida por una impresora 3D. Además, el diseño de los punteros ledes así como de los componentes internos del equipo permite evolucionar a otros tratamientos sin necesidad de tener que adquirir una nueva unidad.
Eficiencia energética: Se diseñó la conexión y operación de los ledes para reducir al mínimo el consumo de electricidad en cada instante de tiempo y así reducir el desgaste de la batería y la potencia disipada por los componentes.
Costo: La relación precio-funcionalidad de los componentes utilizados es alta. El precio de cada componente es relativamente bajo, se elimina el uso de un transformador AC/DC y se permite el uso de disímiles tipos de baterías.
3 Electrónica:
En esta sección expondremos los elementos utilizados en nuestro dispositivo y los describiremos. Luego del análisis exhaustivo realizado al Fototer se determinó que el nuevo modelo debería ser implementado utilizando la plataforma arduino, el cual igualaría funcionalidades, mejoraría las prestaciones y permitiría un desarrollo a otros tratamientos, todo esto manteniendo la escalabilidad del sistema.
El arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares. El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR Atmega328 y puertos de entrada/salida, presentando sencillez y bajo coste que permite el desarrollo de múltiples diseños. [7]
Imagen 2. Esquema del Arduino Nano [6]
En la figura podemos apreciar que la alimentación del arduino se puede realizar a través de dos lugares: el puerto USB (5V) o el pin VIN (6-20V), la cantidad de corriente por pin nunca debe
exceder los 40mA y la corriente por todo el grupo de pines nunca debe exceder los 100mA. No obstante esto último se ha programado el arduino de forma que los ledes parpadeen intermitentemente a altas frecuencias para que no exista alto consumo energético y aun así no se afecte el tratamiento.
Gracias a la última característica del diseño expuesta, se posibilita aún más la inclusión de nuevos tratamientos ya que existe, además de disponibilidad de puertos, disponibilidad de corriente.
En el caso en que se necesite desarrollar un dispositivo que demande mayor corriente de la que el arduino, a pesar de nuestro diseño, sea capaz de suplir, se propone que los ledes sean alimentados directamente de una fuente externa y en el circuito sea introducido un interruptor (optoacoplador o transistor) que sea controlado desde arduino.
Al hablar de nuevos tratamientos nos referimos más concretamente a nuevos ledes. Los ledes son la base fundamental de todo el equipo ya que mediante ellos es que se cumple la funcionalidad por la que fue creado. Un led es un componente optoelectrónico pasivo, más concretamente, un diodo que emite luz. Las características principales que se tuvieron en cuenta quedan expuestas en la figura siguiente.
Cada resistencia utilizada cumple la función de establecer por cada led la corriente la deseada.
Imagen 3. Diagrama electrónico de conexión de los componentes.
En el circuito de la figura se muestran todos los componentes utilizados y sus conexiones. Las fuentes de 5V corresponden a cada pin utilizado en el arduino (se seleccionan 4 diferentes porque queremos controlar cada led de forma independiente y por la limitante de corriente). Se aprecian los ledes utilizados (junto a sus valores característicos) y las resistencias correspondientes a cada uno.
Como se requieren valores diferentes de corrientes o voltajes en cada led las resistencias han de tener valores diferentes entre ellas. También se aprecia el uso de dos diodos cuya funcionalidad es permitirle al arduino brindarle la corriente demandada por el led infrarrojo.
Sobre las baterías ya se ha expuesto el rango de voltajes que deben proporcionar y una idea sobre qué cantidad de carga deben proveer (2200mAh). Lo más recomendado es el uso de una batería de ion de litio ya que estas poseen una gran cantidad de carga y, junto al ahorro energético de los ledes mediante el parpadeo, logran la autonomía deseada.
4 Conclusiones:
Se estudió el equipo Fototer, se analizaron sus deficiencias y se propuso un nuevo dispositivo. Se diseñó y construyó el nuevo equipo añadiéndole funcionalidades: posibilidad de más de un tratamiento, control del tiempo, uso de baterías. Se logró una interfaz más amigable y un dispositivo más robusto. La plataforma Arduino es una herramienta que nos permite desarrollar un dispositivo reprogramable, escalable y eficiente, disminuyendo los costos de producción y aumentando los escenarios donde es posible su uso.
5 Referencias:
[1] Mariwalla K., Rohrer T.: Use of Lasers and Light-Based Therapies for Treatment of Acne Vulgaris, Lasers in Surgery and Medicine 37:333–342 (2005).
[2] García Morales I., Laser y terapia fotodinámica en el tratamiento del acné, Tesis doctoral, Facultad de Medicina, Universidad de Alcalá, Madrid, 2009.
[3] Angel Calzadilla Pellol: Efecto antiinflamatorio de la radiación luminosa emitida por el LED IR del equipo Fototer sobre dos modelos de inflamación inducida, Tesis de Diploma, Facultad de Física, Universidad de La Habana, 2008.
[4] Elmann M., Lebzelter J., Light Therapy in the treatment of Acne Vulgaris, Dermatol Surg 30: 139-146 (2004). [5] Balaguert González P., Infante Vidal D., Llerena Díaz A., Purón Sopeña E., Hons Purón R., Tratamiento del acné inflamatorio con diodos emisores de luz azules y rojos, Avances Médicos para las Américas, 2014.
[6] http://www.agspecinfo.com/pdfs/M/MB0016.PDF
[7] Wikipedia contributors, “Arduino”, Wikipedia, La enciclopedia libre,
