Sistema de localizacion de huesos mediante ultrasonidos de alta frencuencia

Abstract

La medicina ha avanzado enormemente en los últimos años, pero aún es necesaria una mejora significativa en algunos ámbitos, como la ortopedia o la traumatología. La práctica de deportes de riesgo o de élite y el envejecimiento suponen con frecuencia lesiones en las articulaciones que afectan de forma sustancial a la calidad de vida. En este proyecto, se ha planteado el diseño y la construcción de un prototipo portátil y preciso capaz de medir, mediante la tecnología de ultrasonidos, la distancia de la superficie externa de la piel al hueso en tiempo real. Con este objetivo, se ha acondicionado mediante un circuito analógico el palpador MB4F-E, que trabaja a una frecuencia de resonancia cercana a 4 MHz. Este hardware está controlado por un microcontrolador programado en C, capaz de guiar las fases de emisión y recepción del palpador y de medir el tiempo que transcurre entre los ecos de dichas fases. Con estas medidas, se calcula la distancia entre el hueso y el palpador, que es mostrada por una pantalla LCD junto a un gráfico histórico de cien valores. Para validar el sistema, se han llevado a cabo diversos ensayos utilizando tanto una almohadilla de hidrogel como extremidades de sujetos voluntarios. Gracias a estos experimentos, se ha determinado que las distancias mínima y máxima de detección son 0,48 y 4 cm respectivamente, con un error de medida cercano a 0,1 mm. Este prototipo demuestra la utilidad del uso de ultrasonidos de alta frecuencia para la localización del hueso, y podría implementarse en sistemas de sujeción de articulaciones o brackets inteligentes que corrigiesen la posición por sí solos antes de la aparición de una lesión.

Medicine has experienced a huge development in the last few years, but a significant improvement is still needed in fields such as traumatology and orthopedics. Risk and elite sports practice, along with aging, affect meaningfully the quality of life, since usually involve the appearance of joint injuries. In this project, we aim to design and build a precise and portable prototype able to make real-time measures of the distance between the skin and the bones using ultrasounds technology. In order to accomplish this, we conditioned a MB4F-E probe sensor (whose working resonance frequency is close to 4 MHz) with an analog circuit. This hardware is controlled by a C-programmed microcontroller, capable of guide the emission and reception phases and measure the time occurred between the echoes of said phases. With these measures, we can calculate the distance between the probe and the bone, which is shown in a LCD screen along with a historical graph of the last hundred values. To validate the system, we perform several assays using both a hydrogel pad and the limbs of several voluntaries. Thanks to these experiments, we were able to determine the minimum and maximum detection distances (0.48 and 4 cm respectively) and the measuring error, which is approximately 0.1 mm. This prototype demonstrates the utility of the usage of high-frequency ultrasounds in order to localize bones, and could be used in joint hold-down systems or brackets that can automatically correct its positioning, preventing injuries.