Láser para fisioterapia: Aspectos generales para el diseño práctico (TFG)

Universidad Carlos III de Madrid Escuela Politécnica Superior Grado en Ingeniería de Sistemas Audiovisuales Curso académico 2017/2018 Láser para fisioterapia: Aspectos generales para el diseño práctico Autor: José Mateo Murillo Tutor: Jose María Prieto Ogando Índice 1. Abstract................................................................................................................................. 5 1.1 Resumen..................................................................................................................... 11 2. Introducción....................................................................................................................... 17 2.1 Descripción del proyecto........................................................................................... 17 2.2 Objetivos.................................................................................................................... 18 2.3 Estado del arte........................................................................................................... 18 3. Tecnología Láser................................................................................................................ 20 3.1 Definición del láser.................................................................................................... 20 3.2 Características luz láser............................................................................................ 22 3.3 Principio de emisión.................................................................................................. 23 3.4 Estructura básica........................................................................................................ 27 3.5 Clasificación de dispositivos láser.............................................................................. 29 4. Tecnología básica de diodo láser....................................................................................... 33 4.1 Estructura de un diodo láser.................................................................................... 34 4.2 Configuración electrónica......................................................................................... 38 4.3 Principio de emisión.................................................................................................. 39 4.4 Perfil de radiación de un diodo láser....................................................................... 40 5. Terapia láser de baja potencia........................................................................................... 41 5.1 Fundamentos biológicos............................................................................................ 42 5.2 Efectos de la terapia láser......................................................................................... 45 5.3 Factores importantes dentro de la LLLT................................................................ 47 5.4 Dosificación................................................................................................................ 53 5.5 Aplicación: modos y métodos................................................................................... 56 5.5.1 Modos de aplicación.......................................................................................... 56 5.5.2 Métodos de irradiación..................................................................................... 56 6. Dispositivo láser.................................................................................................................. 58 6.1 MicrocontroladorATmega328p............................................................................... 58 6.2 Teclado matricial 4x4................................................................................................ 63 6.3 Display LCD.............................................................................................................. 65 6.4 Reloj RTC.................................................................................................................. 68 6.5 Emisor de potencia.................................................................................................... 70 6.6 Medidor de potencia.................................................................................................. 72 6.7 Bus I2C....................................................................................................................... 76 1 6.8 PCF 8574...................................................................................................................... 79 6.9 Conexionado de todos los componentes................................................................... 81 7. Software.............................................................................................................................. 82 7.1 Generación de la señal PWM................................................................................... 82 7.2 Lectura del teclado.................................................................................................... 82 7.3 Control del display.................................................................................................... 83 7.4 Control del reloj RTC............................................................................................... 83 7.5 Medida de potencia................................................................................................... 83 8. Marco regulador................................................................................................................. 84 8.1 Dispositivos láser y normativa................................................................................... 84 8.2 Etiquetado en los dispositivos láser........................................................................... 86 8.3 Software..................................................................................................................... 86 9. Entorno económico-social................................................................................................. 87 9.1 Presupuesto................................................................................................................ 87 9.2 Impacto socio-económico en la sociedad................................................................. 88 10. Conclusiones y futuras mejoras..................................................................................... 89 11. Referencias..................................................................................................................... 90 ANEXO I: Esquemático del circuito completo........................................................................... 93 ANEXO II: Hojas de características Diodo Láser LD808-S60................................................... 94 ANEXO III: Hoja de características Fotodiodo BPW34............................................................. 95 ANEXO IV: Diagrama de flujo.................................................................................................. 98 Índice de tablas Tabla 1:Valor numérico de las dosis........................................................................................... 55 Tabla 2:Características máximas ATmega328P.......................................................................... 59 Tabla 3: Definición de los pines.................................................................................................. 66 Tabla 4: Registros RTC............................................................................................................... 69 Tabla 5: Posibles valores para los bits del registro de control.................................................... 69 Tabla 8: Formato de la dirección en PCF8574 (arriba) y en PCF8574A (abajo)........................ 80 Tabla 9: direcciones para el módulo PCF8574 (izquierda) y para el PCF8574A (derecha)....... 80 2 Índice de figuras Figura 1: Características de una onda......................................................................................... 20 Figura 2: Representación de diferentes ondas electromagnéticas en función de lambda............ 21 Figura 4: Diferencia entre luz coherente e incoherente............................................................... 22 Figura 3: Diferencia de cromaticidad entre luz láser y luz blanca.............................................. 22 Figura 5: Direccionalidad en luz láser y en luz blanca................................................................ 23 Figura 6: Representación simplificada de un átomo................................................................... 23 Figura 7: Representación de los posibles estados de un electrón................................................ 24 Figura 8: Proceso de absorción................................................................................................... 25 Figura 9: Proceso de emisión espontánea................................................................................... 25 Figura 10: Proceso de emisión estimulada.................................................................................. 26 Figura 11: Componentes de un láser........................................................................................... 28 Figura 12: Diodo láser................................................................................................................. 33 Figura 13: Estructura de un semiconductor intrínseco................................................................ 34 Figura 14: Estructura de un semiconductor extrínseco tipo P..................................................... 35 Figura 15: Estructura de un semiconductor extrínseco tipo N.................................................... 36 Figura 16: Homoestructura.......................................................................................................... 36 Figura 17: Heteroestructura......................................................................................................... 37 Figura 18: Doble heteroestructura............................................................................................... 37 Figura 19: Estructura basada en ganancia................................................................................... 38 Figura 20: Estructura basada en indices de refracción................................................................ 38 Figura 21: Representación energética......................................................................................... 39 Figura 22: Configuración electrónica de unión p-n..................................................................... 39 Figura 23: Radiación láser........................................................................................................... 40 Figura 24: Organización interna de la célula............................................................................... 42 Figura 25: Coeficientes de absorción en función de la longitud de onda.................................... 49 Figura 26: Penetración de la luz por capas de la piel.................................................................. 50 Figura 27: Resultados del estudio............................................................................................... 53 Figura 28: Ejemplos de haz......................................................................................................... 54 Figura 29: Microcontrolador ATmega328P................................................................................ 59 Figura 30: Encapsulado 28 pines................................................................................................ 61 Figura 31: Encapsulado 32 pines................................................................................................ 61 Figura 32: Display Grove LCD................................................................................................... 65 Figura 33: Display LCD de la serie c216.................................................................................... 66 Figura 34: Formato de los datos transmitidos por bus I2C......................................................... 77 Figura 35: Módulo PCF8574 para teclado (izquierda) y display (derecha)................................ 79 Figura 36: Configuración de los pines del ATmega 328P.......................................................... 81 3 Figura 37: Etiqueta de advertencia.............................................................................................. 86 Figura 38: Etiquetas explicativas................................................................................................ 86 Índice de esquemas Esquema 1: Núcleo AVR (I)....................................................................................................... 60 Esquema 2: Núcleo AVR (II)...................................................................................................... 60 Esquema 3: Microcontrolador ATmega328P.............................................................................. 62 Esquema 4: Teclado matricial..................................................................................................... 63 Esquema 5: Flujo de corriente en teclado matricial.................................................................... 64 Esquema 6: Conexión entre teclado y PCF8574......................................................................... 64 Esquema 7: Conexión entre display y PCF8574......................................................................... 67 Esquema 8: Circuito integrado DS1307...................................................................................... 68 Esquema 9: Matriz de diodos...................................................................................................... 70 Esquema 10: Circuito eléctrico emisor de potencia.................................................................... 72 Esquema 11: Filtro paso bajo...................................................................................................... 72 Esquema 12: Receptor de potencia óptica................................................................................... 73 Esquema 13: Amplificador de instrumentación.......................................................................... 74 Esquema 14: Filtro paso bajo...................................................................................................... 74 Esquema 15: Circuito eléctrico medidor de potencia.................................................................. 75 Esquema 16: Enlaces Bus I2C.................................................................................................... 76 Esquema 17: Diagrama de bloques PCF8574............................................................................. 79 Esquema 18: Circuito completo del diseño................................................................................. 93 4 1. Abstract Nowadays, laser technology is well established in society, proof of that is the large number of well-known applications that surround us in our daily lives, both in the industrial sector and in medicine. But is a relatively modern technology, and research continues to reveal more and more applications capable of improving our way of life. The intense study to which this technology is subjected is mainly due to the fact that laser light has characteristics that make it unique compare to other types of light, mainly the coherence (both temporal and spatial) and the monochromaticity. These properties open a whole world of possibilities ranging from cutting big pieces of metal to decorating some materials On one hand, the temporal coherence leads to incident light waves with a similar phase, frequency and amplitude and on the other hand, the spatial coherence allows us to create a very narrow beam of laser light capable of reach great distances without suffering big losses due to divergence, this is known as a collimated beam. In addition, thanks to the spatial coherence, laser light acquires the property that we know as monochromaticity, since this coherence allows us to emit a beam of laser light with a reduced electromagnetic spectrum, being able to cover only one value of wavelength. In order to generate a beam of light as described above, there are a number of processes taking place inside the active medium of the device, more specifically within its atoms. The creation of light photons is given by the change of state of the electrons located in the orbits that surround the nucleus of the atom, meaning, when an electron changes from the ground state to the excited state. These transitions occur after having received an amount of energy during the absorption process. Once the absorption process is complete, there are two possibilities. On one way, when the atom stops receiving energy, the electron returns to the ground state releasing as much energy as it has absorbed in the previous process. Such energy is transmitted during the process of spontaneous emission as a photon of incoherent light. On the other way, if the electron is stimulated with a certain amount of energy, while it is in the excited state, the emission of a light photon whose energy is similar to the amount of energy that has excited the electron, will take place. This is known as the 5 de-excitation process and is part of the stimulated emission which results in the emission of coherent light. There is a last process, known as population inversion, for which, a series of special characteristics are necessary in the active medium. This process is vital in the objective of generating laser light, because when it takes place, the stimulated emission process generates a much larger number of light photons. In order to use laser light for a purpose, it is necessary to construct a structure in which to generate and amplify such light. In first place, as the most important component within this structure, we find the active medium, which offers a great variety of possibilities when building, being able to be solid, liquid, gaseous or composed of a semiconductor material. Within the active medium, take place the processes listed above. Such medium is composed of a material with a certain electronic configuration, depending on that, the laser beam emitted will have a specific wavelength. Then, next to the active medium, is located the pumping system, responsible for emitting the electromagnetic radiation necessary to excite the electrons of the active medium and reach the state of population inversion, which allows us to emit a beam of laser light sustained in time. We will need different pumping systems depending on the material of the active medium. Finally, surrounding both the active medium and the pumping system, we find the resonant cavity, whose main function is to amplify the emission generated by the other two components. For this, it uses a system composed of two mirrors, one perfect (reflects 100% of the light) and another semi-transparent (reflection coefficient very high, but with losses). Between these two mirrors, a series of reflections are produced giving rise to standing waves that pass through the active medium continuously, in that way the photon production and therefore the amount of radiation increase notoriously. The semi-transparent mirror allows part of the radiation generated inside the resonant cavity to be emitted to the outside, obtaining the laser light beam. Each laser device has its own characteristics, but there are some generic parameters with which all the devices count and that allow us to elaborate a classification. These parameters are the active medium, the type of emission, the output power and the wavelength. 6 The device studied in this paper uses diodes as a light source. At the same time, the diode consists of a semiconductor active medium divided by two layers, each of which is an extrinsic semiconductor element that has passed through a process known as doping. This process consists of injecting valence elements 3 or 5 into an intrinsic semiconductor (composed of elements of valence 4), creating a deficit or a surplus of electrons. As a result of the process an extrinsic semiconductor type 'p' and another type 'n' are obtained. The union of these two elements is the key to the structure of a laser diode and is known as junction p-n. If the union is made using a single material, the bond is known as homounion, if instead two different materials are involved, the structure is called heterounion. The latter is the one used in the laser diodes. To obtain the laser light beam, we need to apply a voltage to the junction. The emission process consists of a recombination of the electrons in the conduction band of the region 'n' with the voids in the valence band of the 'p' region. These transitions result in the production of photons of light, which will be amplified thanks to the resonant cavity. In this paper we will talk about one of the most recent treatments in the medicine world, low power laser therapy or cold laser therapy. It consists in applying a dose of infrared light on a damaged tissue with the aim of accelerating recovery. The use of infrared light is due to the choice of the most optimal wavelength for the treatment. Since the reaction generated by the therapy takes place at the cellular level, it is necessary for the light beam to pass through a number of layers of the skin to reach that level. The value of wavelength which allows us reach that objective lies in the range of 600 nm to 1300 nm, which is known as the optical window. Such treatment, unlike many others laser light treatment, does not apply heat to the treated region. Its effectiveness is due to a series of processes, mainly photochemical, in which the cells reactivate certain mitochondrial processes restoring the production levels of the ATP molecule, which causes a chain reaction that allows the damaged cell to obtain more energy, and thanks to that, the recovery process speeds up. 7 The calculation of the dose to apply needs to be studied before. Given the danger of the devices used during therapy, the dosage should be made knowing each parameter involved in it, like the transmitted power density, the time during which the dose is applied, the energy density required for each type of injury... , otherwise there is a risk of causing superficial damage to the patient. Finally, there is a lot of different ways of apply the dose on the injured area. We can find a clear classification within the mode of application, on the one hand we have the spot radiation, in which the dose is applied with the device attached directly to each of the points within the area to be treated and for another side we can use the zonal radiation, the difference with spot radiation resides in the distance between the dispositive and the injured area. As an advantage we can emphasize the bigger action zone of the zonal radiation, but this supposes the disadvantage of seeing reduced the density of energy applied in that region. There isn´t a way better than the other, each injury and each patient requires a different dose and the type of used radiation will depend on that information. In all of them, the most important thing is to maintain the 90º relation between the treated region and the light beam, in order to avoid losses by reflection. At the time of design a device like the one used in this therapy, we have a great variety of components to choose from. In this work this selection has been made, always seeking to simplify, as far as possible, the assembly. An almost indispensable requirement has been the compatibility with the I2C standard. This protocol allows reducing substantially the wiring of the whole device, since it only requires two connections for the transmission of information. On one hand we have the clock signal (SCL), which allows synchronizing all the components connected to the same I2C bus and on the other hand, we have the information (SDA) that we send to the module indicated in the address. 8 The format of the data sent has a very simple structure: First, it is necessary that both the SDA bit and the SCL bit are at hich level to start the communication. The first 7 bits determine the address of the module with which the communication is established. Immediately after the address, it is sent the bit that determines the action to be performed (reading or writing). The information sends in 8-bit blocks. After each 8-bit block, validation messages (ACK or NACK) are exchanged to confirm that the communication is correct. Given the need to control the optical power dosed on the patient, as well as the dosing time, the device has a microcontroller, which, by code, will lead all the necessary functions like control the selected power level, activate the timer or send information to the display. In order to carry out this task, the ATmega328P microcontroller has been chosen, whose compatibility with the I2C protocol, among other characteristics, makes it especially attractive for this project. To have a visual control over the values of certain parameters, it is convenient to add a display. For this purpose, it has chosen a liquid crystal display whose consumption is lower than many other similar devices. In case of wanting to make a record of each performed sessions, directly from the device, there is a module that performs quite efficiently that task, it is the RTC (Real Time Clock). One of the most common models is the DS1307, which performs communication through the I2C protocol. Finally, a design of the circuit necessary to emit the laser beam and to measure the power emitted by the device is added. The main component of the emitting circuit is a matrix of laser diodes, which is responsible for transmitting a power density, and is regulated by the PWM signal sent by the microcontroller. Acting as a switch, a N_MOSFET transistor is added, which will perform as a conductor while the gate voltage is lower than threshold voltage. The PWM signal of the microcontroller is a pulse train with values ranging from 0 to 5 V, however, due to the high speed of such 9 pulses, the result will be a DC voltage calculated from the average of the signal. This voltage will be in charge of regulating the transmitted power. In the case of the receiver circuit, we measure the power emitted thanks to a photodiode, since it is a component capable of transmitting a current depending of the optical power that fall on it, which allows us to numerically evaluate the energy density applied over the entire sensitive surface of the photodiode. In this paper we will find a more extended development of each one of these components. Given the risk that suppose the use this type of instruments for the health, there is a normative, UNE-EN 60825-1 / A2: 2015, that regulates and classifies the different devices as well as the labeling that must accompany each of them, with the objective of informing the possible user of the most important properties and the potential dangers that the use of gadgets like these suppose. This whole issue is dealt with in the chapter on the regulatory framework. Finally, many of the lesions that could have been treated with cold laser therapy are currently being treated with drugs that are more harmful to health. Therefore, the introduction of such a device in the current society can affect the companies in charge of marketing with such drugs. 10 1.1 Resumen En la actualidad, la tecnología láser se encuentra bien implantada en la sociedad, prueba de ello es el gran número de aplicaciones muy conocidas que nos rodean en nuestra vida cotidiana, ya sea en el sector industrial como en la medicina, entre otros. Pero se trata de una tecnología relativamente moderna, y se siguen realizando investigaciones que desvelan cada vez más aplicaciones capaces de mejorar nuestro modo de vida. El estudio intensivo al que se encuentra sometido dicha tecnología se debe principalmente a que la luz láser posee unas características que la hacen única con respecto a otros tipos de luz, principalmente la coherencia (tanto temporal como espacial) y la monocromaticidad. Estas propiedades abren todo un mundo de posibilidades que van desde cortar grandes piezas de metal hasta la decoración de materiales. Por un lado, la coherencia temporal da lugar a ondas de luz incidentes con una fase, frecuencia y amplitud similares y por otro lado, la coherencia espacial nos permite crear un haz de luz láser muy estrecho y capaz de alcanzar grandes distancias sin sufrir grandes pérdidas por divergencia, esto se conoce como haz de luz colimado. Además, gracias a la coherencia espacial, la luz láser adquiere la propiedad que conocemos como monocromaticidad, ya que dicha coherencia nos permite emitir un haz de luz láser con espectro electromagnético muy reducido, pudiendo llegar a cubrir únicamente una longitud de onda. Para generar un haz de luz como el que se ha descrito, existen una serie de procesos que tienen lugar en el interior del medio activo del dispositivo, más concretamente en el interior de sus átomos. La creación de fotones de luz viene dada gracias al cambio de estado de los electrones situados en las órbitas que rodean al núcleo del átomo, es decir, cuando un electrón cambia del estado fundamental al estado excitado. Dichas transiciones se producen tras haber recibido una cantidad de energía durante lo que se denomina proceso de absorción. Una vez finalizado el proceso de absorción, existen dos posibilidades. Por un lado, cuando el átomo no recibe más energía, el electrón regresa al estado fundamental liberando una cantidad de energía equivalente a la absorbida en el proceso previo. Dicha energía se transmite durante el proceso de emisión espontánea como un fotón 11 de luz incoherente. Por otro lado, si mientras se encuentra en estado excitado, se estimula el electrón con una determinada cantidad de energía, tendrá lugar la emisión de un fotón de luz cuya energía es similar a la que se ha aplicado sobre el electrón excitado. Esto se conoce como proceso de desexcitación, forma parte de la emisión estimulada y tiene como resultado la emisión de luz coherente. Existe un último proceso, conocido como inversión de población, para el cual son necesarias una serie de características especiales en el medio activo. Este proceso es de vital importancia a la hora de generar luz láser, ya que cuando tiene lugar, el proceso de emisión estimulada genera una cantidad de fotones de luz mucho mayor. Para poder emplear la luz láser con una finalidad, es necesario construir una estructura en la que generar y amplificar dicha luz. En primer lugar, y como el componente de mayor importancia dentro de esta estructura, encontramos el medio activo, el cual ofrece una gran variedad de posibilidades a la hora de construirse, pudiendo ser sólido, líquido, gaseoso o compuesto por un material semiconductor. Dentro del medio activo se suceden los procesos enumerados anteriormente. Dicho medio se compone de un material con una determinada configuración electrónica, en función de la cual se emitirá con una longitud de onda específica. A continuación, junto al medio activo se sitúa el sistema de bombeo, encargado de emitir la radiación electromagnética necesaria para excitar los electrones del medio activo y llegar al estado de inversión de población, el cual nos permite emitir un haz de luz láser sostenido en el tiempo. Dependiendo del material que componga el medio activo necesitaremos sistemas de bombeo diferentes. Por último, rodeando tanto al medio activo como al sistema de bombeo, se encuentra la cavidad resonante, cuya principal función es amplificar la emisión generada por los otros dos componentes. Para ello se vale de un sistema compuesto por dos espejos, uno perfecto (refleja el 100% de la luz) y otro semitransparente (coeficiente de reflexión muy elevado, pero con pérdidas), entre los cuales se producen una serie de reflexiones dando lugar a ondas estacionarias que atraviesan de manera continua el medio activo, aumentando así la producción de fotones y por lo tanto la cantidad de radiación. El espejo semitransparente permite que parte de la radiación generada dentro de la cavidad resonante se emita al exterior obteniendo así el haz de luz láser. 12 Cada dispositivo láser tiene unas características propias, pero existen unos parámetros con los que todos los dispositivos cuentan y que nos permiten elaborar una clasificación. Estos parámetros son el medio activo, el tipo de emisión, la potencia de salida y la longitud de onda. El dispositivo que se estudia en este trabajo emplea diodos como fuente de luz. A su vez, el diodo se compone de un medio activo semiconductor dividido por dos capas, cada una de ellas es un elemento semiconductor extrínseco que ha pasado por un proceso conocido como dopaje. Este proceso consiste en inyectar elementos de valencia 3 o 5 en el interior de un semiconductor intrínseco (compuesto por elementos de valencia 4), creando un déficit o un superávit de electrones. Como resultado del proceso se obtiene un semiconductor extrínseco tipo ‘p’ y otro tipo ‘n’. La unión de estos dos elementos es la clave de la estructura de un diodo láser y se conoce como juntura p-n. Si la unión se realiza empleando un solo material, el enlace se conoce como homounión, si por el contrario se ven implicados dos materiales diferentes, la estructura se denomina heterounión. Esta última es la utilizada en los diodos láser. Para conseguir el haz de luz láser se aplica un voltaje sobre la unión. El proceso de emisión consiste en una recombinación de los electrones en la banda de conducción de la región ‘n’ con los huecos existentes en la banda de valencia de la región ‘p’. Estas transiciones tienen como resultado la producción de fotones de luz, la cual se verá amplificada gracias a la cavidad resonante. En este trabajo hablaremos de uno de los tratamientos más recientes dentro del mundo de la medicina, la terapia láser de baja potencia o de láser frío. Consiste en aplicar una dosis de luz infrarroja sobre un tejido dañado con el objetivo de acelerar la recuperación. El hecho de emplear luz infrarroja se debe a la elección de la longitud de onda más óptima para el tratamiento. Puesto que la reacción generada por la terapia tiene lugar a nivel celular, es necesario que el haz de luz atraviese una serie de capas de la piel para alcanzar dicho nivel. Esto se consigue gracias a una longitud de onda cuyo valor se encuentra en el intervalo de 600 nm a 1300 nm, el cual se conoce como ventana óptica. 13 Dicho tratamiento, al contrario que muchos otros que emplean luz láser, no aplica calor sobre la región tratada. Su efectividad se debe a una serie de procesos, principalmente fotoquímicos, en los que las células reactivan ciertos procesos mitocondriales restaurando los niveles de producción de la molécula ATP, lo cual provoca una reacción en cadena que permite a la célula dañada obtener más energía acelerando el proceso de recuperación del tejido. Existe todo un estudio y un proceso detrás del cálculo de la dosis a aplicar. Dada la peligrosidad de los dispositivos empleados durante la terapia, la dosificación debe realizarse conociendo cada parámetro implicado en ella, véase la densidad de potencia transmitida, el tiempo durante el que se aplica la dosis, la densidad de energía necesaria para cada tipo de lesión…, de lo contrario existe el riesgo de provocar daños superficiales en el paciente. Por último, cabe destacar las diferentes formas que existen a la hora de aplicar la dosis sobre la zona de la lesión. Podemos encontrar una clara clasificación dentro del modo de aplicación, por un lado tenemos la radiación puntual, en la cual se aplica la dosis con el dispositivo pegado de manera directa a cada uno de los puntos que se encuentran dentro de la zona a tratar y por otro lado podemos emplear la radiación zonal, ésta se diferencia de la puntual en la colocación del dispositivo en el momento de la dosis, ya que en este caso se encuentra a una determinada distancia de la zona lesionada. Como ventaja podemos resaltar que la zona de acción para la radiación zonal es más grande, pero eso supone la desventaja de ver reducida la densidad de energía aplicada en dicha región. No existe una forma que sea mejor que la otra, cada lesión y cada paciente requiere una dosis diferente y el tipo de radiación que se emplee dependerá de esa información. En todas ellas, lo más importante es mantener la relación de 90º entre la región tratada y el haz de luz, con el fin de evitar las pérdidas por reflexión. A la hora de diseñar un dispositivo como el que se emplea en esta terapia, contamos con una gran variedad de componentes entre los que elegir. En este trabajo se ha realizado dicha selección buscando siempre simplificar, en la medida de lo posible, el montaje. Un requisito prácticamente indispensable ha sido la compatibilidad con el estándar I2C. 14 Dicho protocolo permite reducir sustancialmente el cableado de todo el dispositivo, ya que solo requiere dos conexiones para la transmisión de información. Por un lado se envía la señal de reloj (SCL) que permite sincronizar todos los componentes conectados al mismo bus I2C y por otro lado, se envía la información (SDA) al módulo que indiquemos en la dirección. El formato de los datos enviados tiene una estructura muy simple: En primer lugar es necesario que tanto el bit SDA como el bit SCL se encuentren en nivel alto para iniciar la comunicación. Los 7 primeros bits determinan la dirección del módulo con el que se establece la comunicación. Inmediatamente después de la dirección se envía el bit que determina la acción a realizar (lectura o escritura). A continuación se envían todos los bits de información en bloques de 8 bits. Tras cada bloque de 8 bits se intercambian mensajes de validación (ACK o NACK) para confirmar que la comunicación es correcta. Dada la necesidad que existe de controlar la potencia óptica dosificada sobre el paciente, así como el tiempo de dosificación, el dispositivo cuenta con un microcontrolador, el cual, mediante código, dirigirá todas las funcionalidades necesarias como son, controlar el nivel de potencia seleccionado, activar el temporizador o enviar al display dicha información. Para desempeñar esta tarea, se ha optado por el microcontrolador ATmega328P, cuya compatibilidad con el protocolo I2C, entre otras características, lo hacen especialmente atractivo para este proyecto. Para tener un control visual sobre los valores que se otorgan a ciertos parámetros, es conveniente añadir un display. Para el dispositivo se ha elegido una pantalla de cristal líquido cuyo consumo es inferior al de otros muchos dispositivos similares. En el caso de querer realizar un registro de cada una de las sesiones realizadas, directamente desde el dispositivo, existe un módulo que desempeña de manera bastante eficiente esa tarea, es el RTC (Real Time Clock). Uno de los modelos más habituales es el DS1307, el cual realiza la comunicación a través del protocolo I2C. 15 Por último se añade un diseño del circuito necesario tanto para emitir el haz láser como para medir la potencia emitida por el dispositivo. El componente principal del circuito emisor es una matriz de diodos láser encargada de transmitir una densidad de potencia, la cual está regulada por la señal PWM enviada por el microcontrolador. Actuando como un interruptor, se añade un transistor N MOSFET, que se comportará como un conductor mientras que la tensión de la puerta sea inferior a la tensión umbral La señal PWM del microcontrolador es un tren de pulsos con valores que varian de 0 a 5 V, sin embargo, debido a la elevada velocidad con la que se mueven dichos pulsos, el resultado será una tensión continua calculada a partir del promedio de la señal. Dicha tensión será la encargada de regular la potencia transmitida. En el caso del circuito receptor se emplea un fotodiodo, ya que se trata de un componente capaz de transmitir una corriente en función de la potencia óptica que incide sobre él, lo que nos permite evaluar numéricamente la densidad de energía aplicada sobre toda la superficie sensible del fotodiodo. En el trabajo encontraremos un desarrollo más extendido de cada uno de estos componentes. Dado el riesgo que supone para la salud el uso de este tipo de instrumentos, existe una normativa UNE-EN 60825-1/A2:2015 que regula y clasifica los diferentes dispositivos así como el etiquetado que debe acompañar a cada uno de ellos, con el objetivo de informar al posible usuario de las propiedades más importantes y de los potenciales peligros que puede conllevar el uso de artilugios de estas características. Todo este tema se trata dentro del capítulo del marco regulatorio. Por último cabe decir que muchas de las lesiones que tienen tratamiento con la terapia de láser frío, se encuentran actualmente siendo tratadas mediante medicamentos más nocivos para la salud. Por ello, la introducción de un dispositivo de estas características en la sociedad actual puede afectar a las empresas encargadas de comercializar con dichos fármacos. 16 2. Introducción 2.1 Descripción del proyecto En este proyecto se pretende realizar un diseño de un dispositivo láser como el que se viene empleando en la actualidad en la terapia láser de baja potencia. Para ello se comienza realizando un estudio extenso de la tecnología láser con el fin de adquirir todos los conocimientos necesarios para poder entender la tecnología con la que se está trabajando. Este estudio comienza con lo más básico, como es la definición de luz, y trata de explicar de la forma más clara posible los diferentes procesos que desembocan en la generación del haz de luz láser. Se lleva a cabo una introducción al tratamiento médico conocido como terapia láser de baja potencia o de láser frío, en la que se comentan todos los tipos de efecto que produce sobre nuestro cuerpo y el porqué es un tratamiento tan efectivo a la hora de curar sobre todo lesiones musculares. Se citan los diferentes términos con los que tratamos dentro de esta terapia acompañados de una breve explicación que ayude a entenderlos. También, se estudia un dispositivo láser de baja potencia empleado en la terapia de láser frío. En dicho estudio encontraremos todos los materiales requeridos a la hora de fabricar dicho dispositivo así como una explicación de cada uno de ellos, incluyendo conexiones. Y además una breve explicación sobre algunos detalles importantes en la programación requerida por este dispositivo. En el capítulo 8 se habla de marco regulador, donde podemos en el que se comenta la normativa que atañen a este proyecto. Dichas normativas establecen una clasificación para los dispositivos láseres en función del riesgo que supone usarlos. En el capítulo 9 se aporta un presupuesto aproximado de los componentes que se necesitarán para llevar a cabo la fabricación del dispositivo láser, así como el posible impacto, a nivel económico, de la introducción del dispositivo en la sociedad actual. 17 2.2 Objetivos Con este proyecto se espera principalmente adquirir los conocimientos necesarios para implementar el diseño, tanto de hardware como de software, de un dispositivo capaz de emitir un haz de luz láser con unas propiedades determinadas por las necesidades requeridas en la terapia láser de baja potencia. Además, por la necesidad de entender bien el funcionamiento del dispositivo, se estudiará a fondo la luz láser con todas sus propiedades y aplicaciones. Por último se pretende conocer algunas de las características del novedoso tratamiento fisioterapéutico conocido como terapia láser de baja potencia. 2.3 Estado del arte Desde que, en 1917, Albert Einstein presentó al mundo su estudio sobre los procesos involucrados en la emisión de luz láser, se han realizado una gran cantidad de investigaciones siguiendo las bases establecidas por dicho estudio. Hasta que en 1960 se alcanzó el objetivo perseguido por muchos durante tantos años, se construyó el primer láser operativo. A partir de entonces no han cesado las investigaciones sobre la tecnología láser, encontrándose ésta en auge y abriendo un gran abanico de posibles estudios dada la cantidad de aplicaciones que se le intuye. Dentro de la sociedad actual podemos encontrarla en numerosos sectores, siendo la industria y la medicina los más destacables. En el mundo de la medicina, los dispositivos láser suponen un gran atractivo dada su magnífica precisión y la habilidad de curar determinadas lesiones sin necesidad de realizar ninguna operación demasiado invasiva. En algunos campos de la medicina, el láser se encuentra completamente integrado, como por ejemplo la cirugía o dermatología. También podemos encontrar dispositivos láser en tratamientos de belleza como la depilación láser o en tratamientos capilares. Sin embargo, en la rama de fisioterapia, el uso de láseres de baja potencia para tratar diferentes patologías se encuentra todavía bajo estudio y existe una parte de la población que aún se muestra escéptica ante este tipo de tratamientos, pero cada vez 18 aparecen más estudios que demuestran la efectividad de terapias que emplean dispositivos láseres y que arrojan algo más de luz a esta tecnología. El primer láser en llegar al campo de la medicina posee unas propiedades similares al que se estudia en este proyecto, dicho láser es el de Helio-Neón, que actualmente se emplea en tratamientos de belleza dada su longitud de onda (633 nm) y los efectos que genera, como por ejemplo el aumento de colágeno en la piel. Este dispositivo emplea una tecnología diferente, ya que su medio activo no se compone de diodos semiconductores, si no que está formado por un conjunto de elementos gaseosos. Con el paso del tiempo fueron apareciendo más dispositivos láser que actualmente se encuentran totalmente integrados en aplicaciones como el corte y la coagulación de ciertas heridas, algunos de ellos son el láser de rubí o el de 𝐶𝑂2. Otros sistemas con los que podemos toparnos, son los sistemas de luz pulsada intensa (IPL), que aunque pueden llegar a generar efectos similares a otros dispositivos láser, no emite un haz de luz láser propiamente dicho, si no que emite una señal con un ancho de banda un poco mayor, lo que le dota de otras muchas aplicaciones en términos de fototerapia. Cabe destacar que en la actualidad los diodos láser suponen la vía más segura dentro de la tecnología láser, por ello nos encontrarnos prácticamente rodeados por este tipo de dispositivos. 19 3. Tecnología Láser 3.1 Definición del láser Sin duda alguna, la mejor forma de definir la luz láser la encontramos en la propia palabra, pues se trata de un acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, en español, Amplificación de Luz mediante Emisión Simulada de Radiación. Cada una de las partes de este acrónimo aporta algo de información sobre la naturaleza intrínseca y el comportamiento de un haz de luz láser. En primer lugar, un láser es luz, y como tal, se define como una onda electromagnética. Una onda no es más que una perturbación que transporta una cierta cantidad de energía propagándose a lo largo de un determinado espacio. Al tratarse de luz, dicho espacio se compone tanto de campo magnético como eléctrico. Una onda cuenta con una serie de características intrínsecas que la definen y que podemos ver representadas en la figura 2. Figura 1: Características de una onda Por un lado, entregándonos información sobre la cantidad de energía que transporta, tenemos la amplitud de la onda. A continuación podemos apreciar el período, o lo que es lo mismo, el tiempo que tarda la onda en realizar un ciclo completo, dicha magnitud es la inversa de la frecuencia. 20 Relacionada de manera directamente proporcional al período podemos encontrar la longitud de onda, la cual se define como la cantidad de espacio recorrido por la onda al completar un ciclo completo. La fórmula correspondiente a este último parámetro es la siguiente: 𝜈 (1) 𝜆 = =𝜈∗𝑇 𝑓 Podemos apreciar como longitud de onda y frecuencia son magnitudes inversamente proporcionales, es decir, a una longitud de onda grande le corresponde un valor de frecuencia pequeño y viceversa. El hecho de tratarse de una onda electromagnética implica dos cosas, por un lado, que no necesita ningún medio para poder propagarse, es decir, puede transmitirse a través del vacío, y por otro lado, que la energía que transmite una onda electromagnética guarda una relación de proporcionalidad directa con el parámetro de la frecuencia, es decir, cuanto mayor es la frecuencia, mayor será la energía transmitida.A continuación se observan algunos ejemplos cotidianos de ondas electromagnéticas relacionadas con su frecuencia. Figura 2: Representación de diferentes ondas electromagnéticas en función de lambda 21 3.2 Características luz láser La elección de la luz láser para este tipo de terapia se debe a una serie de características que diferencian el haz de luz láser de cualquier otro tipo de onda electromagnética. El éxito de esta terapia, tanto en el alivio como en la total recuperación de las lesiones, depende de manera directa de dichas propiedades, las cuales se enumeran a continuación: Se trata de una luz monocromática. Al contrario, por ejemplo, que la luz solar, la cual cuenta con varias longitudes de onda, un haz de luz láser tiene una única longitud de onda, cuyo valor determinará el color de dicho haz. Esta cromaticidad dependerá en gran medida del material utilizado. Figura 3: Diferencia de cromaticidad entre luz láser y luz blanca Desde el punto de vista físico, las ondas de un haz de luz láser se caracterizan por tener una cierta coherencia, esto significa que todos los fotones u ondas luminosas inciden con la misma fase, amplitud y frecuencia sobre la zona afectada. El hecho de encontrarse en fase da lugar a un acoplamiento entre todas las ondas de luz generadas por nuestro dispositivo láser. Figura 4: Diferencia entre luz coherente e incoherente 22 Otra característica de gran importancia en el tratamiento de lesiones con este dispositivo es la direccionalidad de la luz láser, otorgándole a este tipo de luz el adjetivo de colimada. Esto implica que el haz de luz es capaz de alcanzar grandes distancias sin divergir en exceso, dicha cualidad es causa directa de la cavidad resonante y nos permite actuar sobre el área dañada sin entrar en contacto con zonas de alrededor, aumentando de este modo la seguridad de nuestro dispositivo. Figura 5: Direccionalidad en luz láser y en luz blanca 3.3 Principio de emisión A nivel atómico la emisión de luz láser se produce debido a la transición de electrones en el interior del material que actúa como emisor, más específicamente, en el interior de sus átomos. Para simplificar la idea lo máximo posible vamos a centrarnos en un solo átomo compuesto por el núcleo, que a su vez estará formado por protones y neutrones (irrelevantes en el proceso de emisión), y electrones que se encontrarán orbitando alrededor de dicho núcleo [Figura 6]. Figura 6: Representación simplificada de un átomo 23 En la figura 6 podemos apreciar dos órbitas (E1 y E2) entre las cuales se moverá el electrón. Es importante saber que cada una de estas órbitas supone un nivel de energía, siendo éste mayor a medida que nos alejamos del núcleo, es decir, la órbita E1 se encuentra en un nivel de energía inferior a E2. Para explicar la emisión de luz láser vamos a suponer que el electrón se encuentra en un estado de mínima energía, el cual se conoce como estado fundamental [Figura 7]. Figura 7: Representación de los posibles estados de un electrón Partiendo de la situación planteada anteriormente se explican a continuación los cuatro procesos principales que están relacionados con la generación de luz: Absorción Cuando el átomo absorbe algo de energía ya sea eléctrica o producida por destellos luminosos, se produce la transición del electrón a su estado excitado, es decir, de mayor energía. El hecho de tratarse de órbitas cuantizadas limita la cantidad de ellas que pueden existir, por lo que la energía necesaria para que exista esta transición debe ser equivalente a la diferencia existente entre los niveles de energía por los que se mueve el electrón. Este proceso se conoce también como bombeo de excitación y se emplea actualmente en dispositivos como fotodiodos y células solares. Si la energía absorbida proviene de una radiación electromagnética se denomina bombeo óptico. 24 Figura 8: Proceso de absorción Emisión espontánea Tras un ciclo de bombeo de excitación, si el átomo no recibe más energía, el electrón tiende a regresar del estado de excitación en el que se encuentra al estado de mínima energía o estado fundamental. En este salto el átomo libera una cantidad de energía igual a la diferencia de nivel entre las órbitas, es decir, libera toda la energía que fue absorbida en el proceso anterior. La energía liberada se transmite en forma de fotón de energía. Este proceso se da en los dispositivos LEDs y la luz que se genera se considera incoherente, en otras palabras, tanto frecuencia como fase son aleatorias. Por otro lado, la luz sí que se encuentra en una zona concreta del espectro. Figura 9: Proceso de emisión espontánea 25 Emisión estimulada Por el contrario si tras un proceso de absorción, cuando el electrón se encuentra en un estado excitado, se aplica una determinada energía sobre el átomo (equivalente a la diferencia de energía entre las órbitas), se obtendrá como resultado un fotón con unas características idénticas al fotón de energía incidente (misma energía, longitud de onda y fase), todo gracias al proceso de desexcitación. En resumen, tras absorber una cantidad de energía el electrón volverá al estado fundamental generando esa misma cantidad. Gracias a la suma que se produce de las radiaciones existentes (la incidente y la creada por el átomo), el efecto que obtenemos es comparable al de amplificar la luz que ha dado lugar al proceso. La luz generada es coherente y por ello se emplea con el fin de generar luz láser. Figura 10: Proceso de emisión estimulada Inversión de población Existen ciertas sustancias que cuentan con una configuración electrónica muy concreta, la cual permite que tenga lugar un cuarto proceso conocido como inversión de población. Las características de dicha estructura son: La sustancia o compuesto debe tener mínimo 3 niveles de energía entre los cuales no exista mucha diferencia y que a medida que nos alejamos del núcleo cuenten con mayor energía. También es importante que una de las órbitas o niveles sea fácilmente alcanzable, es decir, los electrones de otros niveles tiene que poder transmitirse a dicho nivel sin mayor dificultad. Dos de los tres niveles que tendrá como mínimo nuestro compuesto deben estar relacionados por una probabilidad bastante elevada de transición de electrones debida a lo que conocemos como emisión espontánea 26 Por último es necesario que el nivel intermedio pueda considerarse metaestable, esto significa que los electrones ya excitados que se encuentren en dicho nivel, tardarán más tiempo en desexcitarse y por lo tanto bajar a un nivel inferior. El proceso de inversión de población tiene lugar en este nivel intermedio (metaestable), el cual cuenta con una cantidad de electrones superior a la existente en niveles inferiores. Gracias a ello la emisión estimulada típica de los electrones excitados se produce con mayor frecuencia dando lugar a una gran cantidad de fotones de luz coherente. Este último proceso es la clave a la hora de generar luz láser. 3.4 Estructura básica Cualquier tipo de dispositivo láser cuenta con tres componentes fundamentales y de vital importancia a la hora de su fabricación: Sistema de bombeo. Tiene la labor de excitar el medio activo con el objetivo de generar las transiciones de los electrones que darán lugar al proceso de inversión de población necesario para conseguir un haz de luz láser sostenido. En función del medio activo que tenga el dispositivo, se emplearán diferentes fuentes para conseguir la excitación necesaria. Cavidad resonante. La radiación emitida por el sistema de bombeo genera dentro de esta cavidad ondas estacionarias debido a las múltiples reflexiones que sufre la luz en su interior, con cada una de las cuales y gracias a la emisión estimulada se amplifica dicha radiación hasta que finalmente se transmite. Dichas reflexiones se producen gracias a dos espejos: Espejo perfecto: refleja toda la luz que incide sobre él. Espejo semitransparente: tiene un coeficiente de reflexión muy elevado (refleja alrededor del 95% de la luz incidente), pero deja pasar parte de la radiación que finalmente será lo que consideramos el haz de luz láser. 27 Los espejos se consideran mecanismos de realimentación dado que gracias a las reflexiones que éstos generan, la luz atraviesa repetidamente el medio activo dando lugar a la emisión estimulada que originará el efecto amplificador deseado en un dispositivo láser. A su vez, el espejo semitransparente se denomina también acoplador de salida, ya que es el encargado de permitir que una pequeña parte de la radiación generada se propague al exterior en lo que denominamos haz láser. Medio activo. Se trata de una sustancia con una determinada configuración electrónica y es el encargado de producir el efecto de amplificación de la luz. Pero para ello es necesario que existan más electrones en estado excitado que en estado fundamental, es decir, es necesaria la situación de inversión de población. Durante este proceso los electrones excitados que se encuentren en niveles de energía intermedios, permanecerán en ese estado durante más tiempo permitiendo así una emisión láser continua. La configuración electrónica del material empleado determinará la frecuencia de dicha emisión láser, es decir, la longitud de onda que obtenemos a la salida dependerá directamente de la distancia entre los diferentes niveles de energía que conformen el medio activo del dispositivo. Figura 11: Componentes de un láser 28 3.5 Clasificación de dispositivos láser Cuando hablamos de un dispositivo láser hablamos de un instrumento que cuenta con numerosas características o cualidades que lo hacen realmente útil en muchos campos de la sociedad actual. Gracias a dichas características se han conseguido establecer ciertos criterios con el fin de poder catalogar cada uno de los dispositivos y crear así una clasificación. A continuación enumeramos cuatro parámetros existentes en todos los dispositivos láser y que en función de los cuales podemos dividirlos en diferentes subtipos. Un parámetro de gran importancia es el medio activo empleado a la hora de transmitir el haz de luz láser. En función de dicho medio podemos llegar a establecer hasta cuatro tipos distintos de dispositivo láser: Sólidos: emplean como medio activo un material no conductor cristalino o de vidrio y como fuente de bombeo o excitación se usa generalmente una lámpara estroboscópica. Al tratarse de una configuración electrónica de tipo cristalina, la emisión es monocromática con una longitud de onda que viene dada por las características de la lámpara que empleamos en el proceso de bombeo. Entre los ejemplos más utilizados cabe destacar el láser de rubí (ƛ = 694.3 nm) y el láser Nd:YAG (ƛ = 1064 nm). Semiconductores: el medio activo se compone de dos capas semiconductoras, una tipo p (disponen de huecos para recibir electrones) y otra tipo n (suministro de electrones). El funcionamiento se basa en la unión de estos dos materiales dando lugar a una transmisión de electrones de una capa a otra emitiendo así una cantidad de energía. En este tipo de dispositivos el haz de luz abarca un cierto rango de longitudes de onda y dispone de una forma rectangular además de una cierta divergencia angular superior a la de otros dispositivos. El ejemplo más conocido es el diodo láser de AsGa (arseniuro de galio) y emite con una longitud de onda entre 630 y 900 nm, pudiendo así emitir tanto en el rango visible (color rojo) como en el infrarrojo. 29 Líquidos: son los dispositivos más complejos de fabricar pero permiten modificar la longitud de onda del haz emitido pudiendo llegar a emitir tanto en ultravioleta como en infrarrojo como en visible. Para crear el medio líquido se emplea una especie de tinte orgánico (principalmente Rodamina 6G) y un solvente líquido (alcohol metílico). Gaseosos: el medio activo se compone de uno o más gases y la excitación o bombeo consiste en un flujo eléctrico generado por una fuente de de alta tensión. Existen numerosas posibilidades a la hora de combinar unos gases con otros y cada una de estas variantes tiene una longitud de onda diferente. Es indispensable que la mezcla de gases se encuentre a presión dentro de la cavidad o recipiente que lo contenga. El principal representante de esta clase el láser de HeNe (Helio y Neón), el cual emite con una longitud de onda próxima a 632 nm. El siguiente parámetro es el tipo de emisión láser. Como se ha explicado anteriormente para obtener el haz de luz láser es necesario excitar de algún modo los electrones de nuestro medio activo. Para ello contamos principalmente con dos técnicas: Excitación eléctrica: en este método se emplea la electricidad como medio para excitar los electrones y se suele ver en dispositivos láseres tanto gaseosos como semiconductores. Básicamente se genera una descarga eléctrica con el fin de dar lugar a una determinada corriente que circulará ya sea por el gas como por el material semiconductor empleado como medio activo. Excitación óptica: emplea como fuente una luz con potencia bastante elevada como por ejemplo lámparas de flash o incluso otro dispositivo láser. Este tipo de excitación podemos encontrarla sobre todo en los dispositivos láser líquidos y en algunos casos de láseres sólidos 30 Ambos modos de excitación pueden dar lugar a dos tipos de emisión diferentes: Emisión continua1: los pulsos emitidos por el dispositivo se repiten con una frecuencia tan elevada que hace imposible distinguir uno del siguiente. La energía que proporciona este tipo de emisión viene caracterizada únicamente por la potencia de emisión, siendo ésta constante en el tiempo. Emisión pulsada: algunos dispositivos cuentan con cierta electrónica que les permite modificar las características de los pulsos emitidos con el fin de obtener la emisión pulsada. En este modo, los pulsos son fácilmente diferenciables y la energía transmitida viene dada por la relación de todas las características medibles del pulso como son la energía transmitida por cada uno de los pulsos, la frecuencia con la que se repiten y el ancho o duración de cada pulso. En función de estas características se pueden diferenciar ciertos modos de emisión: o Superpulsado: cada pulso transmite un poco más de energía superando así el máximo alcanzable por emisión continua. o Gainswitched: la fuente de bombeo se apaga durante periodos de tiempo muy cortos dando lugar a pulsos de menor duración. o Mode-locked: transmite pulsos de energía ultracortos (30 fs - 30 ps) que pueden alcanzar una potencia por encima de la media. Para ello emplea algún tipo de componente óptico, ya sea pasivo o activo. o Q-switched: modificando las pérdidas que se producen en la cavidad del resonador y, por lo tanto, su factor de calidad, se puede obtener un pulso con un pico de potencia muy elevado y una duración de nanosegundos. 1Para poder considerar la emisión como continua es necesario que el tiempo de emisión sea superior a 0,25 segundos (duración del reflejo parpebral) según la normativa UNE EN 60825 31 Por otro lado está la potencia de salida, que quizás sea el parámetro más necesario conocer a la hora de emplear este tipo de utensilios, puesto que cada uno. Podemos encontrar tres tipos diferentes: Baja potencia: no se supera en ningún caso los 2 mW. Media potencia: el valor de la potencia de salida oscila entre 5 y 200 mW. Podemos encontrar dispositivos con esta potencia en tratamientos terapéuticos. Alta potencia: la potencia de salida se sitúa en valores superiores a 1 W. Se emplea sobre todo con fines quirúrgicos. Por último cabe destacar la longitud de onda. Dicha característica nos permite catalogar los dispositivos láser en función del haz de luz que transmiten: Visibles: en general el rango visible supone longitudes de onda entre 390 y 750 nm, aunque existen algunos casos de personas capaces de ver en el rango de 380 hasta 780 nm. Invisibles: longitudes de onda superiores a los 780 nm. 32 4. Tecnología básica de diodo láser El dispositivo que se plantea en este trabajo y que se emplea en la actualidad en tratamientos terapéuticos, cuenta con diodos a la hora de generar el haz de luz láser coherente. Los diodos láser surgieron gracias al estudio continuado de los diodos LED, a pesar de ello existen una gran diferencia entre ambas tecnologías dando lugar a usos bien diferenciados entre ambas. Algunas de las características principales de los diodos láser son: En primer lugar, se trata de un material de bajo coste y abundante en el mercado, comparado con otros componentes electrónicos, lo que lo hace bastante fácil de conseguir. Disponen de una alta eficiencia, no requieren una gran cantidad de corriente para generar un haz de luz láser. Además no se caracterizan por un alto consumo de energía, llegando a poder funcionar con una pequeña batería. Son más pequeños y ligeros que otros dispositivos láser. Se trata de dispositivos muy precisos permitiendo su uso en labores tan delicadas como cirugía ocular o dental. Por último, la luz coherente que emiten es fácilmente modulable con el fin de emplear esta tecnología en el campo de las comunicaciones, aumentando así su catálogo de aplicaciones. Figura 12: Diodo láser 33 4.1 Estructura de un diodo láser Los diodos láser se encuentran en la categoría de semiconductores, es decir, emplean como medio activo un material semiconductor. Dichos materiales se caracterizan por ser completamente aislantes, cuando las temperaturas son mínimas, y por convertirse en muy buenos conductores cuando se eleva la temperatura. Los materiales semiconductores pueden dividirse en intrínsecos (compuesto por un único elemento químico, normalmente germanio o silicio) y extrínsecos, siendo este último el que se utilice en la construcción de los diodos láser. En la figura 13 se muestra la composición de un material semiconductor intrínseco donde se puede apreciar una red cristalina formada por enlaces covalentes, los cuales requieren que cada uno de los átomos cuente con cuatro electrones en el último nivel de energía, o lo que es lo mismo, que sean elementos de valencia 4. Figura 13: Estructura de un semiconductor intrínseco 34 Para obtener un material semiconductor extrínseco es necesario someter a dicho material a un proceso de impurificación, conocido como dopaje, con el objetivo de mejorar las propiedades eléctricas del material (conductividad). El proceso de dopaje estriba en inyectar átomos de un determinado elemento en el interior de un material semiconductor intrínseco, de este modo conseguimos la unión p-n en la que se basa el funcionamiento de los diodos láser. En función del elemento que empleemos durante el proceso de dopaje podemos obtener dos tipos de semiconductor extrínseco: Tipo P: inyectar elementos con tres electrones de valencia, en lugar de los cuatro que podemos ver en los semiconductores intrínsecos, da lugar a una red cristalina en la que se acusa una falta de electrones. Desde el punto de vista energético esto supone un hueco o vacancia positiva la cual aceptará electrones situados fuera de dicha red cristalina. Algunos de los elementos trivalentes que se utilizan con este objetivo son el Boro (B) o el Galio (Ga). Figura 14: Estructura de un semiconductor extrínseco tipo P 35 Tipo N: cuando la unión se realiza inyectando elementos de valencia cinco, el enlace se genera con un exceso de electrones, quedando un electrón libre como se puede apreciar en la figura 15. Dicho electrón se podrá mover con total libertad por toda la red cristalina mejorando la conductividad del enlace. Algunos ejemplos de átomos que podemos emplear con esta finalidad son el antimonio (Sb) o el arsénico (As). Figura 15: Estructura de un semiconductor extrínseco tipo N Una vez se finaliza todo el proceso de dopaje, se unen ambos tipos de semiconductores dando lugar a lo que conocemos como unión o juntura p-n por la que se rige el funcionamiento de los diodos láser. Existen numerosas posibilidades a la hora de realizar dicho enlace entre las cuales destacan: Homounión: se trata de la unión utilizada en los primeros dispositivos láser de semiconductor y consiste en juntar regiones p y n de un mismo material. El resonador o cavidad, necesaria a la hora de generar una cierta realimentación que dé lugar al haz de luz láser, se obtiene gracias a dos espejos semitransparentes. Figura 16: Homoestructura 36 Heterounión: con este enlace se busca generar una guía de onda. Para ello se reduce el tamaño de la zona activa y además se rodea dicha zona con dos materiales químicamente distintos (normalmente GaAlAs y GaAs). La región donde tiene lugar la inversión de población en se encuentra recubierta por un material con mayor gap2y menor índice de refracción, esta zona se conoce como cladding (zona de recubrimiento). La composición química de dichos materiales da lugar a dos situaciones necesarias a la hora de obtener el haz de luz láser: o Confinamiento de portadores, debido a las diferencias energéticas que podemos encontrar entre un material y otro. o Confinamiento de fotones, gracias a las diferencias existentes en los índices de refracción de la zona de recubrimiento y la zona activa. Se obtiene la guía de onda. Figura 17: Heteroestructura Algunas de las otras posibles estructuras que podemos encontrar son: Doble heterounión: el almacenamiento de fotones en la zona activa se considera adecuado para las dos caras del plano perpendicular, a diferencia de la heterounión simple, donde el confinamiento solo es bueno en una de las caras. Figura 18: Doble heteroestructura 2gap: diferencia de nivel energético entre la banda de conducción y la banda de valencia. 37 Línea basada en la ganancia: su construcción es la más simple, pero dada la inexistencia de ningún tipo de guía en la zona activa obtenemos lo que se conoce como spreading (corriente esparcida) dando lugar a un haz de luz inestable. Figura 19: Estructura basada en ganancia Heterounión enterrada: otorgan los mejores resultados pero como contrapartida cuentan con la fabricación más compleja Figura 20: Estructura basada en indices de refracción 4.2 Configuración electrónica Para entender el funcionamiento de estos dispositivos, es necesario conocer la distribución energética de la estructura formada por los materiales semiconductores. En primer lugar tenemos una disposición en bandas, entre las que se moverán los electrones generando los fotones necesarios para la emisión de luz. Dichas bandas se encuentran separadas por una brecha de energía (gap) que será mayor en función del tipo de material que empleemos (Aislante>Semiconductor>Conductor). La configuración de un material semiconductor, que no ha sido sometido al proceso de dopaje, es la siguiente: 38 Figura 21: Representación energética Tras el proceso de dopaje, obtenemos las regiones tipo p y tipo n cada una con una estructura similar a la anterior. Además, como se explicó anteriormente, en la región tipo p abundan los huecos mientras que en la tipo n son los electrones los que se encuentran en superioridad. Figura 22: Configuración electrónica de unión p-n 4.3 Principio de emisión Con el objetivo de obtener la emisión de luz, aplicamos un determinado voltaje a la unión. Con ello conseguimos que los electrones que se encuentran en exceso en la banda de conducción de la región “n” se transmitan a la banda de valencia de la región “p” donde ocuparán los huecos existentes, dando lugar a un suceso conocido como proceso de recombinación del que obtenemos como resultado la emisión de fotones. Debido a la cavidad resonante, y a la amplificación que ésta produce, tiene lugar un proceso análogo a la emisión estimulada de otros tipos de láseres. El voltaje puede aplicarse de dos maneras diferentes: 39 Polarizado hacia delante. o La conexión se realiza uniendo la región “n” con el polo negativo y la región “p” con el positivo. o El voltaje debe aplicarse de este modo si se desea obtener emisión láser. Polarizado inverso. o Se conecta el polo positivo a la región “n” y el negativo a la región “p”. o Dicha conexión provoca el aumento del potencial energético entre las dos regiones dificultando, e incluso eliminando, la posibilidad de transmitir electrones de una región a otra, y por lo tanto, la emisión de fotones. 4.4 Perfil de radiación de un diodo láser Este tipo de uniones genera una radiación altamente asimétrica (forma elíptica). Encontramos una mayor divergencia del haz en la dirección perpendicular a la unión donde se pueden alcanzar hasta los 50º de ancho. Sin embargo, en la dirección paralela a la unión, el valor máximo de dicho ancho no suele superar los 15º. Figura 23: Radiación láser 40 5. Terapia láser de baja potencia La terapia de láser frío, o de baja potencia, tuvo su origen en 1967, cuando un estudiante de la Universidad de Semmelweis, Endre Mester, utilizó un grupo de ratones con cáncer de piel para realizar sobre ellos una serie de experimentos con el fin de poder observar los efectos que tiene el láser de baja potencia en esta enfermedad. Tras el tratamiento pudo apreciar cómo el grupo que había recibido la terapia había experimentado un crecimiento del cabello mucho mayor que el grupo contrario, dejando muestra de la efectividad de este tipo de terapia en la reactivación de ciertos procesos en el interior de las células de nuestro organismo. A lo largo de los últimos años, la tecnología láser ha ido aumentando su presencia en la medicina moderna, aplicándose en una gran cantidad de ramas, como pueden ser la oftalmología, dermatología o incluso en algunas cirugías. Este hecho se debe en gran parte al radio de acción de un haz láser, siendo éste muy selectivo, permitiendo así actuar de manera precisa sobre la lesión reduciendo al mínimo los daños infringidos sobre los tejidos adyacentes. La terapia láser de baja potencia, también denominada por sus siglas en inglés LLLT (Low Level Laser Therapy), consiste en aplicar un haz de luz láser sobre cualquier zona del cuerpo afectada por una patología ya sea osteoarticular, muscular, tendinosa o ligamentosa, con el fin de estimular la regeneración del tejido, disminuir el posible hinchazón y hacer desaparecer el dolor. Esta terapia emplea dispositivos láser de clase 3B según la normativa UNE EN 60825, actualizada por última vez en el 2015. En algunos estudios encontramos que se habla de esta terapia bajo el nombre de terapia de láser frío. Esto se debe únicamente al hecho de que la potencia transmitida por el dispositivo láser empleado es tan baja que no llega a producir ninguna reacción térmica, siempre y cuando el tiempo de irradiación se encuentre entre unos límites, es por ello que, a diferencia de otros tratamientos médicos que emplean luz láser, el éxito de la terapia no se debe a la aplicación de calor sobre la zona dañada, si no que se trata de un mecanismo algo más complicado y que hoy en día sigue sin conocerse en su totalidad, generando escepticismo en algunos casos, pero que cada vez son más los estudios que verifican la validez de este tratamiento. 41 5.1 Fundamentos biológicos La célula es la base de todo organismo vivo, siendo el elemento más pequeño del cuerpo humano, con autonomía a la hora de desarrollar sus diferentes funciones. Dependiendo de su estructura podemos encontrar células procariotas y eucariotas. Dentro de esta distinción podemos afirmar que la célula eucariota tiene una complejidad mucho mayor. Su principal característica es su núcleo bien diferenciado gracias a una membrana nuclear que lo separa del citoplasma, el cual cuenta con un amplio número de orgánulos celulares. Cada uno de estos orgánulos cuenta con una función necesaria para el buen desarrollo de nuestro organismo. Debido a la labor desempeñada en el interior de la célula, podemos asegurar que uno de los orgánulos de mayor importancia es la mitocondria. A partir de la oxidación o extracción de electrones de ciertos nutrientes, como pueden ser los denominados carburantes metabólicos (glucosa, ácidos grasos y aminoácidos), la mitocondria se ve envuelta en un proceso exergónico que da como resultado una gran cantidad de energía. Figura 24: Organización interna de la célula Una parte de dicha energía tendrá como objetivo iniciar un proceso de fosforilación de las moléculas ADP, dando lugar a una molécula de gran relevancia en el transporte de energía en el interior de las células, el ATP o adenosina trifosfato. Dicha fosforilación puede tener lugar a nivel enzimático (fosforilación a nivel de sustrato), pero el uso más eficiente para la energía liberada por los procesos mitocondriales estriba en suministrar los electrones, procedentes del proceso de oxidación, a la cadena de transporte existente en toda célula, en lo que conocemos como respiración celular. Dichos electrones, mediante el movimiento en el interior de 42 la cadena de transporte, generan la energía que da lugar a la molécula ATP. Por otro lado, se encargan de reducir la cantidad de oxígeno con el objetivo de crear moléculas de agua. Todo este proceso se denomina fosforilación oxidativa. El ATP es la molécula encargada tanto del transporte como de la posterior liberación de energía necesaria para los diversos procesos químicos enzimáticos que se dan en el interior de las células. Entre otras muchas funciones, el ATP controlará la respuesta fisiológica del organismo ante los posibles traumas o lesiones que pueda sufrir nuestro aparato locomotor. Esta última función es de gran interés a la hora de estudiar el uso de dispositivos láser de baja potencia en tratamientos fisioterapéuticos. Existen numerosos agentes que pueden dar lugar a una lesión celular, algunos de los cuales se nombran a continuación: Hipoxia provocada por una insuficiencia cardiorespiratoria. Agentes físicos, como puede ser el caso de traumatismos o exposición a unas temperaturas extremas. También pueden tener su origen en la propia genética de la persona. Problemas alimenticios que originen la falta de algunos de los nutrientes más importantes como por ejemplo vitaminas o proteínas. Por último, el propio envejecimiento es unas de las principales causas de lesión celular. En algunos casos la lesión celular puede llegar a provocar daños de mayor gravedad tachando dicha lesión de irreversible, llegando a originar la muerte de la célula, ya sea por necrosis como apoptosis. Pero en este trabajo nos centraremos las lesiones que sí tienen tratamiento, conocidas como reversibles. Para empezar es importante conocer los efectos que tienen lugar en nuestro organismo cada vez que nuestro cuerpo sufre una lesión celular, provocada por cualquiera de las causas citadas anteriormente. A nivel celular podemos hablar de tres características: El proceso de fosforilación oxidativa se ve claramente reducido originando una cantidad de energía inferior. 43 La producción de moléculas ATP disminuye drásticamente, provocando una reacción en cadena muy negativa desde el punto de vista de la rehabilitación, ya que las células dañadas recibirán una cantidad de energía mucho menor a la que realmente necesitan, retrasando de este modo cualquier tipo de recuperación. Por último, aparece un ligero hinchazón en la célula conocido como tumefacción. Éste viene provocado de manera indirecta por la reducción del proceso de oxidación oxidativa, ya que el número de electrones desplazados durante este proceso también disminuye dando lugar a cambios en la concentración de elementos iónicos que desembocan en la nombrada tumefacción. Como su propio nombre indica, las lesiones reversibles pueden desaparecer si se consigue eliminar o contrarrestar el estímulo que las ha provocado. Se han realizado numerosos estudios sobre el uso de luz láser de baja potencia con el fin de revertir este daño, obteniendo unos resultados bastante positivos. Para obtener los objetivos esperados es necesario seguir una serie de reglas de las que hablaremos en mayor medida más adelante. Algunos de los términos de mayor importancia en el campo de la terapia láser son: Frecuencia o longitud de onda seleccionada correctamente. Dosificación, donde podemos hablar de tres parámetros: o Densidad de potencia suministrada. o Tiempo de exposición. o Densidad de energía absorbida. Esta terapia, a pesar de emplear luz láser, no consiste en generar un efecto térmico para contrarrestar todos los problemas citados anteriormente, sino que se trata de un proceso de fotobiomodulación mediante el cual se reactivan las células dañadas de modo que las mitocondrias vuelvan a los niveles habituales de producción de ATP haciendo que todo se equilibre y regrese a la normalidad con mayor rapidez. 44 5.2 Efectos de la terapia láser Efecto biológico o En este sector encontramos mayoritariamente los cambios que podemos apreciar visualmente, una vez que se han recibido algunas sesiones de la terapia. Alguno de los cambios más significativos son: La reducción de hinchazones o la desaparición de edemas. Esto ocurre gracias al estímulo que supone la terapia tanto sobre el flujo sanguíneo como sobre el sistema linfático. En primer lugar, el aumento de velocidad que produce sobre el flujo sanguíneo da lugar a una más efectiva eliminación de líquidos en la zona donde se encuentra la hinchazón. Por otro lado, el organismo reacciona ensanchando los vasos linfáticos permitiendo así eliminar todas las impurezas que provocan los edemas. La cicatrización de las posibles heridas a tratar gracias a una mayor cantidad de colágeno producido por nuestro organismo. o Además, la terapia tiene un efecto similar al de un analgésico contra el dolor. 45 Efecto fotoquímico o Estamos posiblemente ante el efecto más importante y necesario para obtener resultados positivos con la terapia. Cuando una célula resulta dañada ya sea por una infección, lesión o por la propia degeneración de la célula durante un tiempo, las mitocondrias reaccionan produciendo óxido nítrico. Dicho proceso desemboca en la reducción de enzima ATP lo que termina conduciendo a la acumulación de oxígeno y al conocido estrés oxidativo. o El estrés oxidativo podemos encontrarlo en procesos inflamatorios y si no se trata, da lugar a la muerte celular. o La aplicación de una cierta dosis de láser frío o de baja potencia (con la densidad de energía y la longitud de onda correctas) estimula las mitocondrias del interior de las células dando lugar a una mayor producción de la enzima ATP, esencial para el transporte de energía. Gracias a la mayor cantidad disponible de esta enzima, las células pueden hacerse con nutrientes de una manera más rápida reduciendo así dicho estrés oxidativo y dando lugar a una recuperación más temprana. o Otros procesos que podemos observar, dentro del efecto bioquímico, son: Liberación de histamina, serotonina y bradicinina. Síntesis tanto de ADN como de algunas proteínas y enzimas. 46 Efecto fototérmico o Los elementos fotosensibles de la célula reaccionan, ante ciertas longitudes de onda, liberando una cantidad de energía. Por ello se considera un proceso fotoenergético. Efecto fotoeléctrico o La dosis de luz láser recibida da lugar al movimiento del flujo de electrones en el interior de la célula. 5.3 Factores importantes dentro de la LLLT Como cualquier otro tipo de medicación, la terapia láser de bajo nivel cuenta, por un lado con unas pautas médicas a seguir, como son los parámetros de irradiación (longitud de onda, irradiancia, estructura del pulso), y por otro lado con la dosis o tiempo de irradiación. Dichos parámetros de irradiación son intrínsecos de la fuente, y por eso es necesario que el dispositivo utilizado durante la terapia tenga dichos parámetros bien especificados, ya sea en el dorso o en un manual, con el mero objetivo de conseguir que la persona encargada de realizar la terapia tenga a su alcance todos los conocimientos necesarios sobre el dispositivo que se va a emplear. A continuación se enumeran todos los parámetros que es indispensable conocer a la hora de realizar este tipo de terapia: Longitud de onda o Un haz de luz láser se trata de una onda electromagnética y como tal, cuenta con una longitud de onda que determinará la frecuencia y la visibilidad de dicha onda, además de tratarse de un parámetro importante del que dependerá la capacidad de penetración de nuestro haz de luz. 47 o La unidad de medida es nanómetros [nm] y en función de este parámetro podemos dividir la luz en tres tipos: ▪ Ultravioleta: 750 nm o Como se ha comentado anteriormente, la longitud de onda afectará a la penetración que podemos conseguir con el haz láser. Esto ocurre porque cada material, sustancia o tejido posee unas cualidades ópticas propias que lo hacen diferente a la hora de verse traspasado por la luz, es decir, para una misma longitud de onda, existen materiales que absorben más cantidad de energía que otros. Por ello es importante seleccionar correctamente el valor de la longitud de onda con el fin de conseguir llegar a las células dañadas. o La piel se compone, desde el punto de vista biológico, de tres capas: epidermis, dermis y el tejido subcutáneo. Con diferente distribución en cada una de ellas, podemos encontrarnos principalmente con vénulas, capilares y arteriolas. Estos tres elementos son conductos por los que circulará la sangre por todo nuestro cuerpo, teniendo cada uno de ellos, al igual que la propia sangre, unas propiedades ópticas que influyen a la hora de absorber parte de la luz. Además, en el cuerpo humano podemos encontrar grandes cantidades de agua, así como de melanina, siendo dos sustancias con coeficientes de absorción distintos. A continuación se aporta una gráfica en la que podemos encontrar una aproximación del coeficiente de absorción de cada una de las sustancias que tendrá que superar el haz de luz láser junto con cómo afectan las variaciones de longitud de onda a dicho coeficiente. 48 Figura 25: Coeficientes de absorción en función de la longitud de onda o En la figura 25 podemos apreciar que el valor del coeficiente de absorción es mucho menor en el intervalo de longitudes de onda que va desde 600 nm hasta 1300 nm aproximadamente, donde se encuentran los mínimos de dos sustancias como la melanina y la hemoglobina. Este intervalo se conoce como ventana óptica. o Como conclusión se obtiene que la longitud de onda debe estar dentro de dicha ventana óptica si se desea alcanzar la máxima penetración o MED (Maximum Effective Depth). A continuación se muestran los resultados de un estudio realizado en el Centro Wellman para fotomedicina, donde podemos observar la distancia de penetración que se puede conseguir con diferentes longitudes de onda. 49 Figura 26: Penetración de la luz por capas de la piel o Como se puede apreciar en la figura 26, el rango de longitudes de onda entre 780 y 940 nm alcanza la máxima distancia de penetración, dicho rango pertenece a la luz infrarroja dentro del espectro electromagnético. Un dispositivo láser semiconductor que emplea diodos de AsGa es capaz de emitir luz con una longitud de onda centrada en dicho rango, permitiendo alcanzar en ocasiones una penetración de 35 mm. o Entre los inconvenientes de emplear luz infrarroja para la terapia, nos encontramos con un cierto ángulo de dispersión en el haz. 50 Irradiancia o Se emplea para definir la potencia generada por una radiación electromagnética sobre una superficie, también se conoce como densidad de potencia. Para la terapia láser de baja potencia y con el fin de aplicar la dosis de manera correcta, es importante conocer la fórmula que nos permite calcular este parámetro: 𝑊 (2) 𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 [𝑚2 ] = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

Láser para fisioterapia: Aspectos generales para el diseño práctico (TFG)

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