Design and Development of Miniaturized Low-Cost Solutions for a Portable Radio-Frequency Diathermy Device
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Fecha
2018-02
Autores
Corres-Matamoros, Antonio
Título de la revista
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Editor
ITESO
Resumen
Descripción
Radio-frequency diathermy (RFD) is a therapy used in physical rehabilitation to heal muscle and nerve injuries caused by accidents or congenital disorders in people of all ages. By means of heat generated by a non-ionizing electromagnetic radio-frequency field, a greater vascularization of the injured area is produced, which stimulates a quicker and higher-quality scarring process. In Mexico, several factors limit the use of radio frequency diathermy in the physical rehabilitation field. People does not find attractive this therapeutic technique mainly due to: (a) the healing times are long because therapy sessions are applied in intervals largely separated, (b) RFD devices are bulky and very expensive, then patients cannot easily afford them and store them, and (c) its use requires a specialist technician to avoid hurting the patients. A clear need emerges of a low cost, portable, and easy to manage RFD device, which would allow continuously applied RFD treatments, such that the healing of muscle injuries is shorter and of higher quality. In this doctoral thesis, the development of an apparatus with these new features is presented. Initially the design of a prototype for a portable RFD is presented. This prototype is designed and implemented with discrete components to evaluate the effectiveness of continuous rehabilitation treatment. The prototype is validated through a field work according to a medical protocol of physical rehabilitation. Afterwards, and considering the RFD apparatus portability, an integration of the discrete components into a single-chip is implemented, for which a chip in 0.5 µm CMOS technology is presented for a second prototype of an RFD device for physical rehabilitation. This doctoral dissertation starts by making an introduction to RFD, the working principle of this kind of therapy, and the project proposal as a development opportunity in México. Next, the design and validation of a portable radio-frequency diathermy discrete prototype is presented. Afterwards, the design of the programmable oscillator module of the RFD chip, followed by the design of the voltage amplifier module, are described. Finally, the physical design of the RFD chip is presented, including its integration to the pads ring in order to complete the tape-out of the RFD chip. Based on this doctoral thesis, a Mexican patent application has been officially formalized.
La diatermia por radio frecuencia (RFD por sus siglas en inglés) es una terapia usada en rehabilitación física para curar lesiones musculares y nerviosas causadas por accidentes o problemas congénitos en personas de cualquier edad. Por medio del calor generado por un campo electromagnético de radio frecuencia no ionizante, se produce una mayor vascularización en el área lesionada, la cual produce un proceso de cicatrizado más rápido y de mayor calidad. En México, varios factores limitan el uso de la RFD en rehabilitación física. Las personas no encuentran atractivo el uso de este tipo de terapia mayormente porque: (a) los tiempos de curación de lesiones son largos debido a que las sesiones de terapia se aplican en intervalos muy separados, (b) los aparatos de RFD son caros y voluminosos, por lo que los pacientes no pueden comprarlos ni tenerlos en casa, y (c) su uso requiere la ayuda de un técnico especializado para evitar riesgo de daño a los pacientes. Ante estas limitaciones, surge la necesidad de un aparato de RFD portátil, de bajo costo y fácil de manejar, lo que permitiría aplicar tratamientos RFD en forma continua, de modo que la curación de lesiones musculares sea en tiempos más cortos y de mayor calidad. En esta tesis doctoral se presenta el desarrollo de un aparato con estas nuevas características. Inicialmente se presenta el desarrollo de un prototipo de RFD portátil, diseñado e implementado con componentes discretos, con el fin de evaluar la efectividad de un tratamiento continuo de rehabilitación. El prototipo se valida mediante un estudio de campo de acuerdo con el protocolo médico de rehabilitación física. Posteriormente y para facilitar portabilidad del equipo de RFD, se miniaturiza el circuito electrónico mediante la integración de los componentes en un solo chip, para lo cual se realiza el diseño de un chip en tecnología CMOS de 0.5 µm para un segundo prototipo del equipo RFD. En la tesis doctoral propuesta se hace primero una introducción a la RFD, el principio de funcionamiento de este tipo de terapia, y el proyecto propuesto como oportunidad de desarrollo en México. Posteriormente se presenta el diseño y validación del prototipo de RFD con componentes discretos. En seguida se presenta el diseño del módulo oscilador del chip RFD, así como el diseño del módulo amplificador de voltaje. Finalmente, se describe el diseño físico del chip de RFD y su interconexión al anillo de pads para formar el tapeout del chip listo para fabricarse. Con base en esta tesis doctoral, ha sido oficialmente formalizada una solicitud de patente en México.
La diatermia por radio frecuencia (RFD por sus siglas en inglés) es una terapia usada en rehabilitación física para curar lesiones musculares y nerviosas causadas por accidentes o problemas congénitos en personas de cualquier edad. Por medio del calor generado por un campo electromagnético de radio frecuencia no ionizante, se produce una mayor vascularización en el área lesionada, la cual produce un proceso de cicatrizado más rápido y de mayor calidad. En México, varios factores limitan el uso de la RFD en rehabilitación física. Las personas no encuentran atractivo el uso de este tipo de terapia mayormente porque: (a) los tiempos de curación de lesiones son largos debido a que las sesiones de terapia se aplican en intervalos muy separados, (b) los aparatos de RFD son caros y voluminosos, por lo que los pacientes no pueden comprarlos ni tenerlos en casa, y (c) su uso requiere la ayuda de un técnico especializado para evitar riesgo de daño a los pacientes. Ante estas limitaciones, surge la necesidad de un aparato de RFD portátil, de bajo costo y fácil de manejar, lo que permitiría aplicar tratamientos RFD en forma continua, de modo que la curación de lesiones musculares sea en tiempos más cortos y de mayor calidad. En esta tesis doctoral se presenta el desarrollo de un aparato con estas nuevas características. Inicialmente se presenta el desarrollo de un prototipo de RFD portátil, diseñado e implementado con componentes discretos, con el fin de evaluar la efectividad de un tratamiento continuo de rehabilitación. El prototipo se valida mediante un estudio de campo de acuerdo con el protocolo médico de rehabilitación física. Posteriormente y para facilitar portabilidad del equipo de RFD, se miniaturiza el circuito electrónico mediante la integración de los componentes en un solo chip, para lo cual se realiza el diseño de un chip en tecnología CMOS de 0.5 µm para un segundo prototipo del equipo RFD. En la tesis doctoral propuesta se hace primero una introducción a la RFD, el principio de funcionamiento de este tipo de terapia, y el proyecto propuesto como oportunidad de desarrollo en México. Posteriormente se presenta el diseño y validación del prototipo de RFD con componentes discretos. En seguida se presenta el diseño del módulo oscilador del chip RFD, así como el diseño del módulo amplificador de voltaje. Finalmente, se describe el diseño físico del chip de RFD y su interconexión al anillo de pads para formar el tapeout del chip listo para fabricarse. Con base en esta tesis doctoral, ha sido oficialmente formalizada una solicitud de patente en México.
Palabras clave
Radio-frequency Diathermy, CMOS, Portable Radio-frequency Diathermy, Low-frequency Oscillator, Voltage Vontrolled Oscillator
Citación
Corres-Matamoros, A. (2018). Design and Development of Miniaturized Low-cost Solutions for a Portable Radio-frequency Diathermy Device. Tesis de doctorado, Doctorado en Ciencias de la Ingeniería. Tlaquepaque, Jalisco: ITESO.