caracterizaciÓn de estructuras metÁlicas …

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIÓN

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

Trabajo Fin de Grado

CARACTERIZACIÓN DE ESTRUCTURAS METÁLICAS IMPLANTABLES COMO

ANTENAS (Characterization of implantable metal

structures as antennas)

Para acceder al Título de

GRADUADO EN INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES

Autor: Andrés Pariente González Julio - 2018

Andrés Pariente González Caracterización de stents como antenas

1

I. ÍNDICE GENERAL

I. ÍNDICE GENERAL .................................................................................................. 1

II. MEMORIA .............................................................................................................. 6

1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 7

1.1. LA CARDIOPATÍA ISQUÉMICA ............................................................. 7

1.1.1. Epidemiología...................................................................................... 9

1.1.2. Fisiopatología de la aterosclerosis coronaria .................................... 10

1.1.3. Pruebas diagnósticas en la cardiopatía isquémica ............................ 11

1.1.4. Tratamiento de la cardiopatía isquémica estable .............................. 12

1.1.5. La revascularización coronaria por vía percutánea ........................... 13

1.1.6. Perspectivas futuras .......................................................................... 19

1.2. COMUNICACIÓN INALÁMBRICA ........................................................ 20

1.2.1. Tipos de antenas ............................................................................... 22

1.2.2. Parámetros fundamentales de las antenas ....................................... 24

1.2.3. Ecuación de transmisión ................................................................... 28

2. OBJETIVO ..................................................................................................... 31

3. DISEÑO Y FABRICACIÓN CAJA DE FARADAY .......................................... 32

3.1. TEORÍA ................................................................................................ 32

3.2. DISEÑO ................................................................................................ 34

3.3. MONTAJE ............................................................................................ 36

4. MEDIDAS REALIZADAS ............................................................................... 39

4.1. ANTENAS FUERA DEL BANCO DE PRUEBAS .................................. 39

4.2. ANTENA RECEPTORA DENTRO DEL BANCO DE PRUEBAS .......... 45

4.3. ANTENA TRANSMISORA Y RECEPTORA DENTRO DEL BANCO DE

PRUEBAS ......................................................................................................... 48


2

4.4. STENT COMO ANTENA RECEPTORA ............................................... 52

5. CONCLUSIONES .......................................................................................... 57

III. ANEXOS ............................................................................................................. 59

1. CÓDIGO DE MATLAB PARA GRÁFICAS ..................................................... 60

IV. PLANOS ............................................................................................................. 62

V. PLIEGO DE CONDICIONES ............................................................................... 65

1. UTILIZACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS .................................................. 66

2. CONDICIONES LEGALES DEL BANCO DE PRUEBAS .............................. 67

VI. MEDICIONES ..................................................................................................... 68

1. PARTE MECÁNICA ....................................................................................... 69

2. MATERIAL DE MEDIDA ................................................................................ 70

3. MANO DE OBRA ........................................................................................... 71

VII. PRESUPUESTO ................................................................................................ 72

1. PARTE MECÁNICA ....................................................................................... 73

2. MATERIAL DE MEDIDA ................................................................................ 74

3. MANO DE OBRA ........................................................................................... 75

3.1. MANO DE OBRA DIRECTA ................................................................. 75

3.2. MANO DE OBRA INDIRECTA ............................................................. 75

3.3. GASTO SOCIAL ................................................................................... 76

4. PRESUPUESTO TOTAL ............................................................................... 77

VIII. REFERENCIAS ................................................................................................ 78


3

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Inicio, progresión y formación de la placa ateromatosa [10] ..................... 11

Figura 2. Inicio, progresión y formación de la placa ateromatosa (editado de [10]) . 12

Figura 3. Colocación de un stent coronario [12]: (A) stent coronario plegado y

desplegado; (B) técnica de implantación. ................................................................. 16

Figura 4. Concepto de reestenosis intra-stent [12]: (A) Implantación de stent y

crecimiento neointimal que produce una reestenosis; (B) Angiografía de una

reestenosis intra-stent (flecha). ................................................................................ 17

Figura 5. Diagrama conceptual de detección inalámbrica de parámetros vasculares

a través del sensor integrado a un stent [20]. .......................................................... 20

Figura 6. Representación del espectro electromagnético [24]. ................................ 21

Figura 7. Representación de algunos tipos de antenas de hilo [23] ......................... 23

Figura 8. Antena parabólica de foco primario [23] .................................................... 23

Figura 9. Balance de potencia entre dos antenas adaptadas [24] ........................... 29

Figura 10. Antena dipolo omnidireccional ................................................................ 34

Figura 11. CNAF. Banda de frecuencia 862-960 MHz [29] ...................................... 35

Figura 12. Conector BNC hembra-hembra ............................................................... 36

Figura 13. Banco de pruebas sin conectores BNC .................................................. 37

Figura 14. Banco de pruebas terminado .................................................................. 38

Figura 15. Banco de medida .................................................................................... 39

Figura 16. Esquema antenas fuera del banco de pruebas ....................................... 40

Figura 17. Tensión recibida en función de la separación ......................................... 41

Figura 18. Tensión recibida en función de la frecuencia .......................................... 41

Figura 19. Pérdidas en función de la separación ..................................................... 42

Figura 20. Pérdidas en función de la frecuencia ...................................................... 42

Figura 21. Tensión recibida con y sin cable BNC en función de la frecuencia ......... 44

Figura 22. Pérdidas cable BNC en función de la frecuencia .................................... 45

Figura 23. Medidas con ambas antenas fuera del banco de pruebas ...................... 45

Figura 24. Esquema antena receptora dentro del banco de pruebas ...................... 46

Figura 25. Tensión recibida (μVrms) en función de la frecuencia ............................ 47

Figura 26. Pérdidas (dB) en función de la frecuencia............................................... 47

Figura 27. Esquema antenas dentro del banco de pruebas ..................................... 48

Figura 28. Antenas dentro de la caja con puerta abierta .......................................... 49


4

Figura 29. Tensión recibida en función de la separación ......................................... 50

Figura 30. Tensión recibida en función de la frecuencia .......................................... 50



Figura 33. Fotografía del stent utilizado ................................................................... 52

Figura 34. Esquema stent como antena receptora, medidas dentro del banco de

pruebas .................................................................................................................... 52

Figura 35. Stent con resistencia en serie acoplado al conector BNC ....................... 53

Figura 36. Interior del banco de pruebas .................................................................. 53

Figura 37. Tensión recibida por el stent en función de la separación ...................... 54

Figura 38. Tensión recibida por el stent en función de la frecuencia ....................... 55



Figura 41. Tensión recibida en función de la separación a 700 MHz ....................... 57

Figura 42. Tensión recibida en función de la frecuencia a 40 mm de separación .... 58

Figura 43. Banco de pruebas con terminación de 50 Ω ........................................... 66


5

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Especificaciones antena ............................................................................. 34

Tabla 2. Tensión recibida con ambas antenas fuera del banco de pruebas ............ 40

Tabla 3. Tensión recibida según Fórmula de Friis en función de la separación ....... 43

Tabla 4. Tensión recibida según la ecuación de campo cercano para 700 MHz ..... 43

Tabla 5. Pérdidas en el cable ................................................................................... 44

Tabla 6. Tensión recibida (μVrms) con antena receptora dentro de la caja ............. 46

Tabla 7. Tensión recibida (mVrms) con ambas antenas dentro del banco de pruebas

................................................................................................................................. 49

Tabla 8. Medidas con stent como antena receptora ................................................ 54


6

II. MEMORIA


7

1. INTRODUCCIÓN

1.1. LA CARDIOPATÍA ISQUÉMICA

Los factores de riesgo cardiovascular (FRCV) hacen referencia a ciertas

condiciones biológicas o de estilo de vida que incrementan la probabilidad de

padecer una patología a nivel cardiaco o en el árbol vascular. En el corazón, estos

FRCV pueden ocasionar una arteriosclerosis coronaria, comprometiendo el riego

sanguíneo del músculo cardiaco -miocardio-. Es lo que se conoce como cardiopatía

isquémica (CI) o enfermedad isquémica cardiaca, y sus posibles manifestaciones

clínicas son la angina de pecho, el infarto de miocardio (IM) y la muerte súbita.

Los FRCV se dividen en no modificables y potencialmente modificables. Son

FRCV no modificables aquellos sobre los cuales el individuo no tiene influencia

directa y entre ellos encontramos [1]:

• La edad: la CI es menos frecuente antes de los 35 años y va aumentando

para alcanzar el pico máximo pasados los 55 años.

• El sexo: los varones entre 35-44 años pueden sufrir CI en proporción 6 veces

superior a la de la mujer; esta diferencia disminuye con el transcurso del

tiempo, y después de 75 años es sólo 2 veces superior a la mujer.

• Los antecedentes familiares: la incidencia de CI en pacientes

con familiares de 1er grado con antecedentes de esa patología aumenta el

riesgo de padecerla entre 2-11 veces.

Dentro de los FRCV potencialmente modificables, que pueden mejorar con un

adecuado plan terapéutico basado en dieta, ejercicio y medicación, se distinguen los

siguientes [1,2]:

• Hipercolesterolemia o elevación de los niveles plasmáticos de colesterol. En

este caso la relación es directa: cuanto mayores son las cifras de colesterol,

mayor riesgo cardiovascular. La edad reduce el impacto de la

hipercolesterolemia en varones; sin embargo, en los jóvenes el nivel de

colesterol tiene valor predictivo de CI, de modo que un incremento de

36 mg/dL respecto al valor normal (200 mg/dL) representa el riesgo doble de

coronariopatía y de mortalidad cardiovascular en los 30 años siguientes.


8

• La hipertensión arterial (HTA) definida como valores de presión superiores a

140/90 mmHg, es un importante FRCV. El valor predictivo no disminuye con

la edad ni tampoco hay «umbral» por debajo del cual desaparezca por

completo el riesgo. También es fundamental conocer la antigüedad de HTA y

las cifras mantenidas a lo largo del tiempo. El Framingham Heart Study [3]

demostró que los pacientes hipertensos tienen incidencia doble de

complicaciones vasculares (muerte súbita, enfermedad coronaria e IM)

respecto a los individuos de presión arterial normal. Además, los pacientes

hipertensos presentan un riesgo de hemorragia cerebral 4 veces superior al

de la población general.

• El tabaquismo, junto a la hipercolesterolemia y a la HTA, es un FRCV de

primera magnitud. Se relaciona con IM y muerte súbita de forma proporcional

al número de cigarrillos consumidos diariamente [4]. Es responsable de más

del 20% de mortalidad por CI en varones de 65 años y del 45% en hombres

menores 45 años. Cuando se abandona el hábito tabáquico, el riesgo de

enfermedad coronaria desciende el 50% en el primer año y se aproxima al de

los no fumadores al cabo de 20 años.

• La diabetes mellitus (DM) es un predictor de complicaciones cardiovasculares

a cualquier edad. La enfermedad coronaria es más frecuente en los

diabéticos: 2 veces superior en los varones y 3 veces superior en las

mujeres. En general, un 11-13% de los diabéticos presentan afectación de las

arterias coronarias [5]. La enfermedad suele acompañarse de lesiones en

órganos diana (corazón, cerebro, retina y riñón). La DM se asocia con

frecuencia a obesidad, dislipemia y HTA, multiplicando el riesgo

cardiovascular.

• La obesidad central o androide (acúmulo de grasa en abdomen) se asocia a

DM, alteraciones en los lípidos y una mayor morbimortalidad cardiovascular.

El aumento del perímetro abdominal en más de 102 cm para los varones

forma parte del “síndrome metabólico” y conlleva un incremento de riesgo de

enfermedad coronaria [6]. El sedentarismo se ha considerado factor indirecto

de riesgo coronario por favorecer la obesidad. El ejercicio físico regular

disminuye la presión arterial y los triglicéridos, aumenta las protectoras

lipoproteínas de alta densidad (high-density lipoproteins, HDL) y mejora el


9

rendimiento cardíaco. Por esta razón, se recomienda con carácter general

caminar al menos 30 minutos diarios.

• Una alimentación rica en grasas eleva el colesterol plasmático y las nocivas

lipoproteínas de baja densidad (low-density lipoproteins, LDL). Las grasas

saturadas incrementan elevan el colesterol plasmático y las poliinsaturadas lo

disminuyen. Las dietas ricas en hidratos de carbono elevan los triglicéridos

plasmáticos, mientras que las que contienen fibra descienden el colesterol

total entre un 4% y un 10%. La dieta mediterránea ha mostrado efectos

beneficiosos sobre los FRCV.

• Los anticonceptivos orales son un FRCV por aumento de la presión arterial,

agregación plaquetaria y modificación del perfil lipídico. Su uso en mujeres de

40-44 años incrementa 4.7 veces el riesgo de sufrir CI en ausencia de otros

factores de riesgo. En las jóvenes, hay un incremento del riesgo de CI por el

consumo simultáneo de anticonceptivos orales y tabaco [7].

A modo de resumen, los principales FRCV incluyen el HTA, tabaquismo,

hipercolesterolemia, obesidad, DM, sedentarismo, deterioro de la función renal,

edad superior a 55 años en varones y por encima de 65 años en mujeres, e historia

familiar de enfermedad cardiovascular prematura (menores de 55 años en varones y

de 65 años en mujeres).

1.1.1. Epidemiología

Los FRCV y sus patologías asociadas, entre las que destaca la CI, representan el

primer reto de la medicina occidental por delante del cáncer, las infecciones y los

accidentes de tráfico. El coste de las enfermedades isquémicas del corazón, una de

las expresiones más devastadoras de la arteriosclerosis, supera los 2000 millones

de euros anuales en España [1]. En términos de mortalidad, la CI es actualmente la

primera causa de mortalidad y una de las principales causas de discapacidad en el

mundo. En España, la CI es la primera causa específica de mortalidad en varones y

la segunda causa en mujeres, tras los accidentes vasculares cerebrales, y

representa el 9.7% y el 7.4% de la mortalidad total, respectivamente, según los

datos de 2013.


10

En relación al número de casos nuevos por año en la población con la incidencia

de IM, hay una alta variabilidad entre países. En España se encuentra entre las más

bajas del mundo, inferior a la de los países del norte de Europa y EEUU, y similar a

la de otros países mediterráneos del sur de Europa como Francia [8]. La tasa anual

de incidencia acumulada de IM en la población entre 25-74 años es de

aproximadamente 200/100.000 en varones y 50/100.000 en mujeres, con cierta

variabilidad entre regiones y con tendencia a mantenerse estable a lo largo de las

últimas dos décadas. En la población mayor de 75 años, la incidencia es mucho

mayor para ambos sexos, 1500/100.000 y 830/100.000 para varones y mujeres,

respectivamente [8]. Estos datos subrayan la gravedad de la enfermedad y la

importancia de su prevención y detección precoces.

1.1.2. Fisiopatología de la aterosclerosis coronaria

La hipótesis vigente en la actualidad sobre el origen de la aterosclerosis

considera que es una respuesta inflamatoria a diferentes formas de lesión de la

pared del vaso sanguíneo. La alteración del endotelio de la pared vascular se

considera el proceso inicial de la lesión aterosclerótica. El carácter crónico del

proceso inflamatorio conduce a la formación de placas que en fases avanzadas

pueden ocluir las arterias.

La placa aterosclerótica se inicia con una alteración en el endotelio de la pared

vascular, desencadenándose a partir de ese momento una serie de procesos

inflamatorios y de proliferación vascular [1,9] (Figura 1, fase I).

La alteración endotelial facilita el acúmulo de lipoproteínas plasmáticas en la

pared de la arteria coronaria, especialmente LDL. Las LDL retenidas en la pared

sufren procesos de agregación y oxidación, y generan productos con actividad

quimiotáctica, atrayendo monocitos del torrente sanguíneo y células musculares

lisas (CML) de la pared arterial.

Los monocitos son atraídos hacia la pared de los vasos, atraviesan el endotelio y

se diferencian a macrófagos, donde se cargan de lípidos y se transforman en

células espumosas. La acumulación de células espumosas en la íntima produce las

estrías grasas, lesión arteriosclerótica más incipiente según la American Heart

Association (Figura 1, fase III).


11

Figura 1. Inicio, progresión y formación de la placa ateromatosa [10]

Posteriormente, hay una respuesta fibroproliferativa que hace evolucionar la

estría grasa a una placa aterosclerótica más compleja (Figura 1, fase IV). En esta

evolución desempeña un papel clave la proliferación de las CML, que a su vez

sintetizan y secretan proteínas. El tejido conectivo sintetizado por estas células

forma una cubierta fibrosa, que en las lesiones avanzadas recubre el resto de

componentes de la placa. La rotura o ulceración y la erosión de las placas provoca

la formación de trombos, que pueden dar origen a complicaciones clínicas (por

ejemplo, un síndrome coronario agudo) o contribuir al crecimiento de la placa de

forma asintomática (Figura 1, fases V-VII). Un mecanismo adicional que confiere

riesgo de rotura a las placas arterioscleróticas es la génesis de neovasos inestables

que sufren roturas y hemorragias [10].

1.1.3. Pruebas diagnósticas en la cardiopatía isquémica

En la valoración del paciente con cardiopatía isquémica, son útiles el

electrocardiograma, la analítica sanguínea, la ecocardiografía Doppler, la prueba de

esfuerzo asociada a electrocardiografía o a una técnica de imagen (gammagrafía,

ecografía o cardio-resonancia magnética), y la coronariografía. A pesar de la utilidad

de todas ellas en la estratificación del paciente en cuanto a su riesgo coronario, la

coronariografía es la prueba gold standard mediante la cual los clínicos toman la

decisión de revascularización [11].


12

La coronariografía, mediante la inyección de contraste y su visualización

mediante rayos X, permite el análisis de la función ventricular y el conocimiento del

grado y la extensión de las lesiones coronarias (Figura 2). Tiene dos indicaciones

fundamentales: el diagnóstico de la enfermedad en pacientes con clínica sugerente

y pruebas complementarias no concluyentes, y el diagnóstico de la localización y

morfología de las estenosis coronarias en pacientes en los que está indicada la

revascularización por no responder al tratamiento médico o tener signos clínicos de

mal pronóstico [10].

Figura 2. Inicio, progresión y formación de la placa ateromatosa (editado de [10])

1.1.4. Tratamiento de la cardiopatía isquémica estable

Los objetivos principales del tratamiento son mejorar el pronóstico de los

pacientes, limitar la progresión de la aterosclerosis coronaria, mejorar la calidad de

vida y prevenir los episodios de angina.

Una actuación fundamental son los cambios en el estilo de vida y un control

estricto de los FRCV (glucemia, presión arterial, colesterol, supresión total del

tabaco, práctica regular de ejercicio). Respecto al tratamiento farmacológico, son

útiles los nitritos sublinguales en las crisis anginosas, y los betabloqueantes en la

prevención del dolor anginoso.

El único tratamiento que mejora el pronóstico de los pacientes con enfermedad

coronaria estable consiste en la corrección de los FRCV mediante cambios en los

TROMBO DISTAL

ESTENOSIS (80%

obstrucción de luz

arterial)


13

estilos de vida y actuaciones dirigidas a la prevención secundaria [10]; esto último

incluye:

• La prevención de la trombosis coronaria con antiagregantes plaquetarios.

• La administración de betabloqueantes e inhibidores de la enzima

convertidora de la angiotensina (IECA) en pacientes con antecedente de

IM o con disfunción ventricular.

• La aspirina (ácido acetilsalicílico, AAS) en dosis bajas (100 mg/día), lo que

reduce en un 30% la incidencia de muerte o IM. En pacientes que no

pueden recibir aspirina debe administrarse otro antiagregante como el

clopidogrel.

• La revascularización coronaria en pacientes de moderado o alto riesgo.

1.1.5. La revascularización coronaria por vía percutánea

La hemodinámica cardíaca ha experimentado un extraordinario desarrollo en las

últimas décadas, para avanzar desde un papel meramente diagnóstico a una

vertiente terapéutica cada vez más importante. Fruto de este cambio nace la

Cardiología Intervencionista o terapéutica del catéter, que se inicia con la

angioplastia con balón, sigue con los stent coronarios metálicos y más

recientemente con los stent liberadores de fármaco o stent farmacoactivos, cuyas

técnicas se describen brevemente a continuación.

En la actualidad, la intervención coronaria por vía percutánea (angioplastia

transluminal percutánea, ATP) es el método de revascularización coronaria más

empleado en el mundo, por delante de la cirugía coronaria de bypass. La

revascularización coronaria disminuye las crisis anginosas, permite reducir

medicación y proporciona una mejora en la capacidad para realizar ejercicio físico y

en la calidad de vida [12].

Esta intervención consiste en dilatar la lesión aterosclerótica mediante un catéter

con un balón en su extremo que se hincha a alta presión, asociado al implante de un

stent intracoronario. La tasa actual de éxito es del 95% y la de complicaciones,

inferior al 3%, excepto en ciertos tipos de lesiones (largas, calcificadas), en vasos de

pequeño calibre y en lesiones localizadas en los injertos venosos, donde los


14

resultados son algo inferiores Este procedimiento está contraindicado en pacientes

con lesiones difusas y distales [12].

En un tercio de los casos puede producirse una reestenosis durante los primeros

meses tras la implantación del stent, incidente que se reduce en un 70% con la

utilización de stents recubiertos de fármacos que inhiben la proliferación celular de

las CML [13]. Para prevenir la trombosis de los stents ha de administrarse doble

antiagregación con AAS y clopidogrel, prasugrel o ticagrelor.

Angioplastia con balón

En 1977, Andreas Gruentzig introdujo la angioplastia coronaria, un método no

quirúrgico de revascularización miocárdica que actúa directamente sobre la placa de

ateroma responsable de los síntomas de isquemia. La angioplastia consiste en la

dilatación de las estenosis coronarias mediante un catéter-balón y se practica, al

igual que la coronariografía diagnóstica, por vía percutánea (femoral o radial) con

anestesia local y el paciente despierto, bajo sedación suave. Este método es menos

agresivo que la cirugía coronaria y necesita un menor período de hospitalización,

generalmente de 24 horas [12].

Para realizar la angioplastia se requiere canular de forma selectiva la arteria

coronaria a tratar con un catéter. Por su interior se hace avanzar una guía metálica

que es fina, flexible y radiopaca en su parte distal, cuyo desplazamiento se controla

mediante rayos X. Al alcanzar el extremo distal del catéter se hace avanzar la guía

en el interior de la arteria coronaria y se pasa a través de la estenosis, con la punta

lo más distal posible en la arteria a tratar. Sobre esta guía, y a modo de raíl, se hace

avanzar el catéter de angioplastia que tiene en su extremo distal un balón con un

marcador radiopaco en cada uno de sus extremos, lo que permite monitorizar su

avance y posición mediante control radiológico. Una vez que el balón se sitúa a

través de la lesión, se expande con una solución de contraste yodado diluido, y la

presión de inflado se controla con un manómetro. Se realizan hinchados sucesivos

del balón con un aumento progresivo de la presión de distensión hasta conseguir la

dilatación eficaz de la estenosis coronaria.

Las complicaciones de la angioplastia son inherentes a su mecanismo de acción.

La expansión del balón en la placa de ateroma provoca en ocasiones una rotura

excesiva de los componentes de la placa y de la pared arterial (disección) que


15

puede llegar a obstruir el flujo coronario y desembocar en la oclusión aguda de la

arteria. En general, la angioplastia presenta una mortalidad <1%, una tasa de IM no

fatal del 3%-5% y una necesidad de intervención quirúrgica coronaria urgente en

torno al 2%-3% [14].

Además de la oclusión aguda del vaso coronario, la angioplastia con balón

presenta un inconveniente a largo plazo: la reestenosis. Este fenómeno consiste en

la reobstrucción coronaria (>50% del diámetro del vaso) en el lugar de la dilatación

previa. La reestenosis es un fenómeno dependiente del tiempo que se produce

normalmente dentro de los primeros 6 meses de la angioplastia, y que se observa

en la angiografía de control hasta en el 30%-40% de los pacientes tratados

(reestenosis angiográfica), aunque sólo induce síntomas en un 15%-20% de los

pacientes (reestenosis clínica). El mecanismo de esta reobstrucción es multifactorial

y se debe a un retroceso elástico agudo del vaso, una constricción vascular tardía

(retracción vascular o remodelado negativo del vaso) y, en parte, al desarrollo de

una hiperplasia neointimal (crecimiento del volumen de placa intravascular) [13,14].

Stent coronario

Con la finalidad de reducir y tratar las complicaciones agudas derivadas de la

angioplastia coronaria con catéter-balón (oclusión aguda del vaso por disección),

aparecieron en los años noventa las denominadas endoprótesis coronarias o

stents [12,14].

El stent es una estructura metálica fenestrada de forma cilíndrica que, una vez

expandida, tiene una gran resistencia al colapso (fuerza radial). Se fabrica a partir

de un cilindro, inicialmente de acero inoxidable, y la geometría del stent se consigue

mediante corte por láser. El material del que se ha compuesto el stent ha variado

con el tiempo con objeto de mejorar su flexibilidad, radiopacidad, perfil de cruce de

las obstrucciones y empuje. En la actualidad existen diferentes aleaciones de

metales como el cromo-cobalto o el cromo-platino, que han mejorado las

características de los stents de acero inoxidable. El stent se monta plegado sobre un

balón de angioplastia que, al hincharse, expande la prótesis metálica en el lugar de

la lesión. Una vez colocada la prótesis, el balón se deshincha y se retira (Figura 3).

El stent es resistente al colapso y proporciona un soporte estructural a la pared de la

arteria coronaria.


16

Figura 3. Colocación de un stent coronario [12]: (A) stent coronario plegado y desplegado; (B) técnica de implantación.

El stent coronario ha reducido drásticamente la tasa de oclusiones coronarias

agudas. Asimismo, secundariamente se pudo detectar una disminución de la tasa

de reestenosis coronaria tanto angiográfica como clínica a cifras del 20% y el 10%-

15%, respectivamente. Dado que es un cuerpo extraño metálico y trombogénico,

debe mantenerse un tratamiento con doble antiagregación durante el tiempo que

tarda el stent en recubrirse de neoendotelio (4-8 semanas).

Con el stent no se consigue impedir el crecimiento neointimal excesivo intra-stent

(reestenosis intra-stent, RIS), secundario al barotraumatismo que se produce

durante la implantación y a estímulos inflamatorios. Este exceso de crecimiento

intra-stent se puede observar especialmente en pacientes diabéticos, con

enfermedad difusa y en stents de pequeño calibre y largos (diámetro <3 mm y

longitud >20 mm) (Figura 4).


17

Figura 4. Concepto de reestenosis intra-stent [12]: (A) Implantación de stent y crecimiento neointimal que produce una reestenosis; (B) Angiografía de una

reestenosis intra-stent (flecha).

Por su facilidad de empleo y las ventajas que presenta sobre la angioplastia con

balón, el stent se ha convertido en el principal método de revascularización y se

emplea en más del 90% de las ATP a nivel mundial. La angioplastia sólo con balón

ha quedado confinada en la actualidad a la predilatación de las estenosis coronarias

para permitir el paso del stent, a la posdilatación del stent cuando no se ha

conseguido una expansión adecuada tras su implante y cuando el implante del stent

no resulta factible como en lesiones en arterias de muy pequeño calibre

(< 2 mm) [12].

Para combatir la proliferación endotelial causante de la RIS se ha desarrollado en

el inicio del nuevo milenio una nueva generación de stents coronarios: los stents

liberadores de fármacos o farmacoactivos.


18

Stent farmacoactivo

Los stents de tipo farmacoactivo se han desarrollado con el objeto de inhibir el

crecimiento neointimal causante de la RIS. Las primeras generaciones de estos

dispositivos consistían en el mismo armazón metálico que el de los stent

convencionales de acero inoxidable recubierto con un polímero elástico que puede

expandirse junto con el metal sin romperse. A estos polímeros se les añade un

fármaco con potencial antiinflamatorio y antiproliferativo. Una vez que se expande el

stent, el polímero y el fármaco que contiene quedan en contacto con la pared

arterial. El fármaco se libera de forma controlada y sostenida por difusión pasiva a la

pared de la arteria, con una liberación rápida en los primeros 5-10 días y sostenida

en los días posteriores (entre 30 y 60 días) [15].

Los fármacos que se usan en los stent farmacoactivos inhiben eficazmente las

fases de inflamación, proliferación y migración de las CML y de células endoteliales

que se activan tras el traumatismo mecánico del stent sobre la pared de la arteria.

Aunque se ha investigado un gran número de fármacos antiproliferativos, dos tipos

de fármacos, la rapamicina o sirolimus y sus derivados (everolimus, biolimus,

zotarolimus) y el paclitaxel, son los que se han mostrado más eficaces en los

ensayos clínicos [15]. Siendo el stent con sirolimus el primero disponible. Los

ensayos clínicos de stent con sirolimus han demostrado la eficacia antiproliferativa

de este dispositivo frente al stent metálico convencional, con marcada reducción de

la tasa de RIS y de segundas reintervenciones, que al año de seguimiento es

inferior al 10% en términos absolutos, independientemente del tamaño de la arteria

y de la longitud de la lesión tratada. Este beneficio también se extiende a los

pacientes diabéticos [15].

El stent farmacoactivo con paclitaxel también se ha mostrado muy superior al

metálico convencional en la reducción de la reestenosis angiográfica y clínica. La

disponibilidad de estos dispositivos ha permitido el abordaje de lesiones más

complejas que las tratadas con los stents metálicos convencionales tales como

pacientes diabéticos, lesiones largas, vasos pequeños, lesiones bifurcadas,

oclusiones crónicas, lesiones del tronco común de la coronaria izquierda y

enfermedad multivaso.

El mayor inconveniente del stent farmacoactivo es su potente efecto

antiproliferativo que hace que tarde más tiempo en endotelizarse que el metálico


19

convencional. Por este motivo, es imperativo mantener el tratamiento antiagregante

plaquetario con una tienopiridina asociada a AAS durante un tiempo mínimo de 6

meses y recomendable de 12 meses. La interrupción prematura del tratamiento

puede acarrear la trombosis del dispositivo con complicaciones graves para el

paciente. Aunque poco frecuentes (0.5% cada año), se han producido casos de

trombosis tardía de estos stent más allá de los 6-12 meses tras su implante que

podrían estar en relación con fenómenos inflamatorios por hipersensibilidad

producidos por el polímero sobre la pared arterial [13].

1.1.6. Perspectivas futuras

Se espera que el número de ATP se incremente durante la próxima década,

debido al envejecimiento de la población y a la mayor prevalencia de la obesidad y

la diabetes en los países industrializados. Otros factores clave que posiblemente

aumentarán el uso de la ATP en los pacientes con enfermedad coronaria compleja

son las mejoras en el diseño del equipo (p. ej., catéteres con mayor

maniobrabilidad), el desarrollo de estrategias farmacológicas complementarias y

mejores dispositivos de apoyo hemodinámico en los pacientes de riesgo muy

elevado [14].

Una evolución dentro de los stent farmacoactivos la constituyen los dispositivos

no metálicos, de materiales completamente reabsorbibles (por ejemplo, ácido

poliláctico). Estos dispositivos tienen la ventaja de realizar la función de andamiaje

de la pared del vaso, además de permitir la administración de fármacos durante su

degradación y desaparecen en el plazo de 2-3 años, dejando atrás únicamente el

vaso nativo, sin metal en su pared [16,17].

Sin embargo, a pesar de la notable reducción en su frecuencia de aparición que

se ha logrado con los stents farmacoactivos, la RIS es un problema que persiste en

la actualidad [18]. Su diagnóstico se realiza fundamentalmente mediante

cateterismo, lo que supone en términos generales unos elevados costes directos e

indirectos. Indudablemente, el diagnóstico temprano de la RIS, en una fase

presintomática, es de un elevado interés clínico. En este contexto se sitúa el

presente trabajo, centrándose en el aprovechamiento las características del stent

para la monitorización de ciertas variables, como la presión intravascular, que


20

puedan ofrecer información hemodinámica sobre el incipiente desarrollo de una RIS

[19-22] (Figura 5).

Dicho esto, el objetivo de este proyecto consistirá en realizar las pruebas

necesarias para obtener los parámetros más importantes que definan el rendimiento

de stents como antenas.

Figura 5. Diagrama conceptual de detección inalámbrica de parámetros vasculares a través del sensor integrado a un stent [20].

1.2. COMUNICACIÓN INALÁMBRICA

Los stents cardiovasculares, como se ha señalado anteriormente, consisten en

estructuras metálicas implantadas dentro de una arteria tras un proceso de

angioplastia y cuya finalidad es mantener la apertura del vaso sanguíneo durante el

máximo tiempo posible. En la actualidad, existe la tendencia de dotar a estos

dispositivos de funcionalidades añadidas que permitan, entre otros, la medida de

variables hemodinámicas de su entorno; así como la transmisión de la información

al exterior del cuerpo del paciente para su evaluación por el equipo clínico [19-22].

En este sentido, la caracterización de estas estructuras como potenciales antenas

para la transmisión inalámbrica de la información supone un aspecto crítico en este

campo.


21

Por lo tanto, es necesario conocer las características principales de un enlace

inalámbrico para poder validar correctamente el rendimiento de estos dispositivos

como antenas de comunicación.

La comunicación inalámbrica se realiza mediante unos dispositivos denominados

antenas que emiten y reciben ondas electromagnéticas en el espacio libre. Las

antenas son, por tanto, conductores metálicos que transforman energía eléctrica en

ondas electromagnéticas (antenas transmisoras) o viceversa (antenas receptoras).

De esta forma, en un sistema de telecomunicaciones se produce en un extremo

la propagación de señales electromagnéticas por parte de una antena transmisora,

mientras que en el extremo receptor se captan estas señales y se convierten en

energía eléctrica [23].

Las ondas electromagnéticas se originan por la presencia de cargas eléctricas en

movimiento y se caracterizan por su frecuencia y por su longitud de onda. El

conjunto de todas las frecuencias se denomina espectro.

Figura 6. Representación del espectro electromagnético [24].

En la parte superior de la Figura 6 se representa la frecuencia (Hz), mientras que

en la parte inferior aparecen las longitudes de onda asociadas. El espectro de

frecuencias se divide por décadas en bandas: MF (medium frequency), HF (high

frequency), VHF (very high frequency), etc. Para las frecuencias de microondas

existe una subdivisión ampliamente utilizada actualmente, Banda L (1 – 2 GHz), S (2

– 4 GHz), C (4 – 8 GHz), X (8 – 12,4 GHz), Ku (12,4 – 18 GHz), K (18 – 26,5 GHz),

Ka (26,5 – 40 GHz) y mm (40 – 300 GHz). A frecuencias superiores se encuentran


22

los rayos infrarrojos (Banda IR, 800 GHz – 400 THz), la luz visible (Banda V, 400 –

750 THz) y la radiación ultravioleta (Banda UV, 750 – 10.000 THz). Por último, con

frecuencias aún más elevadas se hallan los rayos X y los Gamma [24].

Es preciso señalar que la longitud de onda (𝜆) se relaciona con la frecuencia (𝑓) a

través de la siguiente expresión:

𝒇 = 𝒄/𝝀 (𝟏)

Siendo 𝑐 = 3 ∗ 108 𝑚/𝑠 la velocidad de propagación de la luz, por lo tanto, como

se puede observar en la figura, a mayor frecuencia menor longitud de onda.

1.2.1. Tipos de antenas

Existe una gran variedad de tipos de antenas dependiendo del uso y del rango de

frecuencias de operación para el que han sido diseñadas. Así pues, el tamaño de

las mismas está relacionado con la longitud de onda (λ) de la señal de

radiofrecuencia emitida o recibida, siendo tanto mayor cuanto menor sea dicha

longitud de onda (mayor frecuencia).

En primer lugar, la antena isotrópica es una antena hipotética sin pérdidas (al

suponer un área física nula, no existen pérdidas por disipación de calor) con una

intensidad de radiación igual en todas direcciones [25]. Se utiliza como referencia

para estudiar la directividad y su patrón de radiación es una esfera.

Por otro lado, las antenas reales se pueden agrupar en los siguientes grandes

bloques:

Antenas de hilo

Están constituidas de hilos conductores por los que circula la corriente eléctrica

que genera las ondas electromagnéticas. Pueden estar formadas por hilos rectos

(dipolo, V, rómbica), espiras (circular, cuadrada o de cualquier forma arbitraria) y

hélices. Este tipo de antenas se distingue por tener corrientes y cargas que varían

armónicamente con el tiempo, así como amplitudes variables a lo largo de los hilos.

Dentro de este grupo, la antena más utilizada es la de dipolo [23].


23

Figura 7. Representación de algunos tipos de antenas de hilo [23]

Antenas de apertura y reflectores

En este tipo de antenas, la generación de la onda radiada se logra mediante una

distribución de campos soportada por la antena y suele ser excitada con guías de

ondas. Las antenas de apertura se caracterizan por los campos eléctricos y

magnéticos de la apertura, variables armónicamente con el tiempo. Dentro de ellas

se encuentran las bocinas (que a su vez pueden ser piramidales o cónicas), las

aperturas, las ranuras sobre planos conductores y las bocas de guías.

Para el caso de los reflectores, una antena receptora basa su funcionamiento en

la reflexión de las ondas electromagnéticas, por la cual las ondas que inciden

paralelamente sobre el eje principal se reflejan hacia el foco. Por otro lado, si actúa

como transmisora, las ondas emitidas por el foco se reflejan y salen en dirección

paralela al eje de la antena. Este tipo de antena es utilizado para las

comunicaciones a grandes distancias, tanto terrestres como espaciales. El reflector

más común es el parabólico [23, 24].

Figura 8. Antena parabólica de foco primario [23]


24

Agrupaciones de antenas (Arrays)

Para determinadas aplicaciones es necesario obtener características de radiación

imposibles de lograr con una sola antena. Mediante la combinación de varias de las

antenas previamente descritas se adquiere una gran flexibilidad que permite

obtenerlas. Al conectar el grupo de antenas (en principio pueden ser de cualquier

tipo) pasan a funcionar como una sola cuyo patrón de radiación puede modificarse

electrónicamente sin la necesidad de mover físicamente las antenas, lo cual supone

su principal ventaja [23, 24].

1.2.2. Parámetros fundamentales de las antenas

Las antenas forman parte de sistemas más amplios (de radiocomunicaciones o

radar, por ejemplo) por lo que será necesario caracterizarlas mediante un conjunto

de parámetros que cuantifiquen su rendimiento y permitan estudiar la influencia de

una determinada antena sobre el sistema completo. Entre dichos parámetros deben

destacarse la densidad de potencia radiada, la directividad, la ganancia, la

polarización, la impedancia, el ancho de banda, la adaptación y el área y longitud

efectiva.

Densidad de potencia radiada

Se define como la potencia por unidad de superficie en una determinada

dirección y se mide en vatios por metro cuadrado (w/m2). Se puede obtener a partir

de los valores eficaces de los campos de la siguiente forma:

(𝜽,𝜱) = 𝑹𝒆( 𝒙 𝑯 ∗) (𝟐)

Siendo el campo eléctrico y el magnético, ambos en magnitudes vectoriales,

el símbolo* denota el complejo conjugado, 𝑅𝑒 la parte real y 𝑥 el producto vectorial.

La relación entre los módulos del campo eléctrico y magnético se corresponde con

la impedancia característica del medio [24]:

𝜼 =| |

| | (𝟑)


25

Así pues, la potencia total radiada por la antena se puede calcular integrando la

densidad de potencia en una esfera que encierre a la antena, según la

expresión [24,26]:

𝑷𝒓 = ∬ (𝜽,𝜱) · 𝒅𝒔 (𝟒)

Siendo 𝑃𝑟 la potencia total radiada y 𝑑𝑠 el vector diferencial de superficie.

Directividad

Se dice directividad de una antena a la relación entre la densidad de potencia

radiada en una dirección, a una distancia determinada, y la densidad de potencia

que radiaría una antena isotrópica a la misma distancia, a igualdad de potencia total

radiada [24,26].

𝑫(𝜽,𝜱) =𝒑(𝜽,𝜱)

𝑷𝒓

𝟒𝝅𝒓𝟐

(𝟓)

La expresión del denominador se corresponde con la potencia radiada isotrópica

equivalente. Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la

directividad se refiere a la dirección de máxima radiación.

𝑫 =𝒑𝒎𝒂𝒙

𝑷𝒓

𝟒𝝅𝒓𝟐

(𝟔)

Ganancia

La ganancia de una antena es la relación entre la densidad de potencia radiada

en una dirección, a una distancia determinada, y la densidad de potencia que

radiaría una antena isotrópica a la misma distancia y a igualdad de potencias

entregadas a la antena [24]. La diferencia entre directividad y ganancia reside en

que en la primera se habla de potencia radiada por la antena, mientras que en la

segunda aparece la potencia entregada a la antena (𝑃𝑒).

𝑮(𝜽,𝜱) =𝒑(𝜽,𝜱)

𝑷𝒆

𝟒𝝅𝒓𝟐 (𝟕)

S


26

De la misma forma que para la directividad, si no se define la dirección angular,

se calculará la ganancia para la dirección de máxima radiación.

𝑮 =𝒑𝒎𝒂𝒙

𝑷𝒆

𝟒𝝅𝒓𝟐

(𝟖)

La relación entre potencia radiada por una antena y entregada a la misma se

denomina eficiencia la antena (𝑒) [26], y tendrá siempre una valor comprendido

entre 0 y 1. Dicho esto, se puede entender la eficiencia como la relación entre la

ganancia y la directividad.

𝑮(𝜽,𝜱) = 𝒆 · 𝑫(𝜽,𝜱) (𝟗)

En caso de que la antena no tenga pérdidas óhmicas (habitual a altas

frecuencias), la ganancia y la directividad serán equivalentes y, por tanto, la

eficiencia será la unidad.

Polarización

Se entiende polarización electromagnética, en una determinada dirección, como

la figura geométrica que genera el extremo del vector campo eléctrico a una cierta

distancia de la antena, al variar el tiempo. Dicha polarización puede ser lineal,

circular o elíptica [23, 24, 26].

Impedancia

La impedancia de una antena suele tener forma compleja y se define como la

relación entre la tensión y la corriente en sus terminales de entrada. La parte real de

la impedancia recibe el nombre de resistencia de antena, mientras que la parte

imaginaria se denomina reactancia de antena [24].

𝒁𝒂 =𝑽𝒊

𝑰𝒊= 𝑹𝒂 + 𝒋𝑿𝒂 (𝟏𝟎)

La resistencia de radiación se define como la relación entre la potencia total

radiada por una antena y el cuadrado del valor eficaz de la corriente de entrada. La

resistencia óhmica de la antena se entiende como la relación entre la potencia

disipada por efecto resistivo y la corriente al cuadrado. De esta forma, podemos


27

definir la resistencia de antena como la suma de la resistencia de radiación y la

óhmica 𝑅𝑎 = 𝑅𝑟 + 𝑅𝛺 [24].

Retomando el concepto de la eficiencia de una antena (𝑒), podemos deducir la

siguiente relación:

𝒆 =𝑷𝒓

𝑷𝒆=

𝑷𝒓

𝑷𝒓 + 𝑷𝛀=

𝑰𝟐 ∙ 𝑹𝒓

𝑰𝟐 ∙ (𝑹𝒓 + 𝑹𝛀)=

𝑹𝒓

𝑹𝒓 + 𝑹𝛀 (𝟏𝟏)

Siendo 𝑃𝑟 la potencia radiada, 𝑃𝑒 la potencia entregada y 𝑃𝛺 de pérdidas en la

antena (normalmente pérdidas óhmicas en los conductores).

Ancho de banda

Se define ancho de banda (BW) como el margen de frecuencias en el que la

antena adquiere el comportamiento deseado. Se puede especificar como la relación

entre el margen de frecuencias en que se cumplen las especificaciones y la

frecuencia central, y suele expresarse en forma de porcentaje [24].

𝑩𝑾 =𝒇𝒎𝒂𝒙 − 𝒇𝐦𝐢𝐧

𝒇𝒐 (𝟏𝟐)

Siendo 𝑓𝑜 la frecuencia central, 𝑓𝑚𝑎𝑥 la frecuencia máxima y 𝑓min la mínima a la

que se cumplen las especificaciones deseadas.

Adaptación

Se dice que una antena está adaptada cuando su impedancia actuando como

receptora es la misma que al operar como transmisora [24].

En el caso de la antena receptora, esta se conecta a una línea de transmisión o

directamente a un circuito receptor. Para que la totalidad de la potencia recogida por

la antena se transfiera al receptor (máxima transferencia de potencia) debe

cumplirse que la impedancia de la antena 𝑍𝑎 = 𝑅𝑎 + 𝑗𝑋𝑎 y la impedancia de la

carga 𝑍𝐿 = 𝑅𝐿 + 𝑗𝑋𝐿 sean complejas conjugadas, es decir, 𝑍𝐿 = 𝑍𝑎∗ .

En este caso, la potencia máxima entregada a la carga tendrá el valor:

𝑷𝑳,𝒎𝒂𝒙 =|𝑽𝒄𝒂|

𝟐

𝟒𝑹𝒂 (𝟏𝟑)


28

En general, si no hay adaptación tendremos

𝑷𝑳 = 𝑷𝑳,𝒎𝒂𝒙 ∙ 𝑪𝒂 = 𝑷𝑳,𝒎𝒂𝒙 ∙ (𝟏 − |𝝆|𝟐) (𝟏𝟒)

Siendo 𝐶𝑎 el coeficiente de desadaptación y 𝜌 el coeficiente de reflexión, definido

como 𝜌 = (𝑍𝐿 − 𝑍𝑎) (𝑍𝐿 + 𝑍𝑎)⁄ .

Área y longitud efectiva

El área efectiva se define como la relación entre la potencia que entrega la

antena a su carga y la densidad de potencia de la onda incidente [24].

𝑨𝒆𝒇 =𝑷𝑳

𝒑 (𝟏𝟓)

La longitud efectiva de la antena es la relación entre la tensión inducida en

circuito abierto en bornes de la antena y la intensidad del campo incidente en la

onda [24].

𝒍𝒆𝒇 =|𝑽𝒄𝒂|

|𝑬| (𝟏𝟔)

Ambos parámetros dependen de la polarización de la onda.

1.2.3. Ecuación de transmisión

En un sistema de comunicaciones se debe establecer el balance de potencia

entre el transmisor y el receptor, ya que el mínimo nivel de señal detectable por el

receptor fija la potencia mínima que ha de suministrar el transmisor.

Si la antena transmisora radiara isotrópicamente (por igual en todas las

direcciones del espacio) una potencia 𝑃𝑟, y considerando inicialmente que el medio

donde se propaga la onda no tiene pérdidas, la potencia que atraviesa cualquier

superficie esférica centrada en la antena será constante. Entonces, la densidad de

potencia radiada será inversamente proporcional al cuadrado de la distancia 𝑟 a la

antena y tendrá la siguiente expresión

𝒑 =𝑷𝒓

𝟒𝝅𝒓𝟐 (𝟏𝟕)


29

En la realidad, las antenas no son isotrópicas, es decir, concentran energía en

ciertas direcciones. Por lo tanto, para obtener la densidad de potencia en este caso

multiplicaremos la expresión anterior (antena isotrópica) por la directividad, de la

siguiente manera [24]

𝒑(𝜽,𝜱) =𝑷𝒓

𝟒𝝅𝒓𝟐∙ 𝑫(𝜽,𝜱) =

𝑷𝒆

𝟒𝝅𝒓𝟐∙ 𝑮(𝜽,𝜱) (𝟏𝟖)

El producto de la potencia radiada por la directividad, o de la potencia entregada

a la antena por la ganancia, recibe el nombre de potencia isotrópica radiada

equivalente (PIRE), y se suele expresar en dBW (decibelios sobre una potencia de

referencia de 1 W)

𝑷𝑰𝑹𝑬 = 𝑷𝒓 ∙ 𝑫 = 𝑷𝒆 ∙ 𝑮 (𝟏𝟗)

Para dos antenas separadas una distancia 𝑟 conectadas a sus respectivos

transmisor y receptor, la ecuación de transmisión de Friis establece la relación entre

la potencia recibida (𝑃𝐿, asumiendo carga adaptada) y la potencia radiada (𝑃𝑟).

Entonces, la potencia que la antena receptora entregará a su carga adaptada vale:

𝑷𝑳 =𝑷𝒓

𝟒𝝅𝒓𝟐∙ 𝑫𝑻 ∙ 𝑨𝒆𝒇,𝑹 (𝟐𝟎)

Figura 9. Balance de potencia entre dos antenas adaptadas [24]

La relación entre la potencia recibida (𝑃𝐿) y la radiada (𝑃𝑟) se denomina pérdida

de transmisión entre las antenas y se suele medir en decibelios [24, 26]. Se debe

señalar que existe una relación entre el área efectiva y la directividad en cualquier

antena:


30

𝑨𝒆𝒇

𝑫=

𝝀𝟐

𝟒𝝅 (𝟐𝟏)

Sustituyendo dicha relación en la ecuación anterior obtenemos la siguiente

expresión, a la cual se le conoce con el nombre de la Ecuación de transmisión de

Friis para propagación en espacio libre [24, 26].

𝑷𝑳

𝑷𝒓= (

𝝀

𝟒𝝅𝒓)𝟐

∙ 𝑫𝑻 ∙ 𝑫𝑹 (𝟐𝟐)

El término (𝜆/4𝜋𝑟)2 recibe el nombre de pérdida de transmisión en el espacio

libre (𝐿𝑜) y se corresponde con la pérdida de transmisión entre antenas

isotrópicas [24].


31

2. OBJETIVO

El objetivo del presente proyecto reside, en primer lugar, en el diseño y la

fabricación de un banco de pruebas que permita medir el comportamiento de un

stent como antena, minimizando el ruido electromagnético del exterior. En segundo

lugar, una vez finalizada la construcción del banco de medida, se procederá a

realizar las pruebas necesarias para obtener los parámetros más importantes que

definan el rendimiento del implante como antena en las bandas de trabajo

seleccionadas; así como la evaluación de la influencia de la separación.


32

3. DISEÑO Y FABRICACIÓN CAJA DE FARADAY

3.1. TEORÍA

El comportamiento de una caja de Faraday se basa en las propiedades de un

conductor en equilibrio electrostático. Se puede afirmar que al suministrar un exceso

de carga a un conductor en equilibrio electrostático, dicho exceso se distribuirá en

su totalidad por la superficie del conductor.

Este fenómeno se puede explicar a partir del hecho de que en una situación

electrostática, es decir, aquella en la cual todas las cargas se encuentran en reposo,

el campo eléctrico en cada punto del interior de conductor es nulo ( = 0). En caso

contrario, existiría una fuerza (𝐹 = 𝑞 ∙ ) que provocaría que las cargas en exceso

se movieran. Utilizando el teorema de Gauss (ecuación 21) sobre una superficie

dentro del conductor, sabiendo que el campo eléctrico es nulo en cualquier punto

del interior, la carga neta encerrada por dicha superficie ha de ser también nula:

𝜱𝑬 = ∮ ∙ 𝒅𝑨 =𝑸𝒆𝒏𝒄

𝜺𝟎 (𝟐𝟑)

Siendo 𝛷𝐸 el flujo eléctrico total encerrado por la superficie gaussiana, 𝑑𝐴 el

elemento diferencial de superficie, 𝑄𝑒𝑛𝑐 la carga encerrada y 𝜀0 el valor de la

permitividad del espacio libre.

Por lo tanto, queda demostrado que toda la carga excedente debe encontrarse en

la superficie del conductor [27].

Dicho esto, podemos entender la caja como un gran conductor. Cuando se sitúa

en presencia de un campo eléctrico externo, las cargas positivas se quedan en las

posiciones de la red; mientras que los electrones, que en un metal tienen libertad de

movimiento, comienzan a desplazarse ya que sobre ellos actúa una fuerza (como se

ha visto anteriormente). Como la carga del electrón es negativa, estas cargas se

desplazarán en sentido opuesto al campo externo, produciendo así un exceso de

carga negativa en uno de los lados de la caja y un defecto de electrones en otro

(carga positiva). Esta nueva distribución de la carga originará un campo eléctrico

interno de sentido contrario al externo, por lo que en el interior de la caja el campo


33

resultante será nulo. Para más información acerca de la matemática de la caja de

Faraday, ver referencia [28].

Las cajas de Faraday se utilizan con frecuencia para diferentes aplicaciones en la

vida cotidiana, la mayor parte de ellas para reducir el ruido electromagnético del

exterior. Entre ellas podemos señalar las siguientes:

• Se utilizan de forma habitual en el campo de la química analítica con el fin

de obtener mediciones más precisas.

• Tanto los aviones como los automóviles se comportan como cajas de

Faraday protegiendo a los pasajeros de posibles descargas eléctricas,

como por ejemplo, un rayo durante una tormenta.

• Los ladrones suelen utilizar bolsas forradas con papel de aluminio (actúa

como una caja de Faraday) para robar artículos con etiquetado RFID.

• Los ascensores actúan como grandes cajas de Faraday, provocando la

pérdida de señal de los teléfonos móviles, radios y otros dispositivos

electrónicos.

• Las salas de exploración de las máquinas de resonancia magnética están

diseñadas como jaulas de Faraday, evitando así la adición de señales

externas a los datos recopilados del paciente.

• Los aparatos de microondas se comportan también como cajas de

Faraday, con el objetivo de contener la energía electromagnética dentro y

proteger el exterior de la radiación.

• Los cables USB y el cable coaxial utilizado para la televisión por cable

utilizan un revestimiento que protege a los conductores del ruido eléctrico

externo y evita que las señales de RF se filtren.

El objetivo del banco de pruebas en este proyecto será la minimización del ruido

electromagnético exterior con el fin de medir el comportamiento como antena del

stent con la mayor precisión posible.


34

3.2. DISEÑO

Para la realización del presente proyecto se adquirieron dos antenas

omnidireccionales tipo dipolo [Lysignal 700MHz 2700MHz 12dB RP-SMA

Omnidirectional Antenna] con el fin de realizar mediciones dentro y fuera del banco

de pruebas, evaluando así el funcionamiento del mismo así como el de las antenas.

Figura 10. Antena dipolo omnidireccional

Las especificaciones de la antena se incluyen en la Tabla 1:

Tabla 1. Especificaciones antena

Parámetro Valor

Rango de frecuencias 700 MHz – 2700 MHz

Ganancia 12 DB

Impedancia de entrada 50 Ω

Cable coaxial RG174 (3 mm de diámetro)

Longitud del cable 3 m

Tipo de conector SMA-J

Tamaño (altura total) 31 cm


35

Así pues, este trabajo incluye un estudio detallado del rendimiento del banco de

pruebas en el intervalo de frecuencias 700 MHz - 1000 MHz. Para ello, será

necesario caracterizar su comportamiento bajo la presencia de las señales

electromagnéticas de mayor potencia presentes en dicha banda frecuencial.

En el CNAF, Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias [29], se observa que

la banda de frecuencias 470 a 790 MHz se utiliza para la prestación de los servicios

de televisión terrestre con tecnología digital (TDT). Se destinan las subbandas 870 –

876 MHz y 915 – 921 MHz, para sistemas de comunicaciones móviles incluyendo

sistemas digitales de banda ancha; mientras que las bandas 876-880 MHz y 921-

925 MHz se destinan exclusivamente para el sistema europeo de comunicaciones

en ferrocarriles GSM-R. Las bandas de frecuencias 880-915 MHz y 925-960 MHz se

reservan para sistemas terrenales capaces de prestar servicios de comunicaciones

electrónicas, además de sistemas de comunicaciones móviles a bordo de buques.

Figura 11. CNAF. Banda de frecuencia 862-960 MHz [29]


36

3.3. MONTAJE

El material requerido para la elaboración del banco de pruebas ha sido el

siguiente:

• 6 tablones de contrachapado de dimensiones 400x400x10 mm.

• 2 rollos de cinta de cobre adhesiva (marca Asiv, modelo 1GJSDTBJD-3)

de 20 m de longitud, 5 cm de ancho y 0,05 mm de espesor. Su finalidad

será blindar la caja frente a interferencias electromagnéticas.

• 15 perfiles escuadra de 10x10 mm de sección y 40 cm de longitud. Su

objetivo, además de mejorar la rigidez de la caja, será garantizar el

contacto eléctrico entre todas las partes que la componen.

• 2 bisagras que posibilitan el giro de la puerta de la caja.

• 2 conectores BNC para tener acceso al interior del banco de pruebas con

la puerta cerrada.

Figura 12. Conector BNC hembra-hembra

Como material auxiliar se ha requerido de la utilización de un taladro para realizar

tanto los agujeros en los que se colocarían los conectores BNC, como aquellos en

los que posteriormente se añadirían los tornillos para realizar la fijación de las

partes. Con los tornillos se unieron las tablas, los perfiles escuadra y las bisagras.


37

A continuación se explicará el proceso de montaje llevado a cabo:

• El primer paso fue comprobar que la cinta de cobre adquirida realizaba

apropiadamente su función. Para ello se recubrió una pequeña caja de

cartón con este material y se introdujo un teléfono móvil, el cual perdía la

señal cuando la caja estaba completamente cerrada, por lo que la cinta

adhesiva funcionaba correctamente bloqueando las señales

electromagnéticas del exterior.

• Se unieron 5 de los tablones mediante tornillos, obteniendo un cubo a falta

de una de las caras, que posteriormente sería la puerta de la caja.

• Se forró el exterior del cubo con la cinta de cobre adhesiva, así como la

tabla que quedaba sin unir.

• Se cubrieron las aristas del cubo con perfiles escuadra para mejorar sus

propiedades tanto eléctricas como estructurales. También se cubrieron los

cuatro lados de la tabla suelta por el mismo motivo.

• El siguiente paso fue realizar la unión de la puerta al cubo mediante dos

bisagras y tornillos, además se añadió un pequeño imán en el extremo de

la puerta para asegurar el cierre.

Figura 13. Banco de pruebas sin conectores BNC


38

• Se realizaron dos agujeros en los que posteriormente se colocarían los

conectores BNC.

• Al realizar los agujeros se levantó parte de la cinta de cobre, por lo que

forraron de nuevo las zonas cercanas a estos agujeros, así como el interior

de los mismos, garantizando así en contacto eléctrico entre la caja y los

conectores.

• A continuación se insertaron los dos conectores BNC en sus respectivos

agujeros.

• El último paso fue comprobar el correcto funcionamiento de la caja de la

misma forma que se hizo con el prototipo de cartón, obteniendo un

resultado satisfactorio.

• Dicho correcto funcionamiento se reafirmará más adelante en el apartado

Medidas realizadas, en el cual se demuestra que cuando la antena

receptora se coloca en el interior de la caja no recibe ninguna señal de la

antena emisora, independientemente de la potencia radiada por la última.

Figura 14. Banco de pruebas terminado


39

4. MEDIDAS REALIZADAS

En este apartado se mostrarán y comentarán las diferentes medidas realizadas

durante la elaboración del proyecto. En primer lugar se trabaja con las dos antenas

(transmisora y receptora) fuera del banco de pruebas; después se introduce la

antena receptora dentro de la caja de Faraday; las siguientes medidas se obtienen

colocando ambas antenas dentro de la caja y, por último, se sustituye la antena

receptora por un stent.

Figura 15. Banco de medida

En la figura se observa el banco de medida utilizado para la obtención de las

diferentes medidas. A la izquierda encontramos el generador de alta frecuencia

(SM300 Signal Generator, 9kHz-3GHz, Rohde & Schwarz), en el medio de la

imagen tenemos la caja de Faraday (banco de pruebas) y a la derecha el

osciloscopio (MSO9254A Mixed Signal Oscilloscope, Agilent Technologies).

4.1. ANTENAS FUERA DEL BANCO DE PRUEBAS

El objetivo de esta serie de medidas es comprobar el correcto funcionamiento de

las antenas. Para la realización de las mismas, se conecta la antena transmisora al

generador de alta frecuencia emitiendo una potencia de 13 dBm (potencia máxima

posible), y la receptora al osciloscopio con el fin de medir la potencia/tensión

recibida por la misma.


40

Figura 16. Esquema antenas fuera del banco de pruebas

La metodología llevada a cabo es realizar un barrido de frecuencia desde 700

MHz (recordemos que el rango de operación de las antenas utilizadas es de 700

MHz – 2700 MHz) hasta 1000 MHz para distintos valores de separación entre las

antenas. La potencia emitida es 13 dBm.

Las medidas obtenidas se muestran a continuación:

Tabla 2. Tensión recibida con ambas antenas fuera del banco de pruebas

Frecuencia (MHz)

GTx = GRx (dB)

d = 25 mm

d = 40 mm

d = 50 mm

d = 60 mm

d = 70 mm

d = 80 mm

d = 90 mm

d = 100 mm

700 4,5 128,5 146,6 139,7 133,7 121,6 111,6 103,2 98,3

725 4,5 84,7 92,2 94,5 96,9 89,5 86,4 78,7 78,2

750 4,5 108,5 79,2 72,5 67,6 64,5 61,2 54,7 52,9

775 4,5 138,5 85,5 72,4 62,9 55,7 44,5 43,2 39,4

800 4,5 168,8 109,6 90,1 78,4 63,2 53,2 48,6 43,2

825 5 203,7 147,1 125,2 112,7 90,4 79,3 71,3 59,7

850 5 212,3 155,2 129,5 116,8 105,7 92,6 87,8 75,6

875 5 222,9 171,5 149,3 134,5 118,3 109,3 102,5 98,3

900 5 205,5 169,9 150,3 138,2 121,8 114,2 107,4 107,1

925 5 184,8 160,6 144,1 137,4 118,4 110,4 104,6 106,2

950 5 147,2 139,3 128,9 122,5 107,5 100,5 96,9 93,8

975 104,6 106,9 99,7 90,7 81,1 74,7 76,6 73,9

1000 78,1 83,9 84,8 76,5 73,7 69,5 67,2 68,1

El valor que se representa es la tensión recibida por la antena receptora medida

en mVrms. Representando los valores de la Tabla 2 obtenemos:


41

Figura 17. Tensión recibida en función de la separación

Figura 18. Tensión recibida en función de la frecuencia

Se puede observar que las curvas adquieren una forma similar para los distintos

valores de separación estudiados. Sin embargo, en el caso de la distancia de

separación mínima (25 mm) se aprecia una desviación mayor que para el resto de

medidas, lo cual se debe a la inevitable inclinación de las antenas que a distancias

menores, influye más en la separación.

En el rango de frecuencias estudiado, la antena receptora capta mayor cantidad

de potencia a 875 – 900 MHz y menor para un valor cercano a 775 MHz. A mayor

separación entre las antenas menor potencia recibida por la receptora (menor valor

de tensión).


42

Figura 19. Pérdidas en función de la separación

Figura 20. Pérdidas en función de la frecuencia

Los valores de las pérdidas obtenidos no se corresponden con la ecuación de

Friis ya que esta es únicamente válida para la región de campo lejano, también

conocida como región de Fraunhofer, 𝑅 > (2𝐷2)/𝜆, siendo 𝑅 la separación entre las

antenas, 𝐷 el diámetro de la antena y 𝜆 la longitud de onda [23]. Condición que no

se cumple en nuestro caso. Utilizando dicha expresión para la frecuencia de

700 MHz obtenemos los siguientes valores en función de la separación entre

antenas, apreciando que las medidas no se corresponden con las obtenidas

experimentalmente.


43

Tabla 3. Tensión recibida según Fórmula de Friis en función de la separación

Separación (m) 0,025 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10

Vrecibida (mVrms) 3851,0 2407,3 1924,8 1604,7 1374,8 1204,2 1070,0 961,8

El término (𝜆/4𝜋𝑟)2 , es decir, la pérdida de transmisión en el espacio libre para

nuestro estudio adquiere un valor mayor que la unidad, por lo que en lugar de actuar

como pérdida de potencia, lo hace como ganancia. Este es el motivo por el cual la

potencia recibida tiene un valor superior a la transmitida en nuestro caso.

Para la región de campo cercano existe una expresión cuya demostración se

explica en el artículo correspondiente a la referencia [30] y tiene la forma:

𝑷𝑹𝑿

𝑷𝑻𝑿=

𝑮𝑻𝑿 · 𝑮𝑹𝑿

𝟒· (

𝟏

(𝒌 · 𝒅)𝟐−

𝟏

(𝒌 · 𝒅)𝟒+

𝟏

(𝒌 · 𝒅)𝟔) (𝟐𝟒)

Siendo 𝑃𝑅𝑋 la potencia recibida por la antena, 𝑃𝑇𝑋 la potencia transmitida, 𝐺𝑇𝑋 y

𝐺𝑅𝑋 las ganancias de la antena transmisora y receptora respectivamente, 𝑘 = 2𝜋/𝜆 y

𝑑 equivale a la separación entre las antenas.

Utilizando la anterior expresión para nuestro caso, en la frecuencia de 700 MHz y

en función de la separación, los resultados que se obtienen son:

Tabla 4. Tensión recibida según la ecuación de campo cercano para 700 MHz

Separación (m) 0,025 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10

Vrecibida (mVrms) 27004,4 6171,7 3112,1 1886,8 1343,5 1077,0 930,1 833,7

Se comprueba que dicha expresión tampoco es válida para nuestro caso. La

potencia recibida obtenida es mayor que la transmitida, al igual que para el caso de

Friis, lo cual se debe al término de la distancia, ya que en el estudio de la

referencia [30] se trabaja con distancia superiores a las analizadas.

Además de esto, se realizan unas nuevas medidas con el fin de calcular el valor

de potencia perdida por el cable, ya que para los siguientes apartados se requerirá

la utilización del mismo. Para ello se obtienen unos nuevos valores de potencia

recibida a la mínima distancia (25 mm) sin cable y con cable, es decir, la antena

receptora no se conecta directamente al receptor.


44

Tabla 5. Pérdidas en el cable

Frecuencia (MHz) GTx = GRx (dB) d = 25 mm (Sin Cable) d = 25 mm (Con Cable)

700 4,5 124,9 103,5

725 4,5 87,6 74,3

750 4,5 107,2 89,6

775 4,5 144,5 118,2

800 4,5 183,2 147,7

825 5 231,2 177,9

850 5 246,4 177,6

875 5 232,7 175,5

900 5 198,6 162,4

925 5 187,3 139,7

950 5 165,8 109,8

975 115,5 88,8

1000 85,5 68,4

Figura 21. Tensión recibida con y sin cable BNC en función de la frecuencia


45

Figura 22. Pérdidas cable BNC en función de la frecuencia

Se aprecia en la Figura 22 que se produce un valor máximo de pérdidas para la

frecuencia de 950 MHz (máxima diferencia entre la tensión recibida con y sin cable).

Figura 23. Medidas con ambas antenas fuera del banco de pruebas

4.2. ANTENA RECEPTORA DENTRO DEL BANCO DE PRUEBAS

Para realizar las medidas con la antena receptora dentro de la caja de Faraday,

se conecta dicha antena al osciloscopio a través de uno de los conectores de la

caja, pudiendo así medir con el banco de pruebas completamente cerrado. Además,

el conector que queda libre se bloquea con una terminación de 50Ω a cada lado,

mejorando así el apantallamiento electrostático.


46

Figura 24. Esquema antena receptora dentro del banco de pruebas

En este caso, la señal recibida por la antena es ruido en su totalidad, por lo que ni

la potencia transmitida por la antena transmisora ni la distancia que las separe

influye. Se puede afirmar entonces que la caja bloquea toda la señal, es decir,

funciona correctamente.

Tabla 6. Tensión recibida (μVrms) con antena receptora dentro de la caja

Frecuencia (MHz) GTx = GRx (dB) d = 40 mm

700 4,5 295,5

725 4,5 314,8

750 4,5 310

775 4,5 300,3

800 4,5 409,3

825 5 540,1

850 5 360,8

875 5 922,7

900 5 1022,5

925 5 961,5

950 5 600,2

975 334,6

1000 465,3

Al comprobar que a la distancia mínima posible la señal recibida es únicamente

ruido, no se continúa midiendo para mayores valores de separación, ya que los

datos obtenidos carecerán de relevancia para el estudio.


47

Representando la tensión recibida y las pérdidas para los distintos valores de

frecuencia obtenemos las siguientes gráficas:

Figura 25. Tensión recibida (μVrms) en función de la frecuencia

Figura 26. Pérdidas (dB) en función de la frecuencia


48

4.3. ANTENA TRANSMISORA Y RECEPTORA DENTRO DEL

BANCO DE PRUEBAS

En este caso se acopla el generador a uno de los conectores de la caja y el

osciloscopio al otro. A continuación se conectan las antenas a sus respectivos

conectores en el interior de la caja.

Figura 27. Esquema antenas dentro del banco de pruebas

La metodología llevada a cabo es similar al caso de las dos antenas fuera de la

caja, realizando un barrido de frecuencias desde 700 MHz hasta los 1000 MHz con

intervalos de 25 MHz; y para distintas separaciones de las antenas. La antena

transmisora trabaja emitiendo una potencia de 13 dBm.

Cabe señalar que anotar el valor de la tensión recibida por la antena en este caso

es más sencillo debido a la menor oscilación del mismo. Esto se debe a la

eliminación del ruido electromagnético conseguido por el banco de pruebas.

La tensión recibida por la antena para los distintos valores de frecuencia y

separación se recoge en la Tabla 7, donde se expresa en unidades de mVrms.


49

Figura 28. Antenas dentro de la caja con puerta abierta

Tabla 7. Tensión recibida (mVrms) con ambas antenas dentro del banco de pruebas

Frecuencia (MHz)

GTx = GRx (dB)

d = 25 mm

d = 40 mm

d = 50 mm

d = 60 mm

d = 70 mm

d = 80 mm

d = 90 mm

d = 100 mm

700 4,5 29,5 6,7 18,02 21,8 25 24,1 24,25 23,1

725 4,5 31,5 10,1 24,6 30,6 36,8 35,84 38,65 39,1

750 4,5 39,05 32,2 52,6 58,8 68,5 66,8 70,5 69,5

775 4,5 117,7 161,6 162,1 159,9 147,4 145,1 137,3 130,9

800 4,5 112,1 91,3 87,4 86,7 85,7 87,6 87,6 88,02

825 5 83,6 67,8 77,5 73,35 63,6 53 45,1 35

850 5 83,5 91,7 79,5 69,2 53,6 48,3 43,85 42,93

875 5 92,6 84,2 70,4 62,1 58,6 53,7 32,6 23,9

900 5 104,7 120,9 115,9 110,1 104,6 98,4 88,02 82,6

925 5 94,5 95,9 86,8 81,1 73,2 68,9 65,9 62,93

950 5 42,8 48,3 43,9 40,24 35,1 30,97 27,1 23,8

975 35,3 43,6 41,5 40,3 38,06 35,8 35,25 34,1

1000 23,4 38,5 40,4 41,04 38,5 38,7 38,8 38,3

Representando los valores de la Tabla 7 tenemos:


50

Figura 29. Tensión recibida en función de la separación

Figura 30. Tensión recibida en función de la frecuencia

En la Figura 29 y Figura 30 se representa la tensión captada por la antena

receptora en el eje vertical y la separación y la frecuencia en el eje horizontal,

respectivamente.

Se puede observar que la potencia recibida por la antena receptora es máxima

para 775 MHz, y en particular para una distancia de separación de 50 mm. Se debe

señalar también la existencia de otro máximo relativo a 900 MHz. Las medidas

obtenidas a la distancia mínima tienen menos precisión, como ya se señaló

anteriormente, debido a la inclinación de la antena.

A continuación se mostrarán las pérdidas en función de la distancia, así como de

la frecuencia


51



Se aprecia que la distancia óptima para la mayoría de frecuencias estudiadas es

de 40 mm, mientras que la frecuencia a la que se producen menos pérdidas se

encuentra cerca de los 775 MHz.


52

4.4. STENT COMO ANTENA RECEPTORA

Este apartado constituye la parte más importante del proyecto, ya que se

desarrolla el objetivo del mismo, es decir, la evaluación del rendimiento del stent

como antena receptora.

Figura 33. Fotografía del stent utilizado

Como durante el desarrollo del estudio se utilizan valores de 50 Ω, necesitamos

que el stent tenga una resistencia similar. Para ello, se mide el valor de resistencia

del conjunto stent + conector BNC obteniendo un valor cercano a 15 Ω. Añadiendo

en serie una resistencia de 33 Ω se consigue un valor del conjunto de casi 50 Ω, con

lo que las pérdidas por reflexión adquieran un valor prácticamente nulo. Con el fin

de minimizar la influencia de las patas de la resistencia en la medida de la potencia

recibida (funcionan como antena), se reduce el tamaño de las mismas hasta un

valor mínimo.

Figura 34. Esquema stent como antena receptora, medidas dentro del banco de pruebas


53

Figura 35. Stent con resistencia en serie acoplado al conector BNC

El procedimiento llevado a cabo a la hora de realizar esta serie de medidas fue

similar al caso de las dos antenas dentro de la caja. Se realiza un barrido desde 700

MHz hasta 1000 MHz en intervalos de 25 MHz para cada valor de separación entre

la antena transmisora y el dispositivo implantable.

Figura 36. Interior del banco de pruebas

Las tensión recibida por el conjunto stent + resistencia + conector se representa

en la siguiente tabla, y cuya unidad de medida es el mVrms.


54

Tabla 8. Medidas con stent como antena receptora

Frecuencia (MHz)

GTx = GRx

(dB)

d = 30

mm

d = 40

mm

d = 50

mm

d = 60

mm

d = 70

mm

d = 80

mm

d = 90

mm

d = 100

mm

700 4,5 108,8 214,66 173,11 151,61 115,22 25,03 10,37 15,69

725 4,5 54,04 116,49 129,56 128,15 119,31 15,08 10,61 35,83

750 4,5 40,5 18,37 23,77 39,73 42,82 8,13 12,38 21,12

775 4,5 26,3 35,7 31,64 19,03 20,19 11,31 15,27 15,45

800 4,5 10,22 8,17 12,88 16,57 22,74 24,77 10,55 43,68

825 5 43,45 36,17 37,98 34,16 38,49 37,81 37,34 22,56

850 5 41,33 51,35 36,31 8,98 19,77 30,95 34,87 40,83

875 5 19,12 49,05 51,17 61,27 53,89 48,88 32,96 25,96

900 5 85,2 103,93 105,59 76,55 67,88 69,41 46,07 15,77

925 5 132,35 159,9 129,52 67,24 37,06 19,42 14,31 41,15

950 5 51,19 48,65 55,87 44,2 29,87 30,71 20,66 14,55

975 21,15 16,25 9,17 3,9 2,87 7,96 7,33 5,09

1000 11,18 9,05 7,13 3,76 3,55 7,42 3,92 3,73

Figura 37. Tensión recibida por el stent en función de la separación


55

Figura 38. Tensión recibida por el stent en función de la frecuencia

A la hora de anotar los valores de la tensión recibida, al no mantenerse

totalmente constante con el tiempo, se decide esperar 30 segundos para tomar la

medida, suponiendo un tiempo equivalente por parte del médico a la hora de

obtener la lectura.

Se observa que a partir de la separación de 70 mm la potencia recibida por el

stent disminuye considerablemente. El rango de distancias en el que el dispositivo

recibe mayor cantidad de señal es entre 30 y 60, mientras que las frecuencias más

favorables se encuentran entre los 700 y 725 MHz y alrededor de los 925 MHz.



56


Como conclusión se puede señalar que el comportamiento óptimo como antena

receptora se produce a una separación de 40 mm y a una frecuencia de 700 MHz.

Es preciso señalar que para todas las medidas realizadas, se ha preferido medir

la tensión recibida en unidades de mVrms con el fin de obtener un valor más fiable,

ya que en el caso de haber trabajado en unidades logarítmicas (dBm), las pequeñas

variaciones habrían afectado de manera importante a nuestras mediciones.

Obtener el valor de la potencia a partir de la tensión no supone una gran

complicación debido a que en todo momento se conoce el valor de la impedancia

(50 Ω) y es sabido que 𝑃 = 𝑉 · 𝐼 y 𝑉𝑟𝑚𝑠 = 𝑉𝑝/√2, siendo 𝑉𝑝 el valor de la tensión de

pico.


57

5. CONCLUSIONES

En el presente proyecto se estudia la eficiencia de un stent como posible antena

receptora. Para ello se ha seleccionado el caso más favorable para el dispositivo

implantable y se ha comparado con el equivalente para la antena. Se observa en el

apartado anterior que la frecuencia a la que mejor trabaja el stent como antena

receptora es 700 MHz. Estudiamos a continuación la influencia de la separación

entre la antena transmisora y la receptora (antena o implante) para dicha frecuencia.

Figura 41. Tensión recibida en función de la separación a 700 MHz

Se puede apreciar que la separación a la que mejor trabaja el dispositivo como

antena receptora es de 40 mm. Por ello, analizamos en la siguiente figura la

influencia de la frecuencia para dicho valor de separación.


58

Figura 42. Tensión recibida en función de la frecuencia a 40 mm de separación

Como se señala anteriormente, podemos confirmar que el stent recibe más

potencia que la antena para valores de frecuencia comprendidos entre 700 – 750

MHz y alrededor de los 925 MHz.

Dicho esto, es posible afirmar la frecuencia óptima de trabajo se ubica cerca de

los 700 MHz, mientras que una separación entre el lector y el stent próxima a

40 mm (equivalente a colocar un lector externo en contacto con la piel del paciente)

maximiza la potencia recogida por el dispositivo implantable.

Durante la elaboración del estudio se ha trabajado con el stent en posición

vertical y sin obstáculos entre la antena transmisora y el mismo, por lo que una

posible continuación del análisis sería la realización de las medidas con el

dispositivo colocado dentro de un tejido similar al presente en el cuerpo humano y

con distintas posiciones relativas entre la antena transmisora y el dispositivo

implantable.

Además de esto, otra línea futura de investigación a partir del presente estudio

sería la obtención de una expresión para la transmisión de potencia en espacio libre

entre antenas situadas próximas, que se correspondiera con los resultados

obtenidos, ya que ninguna de las fuentes consultadas contenía una ecuación válida

para nuestro caso.


59

III. ANEXOS


60

1. CÓDIGO DE MATLAB PARA GRÁFICAS

function [CTROL]=TFG_FIGURES(HFIG,DX,DY,ARC,FORMATO) % ------------------------------------------------------------------------- % FUNCIÓN "TFG_FIGURES.m" % ------------------------------------------------------------------------- % Función de guardado de figuras con formato acorde al documento de TFG. % % El archivo con la figura creada se alojará en la misma carpeta donde se % ubique el programa de llamada a la función. % % % [CTROL]=TFG_FIGURES(HFIG,DX,DY,ARC,FORMATO) % % Variables de salida: % ==================== % - CTROL: indicación de solución obtenida correctamente. % -> CTROL==1 <--> Solución válida % -> CTROL==0 <--> Solución no válida % % Variables de entrada: % ===================== % - HFIG: identificador de figura a guardar. % - DX: anchura de la figura en el documento de TFG (cm). % - DY: altura de la figura en el documento de TFG (cm). % - ARC: nombre del archivo con el que guardar la figura. % - FORMATO: extensión del archivo con el que guardar la figura. % -> FORMATO==0 <--> '.emf' % -> FORMATO==1 <--> '.png' % -> FORMATO==2 <--> '.pdf' % -> FORMATO==3 <--> '.eps' % % % Grupo de Ingeniería Microelectrónica. % Universidad de Cantabria 2018. % ------------------------------------------------------------------------- % ------------------------------------------------------------------------- % -----------------------------------------------------------------------

% ------------------------------------------------------------------------- % DEFINICIÓN DE VARIABLES DE USO. % ------------------------------------------------------------------------- % Extensión del archivo a guardar. switch FORMATO case 0 EXTENSION='.emf'; CODIGO='-dmeta'; case 1 EXTENSION='.png'; CODIGO='-dpng'; case 2 EXTENSION='.pdf'; CODIGO='-dpdf'; case 3 EXTENSION='.eps'; CODIGO='-deps';


61

otherwise EXTENSION='.emf'; CODIGO='-dmeta'; disp(' '); disp('WARNING: '); disp('No se ha indicado un formato de archivo válido'); disp('El formato por defecto es .emf'); disp(' '); end

% Ubicación del archivo. FILE_PATH=strcat(pwd,'\',ARC,EXTENSION);

% ------------------------------------------------------------------------- % DEFINICIÓN DE TAMAÑO DE LA FIGURA A ALMACENAR. % ------------------------------------------------------------------------- % Unidades de medida de archivo de salida. set(HFIG,'PaperUnits','centimeters');

% Dimensiones de archivo de salida. set(HFIG,'PaperSize',[DX DY]);

% Ubicación de la figura en el archivo. % La figura se ha posicionado de forma que ocupe todo el espacio reservado % para el archivo, evitando la aparición de bordes blancos a los lados de % la imagen guardada. set(HFIG,'PaperPositionMode','manual'); set(HFIG,'PaperPosition',[0 0 DX DY]);

% Método de renderizado de la imagen a guardar. % La opción 'painters' está recomendada para gráficos en 2-D, no siendo % óptima para el caso de figuras en 3-D. set(HFIG,'renderer','painters');

% Copia de la figura en el archivo. print(HFIG,ARC,CODIGO);

% ------------------------------------------------------------------------- % INDICACIÓN POR PANTALLA DE UBICACIÓN DEL ARCHIVO GUARDADO. % ------------------------------------------------------------------------- % Aviso al usuario por pantalla. disp(' '); disp('Una imagen ha sido guardada en la ubicación:'); disp(sprintf('%s',FILE_PATH)); disp(' ');

end


62

IV. PLANOS


63


64


65

V. PLIEGO DE CONDICIONES


66

1. UTILIZACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS

En el presente apartado se tratará de explicar la correcta utilización del banco de

pruebas realizado en el proyecto.

Para obtener el funcionamiento deseado es necesario que la puerta de la caja

esté completamente cerrada, asegurando así el bloqueo de las interferencias

electromagnéticas. Además, es preciso que las antenas estén adaptadas tanto al

generador como al receptor (osciloscopio), con el fin de que no se produzcan

pérdidas por reflexión. En nuestro caso el valor de la impedancia es de 50 Ω.

Cuando se quiera realizar medidas utilizando un único terminal de los presentes

en la caja, se recomienda bloquear el otro conector con dos terminaciones de 50 Ω,

una a cada lado del mismo, con el fin de mejorar el apantallamiento.

Por otro lado, se debe tener precaución a la hora de mover la caja ya que la cinta

de cobre que la recurre tiene un espesor muy pequeño por lo que puede rasgarse

con relativa facilidad, empeorando así las propiedades del banco de pruebas.

Figura 43. Banco de pruebas con terminación de 50 Ω


67

2. CONDICIONES LEGALES DEL BANCO DE PRUEBAS

En el presente proyecto se define un prototipo, cuyo uso será exclusivo por el

grupo de microelectrónica de la Universidad de Cantabria y cuya propiedad

intelectual pertenece en exclusiva al autor del proyecto como a la institución a la que

pertenece.

Debido a su caracterización como prototipo, únicamente puede ser utilizado para

realizar pruebas experimentales controladas en un laboratorio técnico con el equipo

adecuado especificado en el proyecto, respetando las características técnicas del

mismo.

El uso indebido del banco será responsabilidad única y directa del usuario,

eximiendo de responsabilidad civil y penal al proyectante y a la institución.


68

VI. MEDICIONES


69

1. PARTE MECÁNICA

Id. Uds. Descripción Cantidad

total

1.01 Ud. Tabla de contrachapado 400x400x10mm. 6

1.02 Ud. Perfil L de aluminio 10x10mm y 1mm de espesor.

400mm de longitud. 10

1.03 Ud. Perfil U de aluminio10x10x10mm y 1mm de espesor.

400 mm de longitud. 4

1.04 Ud. Bisagra acero para madera 25x18mm y 0,5mm de

espesor. 2

1.05 Ud. Fieltro adhesivo 16mm de diámetro. 4

1.06 Ud. Tornillo acero inoxidable M3x25mm. Cabeza plana. 28

1.07 Ud. Imán para cierre 8mm de diámetro. 1

1.08 Ud. Rollo de cinta de cobre adhesiva ASIV 50mm de ancho

20m de longitud. 0,05mm de espesor. 2


70

2. MATERIAL DE MEDIDA


total

2.01 Ud. Antena Lysignal 700MHz-2700MHz 12DB

Omnidireccional. 2

2.02 Ud. Adaptadores de conexión BNC hembra - hembra

AERZETIX. 2

2.03 Ud. Terminación RF Tektronix 50Ω 2w BNC 4 GHz. 2

2.04 Ud. Cable coaxial Pro Signal BNC-BNC RG59U. 2

2.05 Ud. XACT Carotid Stent System 8-6 mm de diámetro,

30mm de longitud. 1


71

3. MANO DE OBRA


total

3.01 Horas Trabajo de Ingeniero titulado en diseño electrónico. 250

3.02 Horas Trabajo de Ingeniero titulado en diseño mecánico y

físico para elaboración del banco de pruebas. 50


72

VII. PRESUPUESTO


73

1. PARTE MECÁNICA

Id. Descripción Uds. Precio

unitario

Precio

total

1.01 Tabla de contrachapado 400x400x10mm. 6 3,38€/Ud. 20,25€

1.02 Perfil L de aluminio 10x10mm y 1mm de

espesor. 400mm de longitud. 10 0,55€/Ud. 5,50€

1.03 Perfil U de aluminio 10x10x10mm y 1mm de

espesor. 400 mm de longitud. 4 1,40€/Ud. 5,60€

1.04 Bisagra acero para madera 25x18mm y

0,5mm de espesor. 2 2,75€/Ud. 5,50€

1.05 Fieltro adhesivo 16mm de diámetro. 4 0,05€/Ud. 0,20€

1.06 Tornillo acero inoxidable M3x25mm. Cabeza

plana. 28 0,06€/Ud. 1,68€

1.07 Imán para cierre 8mm de diámetro. 1 0,65€/Ud. 0,65€

1.08

Rollo de cinta de cobre adhesiva ASIV 50mm

de ancho 20m de longitud. 0,05mm de

espesor

2 16,20€/Ud. 32,40€

Subtotal 71,78€

La parte mecánica del proyecto supone un total de setenta y un euros con

setenta y ocho céntimos.


74

2. MATERIAL DE MEDIDA

Id. Descripción Uds. Precio

unitario

Precio

total

2.01 Antena Lysignal 700MHz-2700MHz 12DB

Omnidireccional. 2 6,99€/Ud. 13,98€

2.02 Adaptadores de conexión BNC hembra -

hembra AERZETIX. 2 2,25€/Ud. 4,50€

2.03 Terminación RF Tektronix 50Ω 2w BNC

4 GHz. 2 16,31€/Ud. 32,62€

2.04 Cable coaxial Pro Signal BNC-BNC

RG59U. 2 5,38€/Ud. 10,76€

2.05 XACT Carotid Stent System 8-6 mm de

diámetro, 30mm de longitud. 1 162,00€/Ud. 162,00€

Subtotal 223,86€

El material de medida del proyecto supone un total de doscientos veintitrés

euros con ochenta y seis céntimos.


75

3. MANO DE OBRA

3.1. MANO DE OBRA DIRECTA

Para la elaboración del presente prototipo se ha requerido de los servicios de un

Ingeniero Industrial, con conocimientos en diseño electrónico, físico y mecánico. Se

estipula un sueldo para el mismo de 15€ la hora.

Id. Descripción Horas Precio

unitario

Precio

total

3.01 Trabajo de Ingeniero titulado en diseño

electrónico. 250 15€/hora 3750,00€

3.02

Trabajo de Ingeniero titulado en diseño

mecánico y físico para elaboración del

banco de pruebas.

50 15€/hora 750,00€

Subtotal 4500,00€

La mano de obra directa supone un total de cuatro mil quinientos euros.

3.2. MANO DE OBRA INDIRECTA

El proyecto se ha llevado a cabo bajo la supervisión del grupo de investigación de

Microelectrónica de la Universidad de Cantabria, por lo que será necesario añadir al

presupuesto la dedicación por parte del tutor de trabajo. Suponiendo una dedicación

del 20% del tiempo por parte del grupo de investigación a la supervisión de este tipo

de proyectos, y que se dirigen 4 trabajos al año; la implicación del grupo sobre el

presente trabajo es del 5%.

Asumiendo que el supervisor ha dedicado la misma cantidad de horas al proyecto

que el Ingeniero Industrial, el total de horas invertidas en la supervisión será:

250 ∙ 0,05 = 12,5 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠


76

Estimando un sueldo de 20€ la hora de trabajo, el coste asciende hasta los:

12,5 ∙ 20 = 250€

Por lo que el coste de la mano de obra indirecta es de doscientos

cincuenta euros.

3.3. GASTO SOCIAL

Como partida de gasto social del proyecto se destina el 20% de la mano de obra

directa e indirecta del mismo.

4500€ + 250€ = 4750€ → 0,20 ∙ 4750€ = 950€

La parte de gasto social basado en la mano de obra supone un total de

novecientos cincuenta euros.


77

4. PRESUPUESTO TOTAL

Concepto Presupuesto

Parte mecánica 71,78€

Material de medida 223,86€

Mano de obra directa 4500,00€

Mano de obra indirecta 250,00€

Gasto social 950,00€

TOTAL EJECUCIÓN MATERIAL 5995,64€

El presupuesto total de ejecución material del proyecto asciende a un total de

cinco mil novecientos noventa y cinco euros con sesenta y cuatro céntimos.

Es preciso señalar que en el presupuesto anterior no se incluye la previsión de

posibles beneficios ni impuestos relacionados con su venta, al tratarse de un

proyecto destinado al uso propio del grupo de investigación y no se contempla la

posibilidad de venta del diseño prototipo ni a nivel material ni intelectual.


78

VIII. REFERENCIAS


79

[1] Badimon L, Marrugat J, Gil-Extremera, Estruch R. Aterosclerosis coronaria. En:

Farreras-Rozman (eds). Medicina Interna. 18ª edición. Elsevier España; 2016.

[2] Ridker PM, Libby P, Buring JE. Marcadores de riesgo y prevención primaria de

las enfermedades cardiovasculares. En: Mann DL, Zipes DP, Libby P y Bonow RO

(eds). Tratado de Cardiología Braunwald. 10ª edición. Elsevier España; 2016.

[3] Franklin SS, Wong ND. Hypertension and cardiovascular disease: Contributions

of the Framingham Heart Study. Global Heart. 2103;8:49-57.

[4] Aune D, Schlesinger S, Norat T, Riboli E. Tobacco smoking and the risk of

sudden cardiac death: A systematic review and meta-analysis of prospective studies.

Eur J Epidemiol. 2018;33:509-21.

[5] Aronson D, Edelman ER. Coronary artery disease and diabetes mellitus. Cardiol

Clin. 2014;32:439-55.

[6] Palaniappan L, Carnethon MR, Wang Y, Hanley AJG, Fortmann SP, Haffner SM

et al. Predictors of the incident metabolic syndrome in adults. Diabetes care.

2004;27:788-93.

[7] Kaminski P, Szpotanska-Sikorska M, Wielgos M. Cardiovascular risk and the use

of oral contraceptives. Neuro Endocrinol Lett. 2013;34:587-9.

[8] Gaziano TA, Prabhakaran D, Gaziano JM. Repercusión global de las

enfermedades cardiovasculares. En: Mann DL, Zipes DP, Libby P y Bonow RO

(eds). Tratado de Cardiología Braunwald. 10ª edición. Elsevier España; 2016.

[9] Libby P. Biología vascular de la aterosclerosis. En: Mann DL, Zipes DP, Libby P y

Bonow RO (eds). Tratado de Cardiología Braunwald. 10ª edición. Elsevier España;

2016.


80

[10] Bosch X. Cardiopatía isquémica. En: Farreras-Rozman (eds). Medicina Interna.

18ª edición. Elsevier España; 2016.

[11] Lim MJ, White CJ. Coronary angiography is the gold standard for patients with

significant left ventricular dysfunction. Prog Cardiovascular Dis. 2013;55:504-8.

[12] Sabaté M. Cateterismo cardiaco con finalidad diagnóstica y terapéutica. En:

Farreras-Rozman (eds). Medicina Interna. 18ª edición. Elsevier España; 2016.

[13] Buccheri D, Piraino D, Andolina G, Cortese B. Understanding and managing in-

stent restenosis: a review of clinical data, from pathogenesis to treatment. J Thorac

Dis. 2016;8:E1150-E1162.

[14] Mauri L, Bhatt DL. Intervención coronaria percutánea. En: Mann DL, Zipes DP,

Libby P y Bonow RO (eds). Tratado de Cardiología Braunwald. 10ª edición. Elsevier

España; 2016.

[15] Kalra A, Rehman H, Khera S, Thyagarajan B, Bhatt DL, Kleiman NS et al. New-

Generation Coronary Stents: Current Data and Future Directions. Curr Atheroscler

Rep. 2017;19:14.

[16] Puricel S, Arroyo D, Corpataux N, Baeriswyl G, Lehmann S, Kallinikou Z et al.

Comparison of everolimus- and biolimus-eluting coronary stents with everolimus-

eluting bioresorbable vascular scaffolds. J Am Coll Cardiol. 2015;65:791-801.

[17] de Winter RJ, Katagiri Y, Asano T, Milewski KP, Lurz P, Buszman P et al. A

sirolimus-eluting bioabsorbable polymer-coated stent (MiStent) versus an

everolimus-eluting durable polymer stent (Xience) after percutaneous coronary

intervention (DESSOLVE III): a randomised, single-blind, multicentre,non-inferiority,

phase 3 trial. Lancet. 2018;391:431-40.

[18] Dangas GD, Claessen BE, Caixeta A, Sanidas EA, Mintz GS, Mehran R. In-

stent restenosis in the drug-eluting stent era. J Am Coll Cardiol. 2010;56:1897-907.


81

[19] Chow EY, Chlebowski AL, Chakraborty S, Chappell WJ, Irazoqui PP. Fully

wireless implantable cardiovascular pressure monitor integrated with a medical stent.

IEEE Trans Biomed Eng. 2010;57:1487-96.

[20] Chen X, Brox D, Assadsangabi B, Hsiang Y, Takahata K. Intelligent telemetric

stent for wireless monitoring of intravascular pressure and its in vivo testing. Biomed

Microdevices. 2014;16:745-59.

[21] Park J, Kim JK, Patil SJ, Park JK, Park S, Lee DW. A wireless pressure sensor

integrated with a biodegradable polymer stent for biomedical applications. Sensors

(Basel). 2016;16:E809.

[22] Miguel-Díaz, JA. Stent inteligente para la monitorización inalámbrica de la

reestenosis cardiovascular [Thesis on the internet]. Santander: Universidad de

Cantabria; 2017. Disponible en:

https://repositorio.unican.es/xmlui/handle/10902/11375.

[23] Huidobro JM. Antenas de telecomunicaciones. ACTA [Revista electrónica];

2013. Disponible en:

https://www.acta.es/medios/articulos/ciencias_y_tecnologia/020001.pdf

[24] Cardama A, Jofré Ll, Rius JM, Romeu J, Blanch S. Antenas (2ª edición).

Barcelona: Ediciones de la Universidad Politécnica de Cataluña; 2002.

[25] Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Standard Dictionary of

Electrical and Electronic Terms (2ª edición), New York: Wiley (Interscience); 1979.

[26] Valenzuela RA. Antennas and propagation for wireless communications.

Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Vehicular Technology

Conference – Mobile Technology for the Human Race. Atlanta, USA. 1996.

[27] Young HD, Freedman RA. Gauss Law. En: University Physics with Modern

Physics (12ª ed). Addison-Wesley (Pearson); 2008.

https://repositorio.unican.es/xmlui/handle/10902/11375

https://www.acta.es/medios/articulos/ciencias_y_tecnologia/020001.pdf


82

[28] Chapman SJ, Hewett DP, Trefethen LN. Mathematics of the Faraday Cage.

Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM) Review. 2015;57:398-41.

[29] Orden ETU/1033/2017, de 25 de octubre, por la que se aprueba el Cuadro

Nacional de Atribución de Frecuencias. Madrid: Ministerio de Energía, Turismo y

Agenda Digital. BOE número 259, de 27 de octubre de 2017, páginas 103115-

103478.

[30] Schantz HG, A Near Field Propagation Law & A Novel Fundamental Limit to

Antenna Gain Versus Size. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE);

Washington, DC, USA; 2005.

caracterizaciÓn de estructuras metÁlicas …

Documents