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Cuando las soluciones de potencia eficiente se encuentran con la luz en los láseres médicos

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Cuando en 1900 Max Planck dedujo la relación entre la energía y la frecuencia de la radiación, su teoría marcó un punto de inflexión en la física e inspiró a físicos prometedores como Albert Einstein. Pocos pudieron ver las implicaciones de ese descubrimiento para el mundo médico.
Desde el descubrimiento de Planck fueron otros 60 años de publicaciones, inventos e innovaciones hasta el 22 de marzo de 1960 cuando dos investigadores de los Laboratorios Bell, Charles Townes y Arthur Schawlow, obtuvieron la patente estadounidense número 2.929.922 para el máser óptico, ahora llamado LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Si el año 2020 marca el 60 aniversario del nacimiento de la tecnología LÁSER, también es el aniversario de la primera aplicación en el campo de la medicina.
16 de mayo de 1960: Theodore H. Maiman construyó el primer láser usando un cilindro de rubí sintético de 1cm de diámetro y 2cm de largo, con los extremos recubiertos de plata para hacerlos reflectivos y capaces de servir como resonador de Fabry-Perot, usando lámparas de flash fotográfico como fuente de bombeo del láser. En 1962 un dermatólogo llamado Leon Goldman experimentó con una versión del láser de rubí Maiman para eliminar tatuajes no deseados. De hecho, es justo decir que los inventos y descubrimientos de Maiman y Goldman han contribuido a uno de los usos más populares del láser médico en el año 2020: eliminar tatuajes no deseados (Figura 02).
Si la eliminación de tatuajes parece anecdótica, a partir de esa aplicación temprana los láseres médicos han encontrado su camino hacia una amplia variedad de aplicaciones médicas y, sin nombrarlas todas, hay muchos ejemplos de tratamientos con láser en oftalmología, oncología y otras formas de cirugía de los que todos nos hemos beneficiado o de los que hemos oído hablar.

Cuando una fuente de alimentación hace posible la emisión de luz
Si la naturaleza de la generación de láser es específica para el tratamiento dirigido, es decir, la generación de emisión de luz en el rango de 193 nanómetros (Excimer ArF) a 10.600 nanómetros (CO2) (Figura 03) y pulsos de 5 nanosegundos a 1 milisegundo, todos ellos tienen algo en común: una fuente de alimentación.
Además de alimentar la computación integrada y otros equipos electrónicos, los láseres médicos requieren sistemas de alimentación muy específicos capaces de suministrar energía de alto pico repetitivo (voltaje o corriente), con seguridad y fiabilidad.
En función de la aplicación final, cada tipo de láser requiere un tipo diferente de fuente de alimentación que puede variar desde un generador de corriente para el láser de diodo de onda continua, hasta complejas soluciones de alimentación en el caso de los láseres de gas o las bombas de lámparas que utilizan lámparas de flash como generador de luz.


Probablemente podríamos identificar tantas fuentes de alimentación como tipos de láser se utilizan en el entorno médico, aunque como fabricante de fuentes de alimentación lo simplificamos a dos:
- De corriente constante para alimentar el tipo de láser de diodo emisor de luz (LED)
- De alto voltaje para alimentar lámparas de destello y tubos de descarga
Inicialmente limitados en su potencia, los láseres de diodo no eran muy comunes en las aplicaciones médicas, sin embargo, con el desarrollo de una amplia gama de diodos que generan longitudes de onda de 405 a 2200 nanómetros, se hacen populares en el campo de la terapia fotodinámica, donde la longitud de onda es más crucial.
Al igual que en otras aplicaciones que utilizan LEDs (por ejemplo, iluminación), la fuente de alimentación se define a menudo como un controlador de LED. Utilizados tanto en la nueva generación de láseres de estado sólido como en el generador propiamente dicho, los drivers láser de LED requieren una atención especial a la estabilidad de la corriente y a la compensación de la energía suministrada en función de la temperatura del elemento LED. Los modernos generadores de corriente para los láseres LED se basan en la tecnología digital con una interfaz de entrada/salida (E/S) que permite supervisar y controlar la fuente de energía para cumplir los requisitos de la aplicación. Mediante algoritmos predictivos, la etapa de potencia puede programarse para que funcione de forma segura y para que proporcione la energía específica que se requiere con un solo pulso
Un láser LED podría funcionar en el rango de unos pocos milivatios a más de 100 vatios cuando se utiliza una matriz de LED como las que se utilizan en las bombillas de estado sólido de LED. Con el desarrollo de los supercondensadores, los drivers de LED para los láseres a menudo los usan como almacenamiento de energía. En tales casos, la fuente de alimentación incluye circuitos especiales que controlan la energía almacenada en el supercondensador para optimizar, ciclo por ciclo, el nivel de energía entregado a la carga.
Desde el punto de vista de un diseñador de fuentes de alimentación, las aplicaciones de alimentación y de láser LED son muy similares a las de los generadores de corriente convencionales, lo que no ocurre cuando se diseñan soluciones de alimentación para láseres de gas o bombas de lámparas que utilizan un tubo de descarga.

Alimentando gas y láseres de estado sólido de alta energía
El gas y los láseres de estado sólido de alta energía utilizan luces de flash o tubos de descarga que requieren altos voltajes para generar los niveles de energía necesarios para iniciar el "proceso de bombeo". En este tipo de aplicación, el diseño de la fuente de alimentación requiere conocimientos específicos en la conmutación de alta tensión y el almacenamiento de energía.
Los láseres de estado sólido bombeados por lámpara y las fuentes de alimentación de los láseres de gas tienen especificaciones complejas, que requieren dos elementos: una fuente de alimentación que convierta la tensión de línea de CA en la alta tensión requerida por el elemento emisor, y un banco de energía de condensadores de alta tensión para el almacenamiento de energía. La tensión dependerá del nivel de energía requerido para activar el bombeo, pero en las aplicaciones médicas convencionales suele estar entre 600 y 3.000 VDC.
Similar a su cámara de flash, la fuente de alimentación carga un condensador, que luego entrega la energía a la lámpara de flash. Sin embargo, mientras que podemos aceptar un pequeño retraso en la carga del condensador de nuestra cámara personal, en el caso de un láser médico la energía debe estar disponible sin demora, lo que requiere un banco de condensadores para almacenar grandes cantidades de energía.
Para los diseñadores de potencia que no están acostumbrados a tratar con topologías de alta transferencia de energía, puede ser difícil estimar el tamaño del campo de energía y el método de control preferido para optimizar la etapa de potencia.
La potencia de salida necesaria para los láseres de estado sólido bombeados por lámpara o los láseres excimer pulsados de alta potencia se suele dar en términos de julios por segundo, que es una función del tiempo de carga, la tasa de repetición, el voltaje de salida y las características de los componentes. Durante un ciclo de carga y descarga, la tasa de cambio de voltaje no es constante, lo que difiere mucho de las aplicaciones convencionales en las que normalmente la corriente máxima y la tasa de carga están bastante bien definidas. El diseño de este tipo de fuentes de alimentación requiere una cooperación muy estrecha con el fabricante del equipo para probar la solución de potencia en condiciones reales.
Es muy común que los fabricantes de láser médico dividan la solución de potencia en dos partes. Estas son la fuente de alimentación en sí (Figura 04) y la batería de condensadores de alta tensión, que por razones de seguridad podría estar en un tanque sellado.
En cuanto a la tecnología, las fuentes de alimentación modernas utilizan técnicas de control digital, que no sólo mejoran la eficiencia, sino que, en el caso de los láseres médicos, también mejoran la fiabilidad del equipo debido a que su principio de funcionamiento se basa en la energía pulsada, que se sabe que es estresante para los componentes electrónicos. Como se presentó anteriormente en la parte de este artículo dedicada a la solución de la potencia del láser LED, el uso del control digital ofrece enormes beneficios en términos de gestión de la energía. Es posible controlar la unidad de potencia a un solo bit y ajustar todos los parámetros ciclo por ciclo. Por ejemplo, durante la cirugía el cirujano podría solicitar más potencia o pulsos más largos para la ablación de tumores. Controlada por el ordenador incorporado, la fuente de alimentación puede programarse entre dos pulsos para cambiar el voltaje de carga y/o la cantidad de energía requerida por el elemento emisor.

¿Qué más deberían considerar los diseñadores de potencia?
Seguridad - No hay duda de que tratar con altos voltajes y una cantidad significativa de energía requiere prestar mucha atención a la seguridad. Normalmente incorporada en un equipo final, obviamente la fuente de alimentación debe cumplir con las normas generales de seguridad y medioambientales, pero durante el proceso de diseño los diseñadores de potencia deben prestar especial atención a todos los riesgos relacionados con los peligros inherentes a los altos voltajes.
Riesgo - En lo que respecta a las fuentes de alimentación incluidas en los equipos finales y no en los equipos médicos como tales, algunos clientes están exigiendo un análisis completo de evaluación de riesgos, por ejemplo, la norma ISO 14971, que debe considerarse desde el primer día.
EMI – Los picos máximos en la conmutación de energía generan emisiones electromagnéticas y perturbaciones en la línea que pueden interferir con otros equipos médicos. El filtrado y la corrección del factor de potencia requieren una atención especial durante la fase de diseño para no sólo cumplir con las normas y reglamentos en el momento de la certificación, sino para tener en cuenta el envejecimiento de los componentes de filtrado, por ejemplo, los condensadores electrolíticos durante toda la vida útil del equipo.
Ruido y calor - Además de las regulaciones locales, las instituciones hospitalarias, médicas y paramédicas están requiriendo que los equipos electrónicos funcionen sin ruido audible. Teniendo en cuenta que los equipos láser incluyen una serie de elementos disipadores, a menudo se requiere un enfriamiento forzado. Para lograr un buen enfriamiento con el menor ruido audible, los fabricantes están utilizando grandes ventiladores que giran a bajas velocidades para enfriar sus sistemas. Por seguridad, los bancos de condensadores y las fuentes de alimentación están alojados en cajas selladas, limitando el enfriamiento a la conducción a través del chasis. Este es un punto importante a considerar durante el diseño de las fuentes de alimentación para los láseres médicos.

¿Cómo pueden las nuevas tecnologías de energía beneficiar a los láseres médicos?
Durante muchos años, el tamaño de una fuente de alimentación para el uso del láser médico no ha sido una preocupación real, pero las cosas están cambiando. Los fabricantes de láseres médicos están considerando una nueva generación de láseres "portátiles" para el cuidado en casa y para aumentar la movilidad de los servicios médicos. La investigación para desarrollar láseres más potentes, y con longitudes de onda combinadas, los láseres LED están mostrando un buen progreso. El control operativo se realiza fácilmente en una tableta (no más pantallas incorporadas), pero por supuesto, partes del equipo requerirán una dieta seria para lograr la portabilidad.
En el caso de los láseres LED, los supercondensadores basados en las nanotecnologías están ofreciendo niveles de capacidad impresionantes para almacenar una gran cantidad de energía y, utilizando semiconductores de banda ancha, por ejemplo, Nitruro de Galio, Carburo de Silicio, el tamaño de la fuente de alimentación podría reducirse en un factor de x3. Esto es muy prometedor y no tengo ninguna duda de que los láseres médicos LED se beneficiarán de las últimas tecnologías e innovaciones que se están produciendo en la industria de suministro de potencia.Figura 03: Longitudes de onda y ejemplos de aplicaciones del láser en el campo de la medicina.

Figura 04: PRBX Fuente de alimentación con picos de carga altos para uso médico del láser


Acerca de Powerbox
Fundada en 1974, con sede en Suecia y operaciones en 15 países de cuatro continentes, Powerbox atiende a clientes de todo el mundo. La compañía se centra en cuatro mercados principales -industrial, médico, transporte/ferrocarril y defensa- para los que diseña y comercializa sistemas de conversión de potencia de primera calidad para aplicaciones exigentes. La misión de Powerbox es utilizar su experiencia para aumentar la competitividad de los clientes satisfaciendo todas sus necesidades de potencia. Todos los aspectos del negocio de la empresa se centran en ese objetivo, desde el diseño de componentes avanzados que se incorporan a los productos, hasta los altos niveles de servicio al cliente. Powerbox es reconocida por sus innovaciones técnicas que reducen el consumo de energía y su capacidad para gestionar el ciclo de vida completo de los productos y, al mismo tiempo, minimizar el impacto medioambiental. Powerbox, una empresa del Grupo Cosel.

Sobre el autor:

Patrick Le Fèvre, Director de Marketing y Comunicación de Powerbox, es un ingeniero experimentado y cualificado con una trayectoria de 35 años de éxito en electrónica de potencia. Ha sido pionero en la comercialización de nuevas tecnologías como la energía digital e iniciativas técnicas para reducir el consumo de energía. Le Fèvre ha escrito y presentado numerosos white papers y artículos en las conferencias internacionales de electrónica de potencia más importantes del mundo. Estas han sido publicadas más de 250 veces en medios de comunicación de todo el mundo. También participa en varios foros ambientales, compartiendo su experiencia y conocimiento de la energía limpia.

Patrick Le Fèvre
Director de Marketing y Comunicación de Powerbox

 

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