Diseño de un sistema no invasivo para la detección de fracturas óseas en huesos largos mediante validación con fantomas

Abstract

La detección de fracturas óseas en huesos largos requiere sistemas portátiles capaces de identificar discontinuidades internas para diagnóstico rápido, especialmente en entornos con recursos limitados. Los métodos convencionales, como la radiografía y la tomografía, son efectivos, pero implican alto costo y baja portabilidad. Esta investigación diseñó y validó mediante simulación un sistema no invasivo basado en microondas para la detección de fracturas óseas en huesos largos. La metodología tuvo un enfoque cuantitativo no experimental. Se modeló un sistema de transmisión-recepción compuesto por antenas tipo patch con superficies de impedancias reactivas (RIS), para mejorar la concentración y el acoplamiento de energía electromagnética en el tejido. El sistema fue evaluado con simulaciones usando el método de elementos finitos (FEM) en CST Studio Suite. Se implementó un modelo multicapa que representa los tejidos humanos como la piel, grasa, músculo, sangre y hueso, definidos a partir de propiedades dieléctricas reportadas en bases de datos especializadas. Se analizaron diferentes estructuras de fantomas, teniendo en cuenta hueso sano y con fracturas de tipo transversal centrada, transversal desplazada, oblicua y espiral. El análisis se centró en la fase del parámetro de transmisión S21 por su sensibilidad frente a variaciones dieléctricas. Los datos fueron procesados en MATLAB mediante normalización, cálculo del RMS angular, construcción de mapas bidimensionales α-z y perfiles longitudinales para localizar regiones asociadas a la fractura. Los resultados muestran que el sistema es capaz de identificar hueso sano y fracturado por patrones diferenciados en la fase. Las fracturas transversales generan máximos localizados, las fracturas oblicuas producen distribuciones más extendidas coherentes con la geometría de la discontinuidad y las espirales presentan picos máximos cercanos a la fractura debido al muestreo. El error de localización evidenció que las desviaciones obtenidas se encuentran dentro del límite impuesto por la resolución espacial del muestreo. El análisis de fase S21 valida el uso de microondas como mecanismo para detectar fracturas en huesos largos bajo un esquema de modelado multicapa.