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RESUMEN

El Flujometro es uno de los dispositivos de mayor uso en lo que se refiere a la medición pulmonar. Los Flujometros son instrumentos portátiles, fáciles de usar y en nuestro proyecto tiene la ventaja de tener interfaz con la computadora.

Este proyecto está constituido por un sensor de presión diferencial MPX10D, un neumotacografo de Lily el cual presenta una malla metálica resistiva a la mitad de dicho cilindro, también cuenta con diseños de amplificadores operacionales con configuraciones de restador e inversora para las etapas de obtención de datos de los sensores y amplificación respectivamente, también se hace uso de las gráficas las cuales son visualizadas en la computadora para poder obtener los resultados con las siguientes características:

Mediciones graficas de curva volumen – tiempoMediciones graficas de flujo- volumenCapacidad vital forzada

Para el funcionamiento del Flujometro se diseñó una fuente simétrica de 12 [V] con un consumo de 1 [A].

El Flujometro es un instrumento ideal para valorar la mecánica respiratoria debido a que permite el análisis de las gráficas obtenidas y una valoración con respecto a enfermedades respiratorias. Es un dispositivo de bajo costo y de gran utilidad para el diagnóstico respiratorio, cualquier paciente del que se sospeche alguna patología respiratoria puede ser sometido al examen del Flujometro siguiendo siempre las indicaciones adecuadas y una higiene del instrumento adecuado.

María Luisa Arnez Martínez

Ingeniería Biomédica

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1. Antecedentes

Para la determinación de una enfermedad respiratoria resulta de interés conocer la presión interior del pulmón y la diferencia de presión que existe entre este y el medio ambiente, es decir, su capacidad y esfuerzo. Un procedimiento para medir la diferencia de presión en el organismo es medir el flujo entrante al sistema respiratorio mediante la espirometria de flujo o con el Flujometro (Medidor de Flujo Espiratorio Máximo).

El medidor de flujo espiratorio máximo o Flujometro es para un paciente con problemas respiratorios como un “termómetro para un paciente con fiebre”. Los medidores de FEM (Flujo Espiratorio Máximo) ayudan a determinar en qué medida están abiertas sus vías respiratorias, en vez de adivinar solo como se siente.

El medidor de flujo espiratorio máximo es un dispositivo portátil que mide el flujo de aire, o tasa de flujo espiratorio máximo (TFEM). Se puede usar para:

Determinar la gravedad de problemas respiratorios Controla la respuesta al tratamiento de alguna patología respiratoria Monitorizar el avance en el tratamiento y brindar información para los cambios

en su terapiaDetectar un empeoramiento de la función pulmonar y evitar posibles ataques.

FEM es el flujo espiratorio máximo, un parámetro dentro del conjunto de los valores que son posibles obtener de la función pulmonar.

Habitualmente se define como FEM, aunque en algunas ocasiones puede encontrarse como FEF (Flujo Espiratorio Forzado) o PEFR (pico espiratorio forzado). También se le denomina en algunos trabajos como pico flujo, peak flow o ápice de flujo.

El FEM se obtiene de una maniobra espiratoria forzada partiendo de una inspiración máxima (igual que en una espirometría), con la diferencia que la maniobra no tiene por qué ser prolongada, pues para el FEM no se precisa la rama descendente de la curva espirométrica.

2. Planteamiento del Problema

Una patología respiratoria requiere de constantes controles y monitoreo para poder determinar el estado de un paciente y para satisfacer estas necesidades se requiere de un dispositivo practico, fácil de usar, de bajo costo y con un grado de exactitud elevado como es el Flujometro.

¿Es el Flujometro un dispositivo adecuado para el monitoreo del estado del sistema respiratorio de un paciente?

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3. JUSTIFICACIÓN a. Temática

El medidor de FEM es un dispositivo medico indispensable a la hora de un diagnostico respiratorio el cual nos ayudara a ver el estado de nuestras vías respiratorias.

Una de las patologías respiratorias más frecuentes es el asma y las personas que lo padecen a menudo utilizan el medidor de flujo espiratorio máximo para medir la cantidad de aire que pueden expeler de los pulmones. Si las vías aéreas se estrechan o bloquean debido al asma, el valor del flujo espiratorio máximo desciende, porque la persona no puede expeler aire fuera de los pulmones de forma correcta. El medidor de flujo espiratorio máximo puede ser una ayuda útil para monitorear el asma a través del tiempo y también puede usarse para determinar qué tan efectivos son los medicamentos para el paciente.

b. Social

Al momento de realizarse un examen médico el paciente busca su comodidad y practicidad dos ventajas que el medidor de FEM ofrece, debido a que es portátil y de fácil uso es muchas veces de mayor preferencia que un espirómetro o un examen clínico.

c. Económica

El medidor de FEM es económico y ofrece un resultado óptimo .Estos dispositivos se encuentran al alcance de las personas y su función es muy útil la cual nos puede servir para prevenir enfermedades crónicas y así ahorrar de gastos hospitalarios.

4. OBJETIVOS a. General

Diseño y construcción de un medidor de flujo espiratorio máximo

b. Específicos Realizar una investigación sobre patologías respiratorias.Realizar una investigación sobre volúmenes y capacidades respiratorias útiles para el diseño de proyecto.Realizar un análisis de los componentes a utilizar en el proyecto.Diseño del medidor de flujo espiratorio máximo.Diseño de una fuente de alimentación adecuada al proyecto.Realizar las calibraciones respectivas de los sensores de presión.

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Diseño del interfaz del circuito hacia la computadoraProgramación del ejecutable en Visual Basic.Implementar en diseño de flujo espiratorio máximo.

5. ALCANCE a. Técnico

El proyecto abarcara la medición del volumen espiratorio máximo de una persona la cual se realizara mediante la utilización de un sensor de presión, seguido de una etapa de amplificación y llevando los datos a un microcontrolador. Cada una de las partes de este sistema tendrá las siguientes funciones.

El tubo que se utilizara servirá para que el aire espirado sea captado de manera más precisa por el dispositivo .El sensor que se utilizara de presión y tendrá la función de comparar los volúmenes y determinar los distintos rangos.

b. SocialEl presente proyecto tendrá el objetivo de beneficiar a toda persona que necesite de estos servicios sin discriminar la edad o sexo. Existen contraindicaciones para algunas patologías respiratorias, estas son:

Absolutas:NeumotóraxÁngor inestableDesprendimiento de retina

Relativas:TraqueotomíaProblemas bucalesHemiplejía facialNáuseas por la boquillaNo comprender la maniobra (ancianos, niños)Estado físico o mental deteriorado

c. Espacial y TemporalLa realización de este proyecto se realizara durante las horas establecidas por la materia de Taller II en el Campus Tiquipaya de la Universidad del Valle .Se estima que la duración abarcara lo que respecta a un semestre (4 meses).

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6. METODOLOGIA DE DESARROLLO

El proyecto de implementación del Flujometro se realizara mediante un análisis de investigación y observación , para llegar al objetivo final del proyecto se debe utilizar como principio fundamental la ley de Poiselle referida en nuestro caso al neumotacografo de Lily el cual presenta una resistencia metálica en su interior .

Su funcionamiento se basa en la adquisición de presiones diferenciales generados mediante la espiración o inspiración de un paciente mediante los sensores de presión MPX10D, después de esta primera etapa de entrada los datos se deberán calibrar para eliminar el voltaje de offset(este voltaje es muy perjudicial al momento de graficar ya que distorsiona los valores reales y por tanto los resultados del examen), lo cual lograremos con un diseño amplificadores en configuración de restadores y finalmente se ingresara la señal a una última etapa de amplificación de donde se obtendrá una señal más precisa de la presión (expresada en KPa).

Las gráficas son una herramienta muy importante en el proyecto ya que de acuerdo a ellos se puede realizar un análisis de los resultados esto se realizara de la siguiente manera: los datos se ingresaran en una interfaz RS232 a la PC y con un programa que seguirá un flujo adecuado diseñado en Visual Basic se obtendrá las gráficas deseadas que son: presión – tiempo, volumen- tiempo, volumen - flujo.

Los resultados obtenidos deberán ser sometidos a un análisis meticuloso para satisfacer las distintas necesidades. Estas pueden ser el monitoreo para evitar ataques como por ejemplo de asma, avances sobre algunos tratamientos, etc.

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I. MARCO TEORICO

1. SISTEMA RESPIRATORIO

El sistema respiratorio tiene la función de suministrar oxígeno y eliminar dióxido de carbono en los diferentes tejidos. Este sistema se engloba dentro de uno mayor que se encarga de la alimentación de los tejidos. Sus órganos principales son los pulmones [Guyton, 2010].

La respiración es el proceso vital mediante el cual el cuerpo toma el aire del ambiente y lo introduce al organismo para producir este intercambio de oxígeno y dióxido de carbono a nivel celular.

El aparato respiratorio se divide clásicamente en:Tracto inferior: (Fig.1.) cumple una misión de conducción y de intercambio

gaseoso. Sus principales conductos y estructuras son: la tráquea, los bronquios, los bronquiolos y los alvéolos.

Tracto superior: (Fig.2.) además de cumplir la función de conducción, realiza otras funciones no menos importantes como purificación, humidificación y calentamiento del aire inspirado. Sus principales conductos y estructuras son: la nariz, la cavidad nasal, la boca, la faringe y la laringe.( Aston R,2000)

Figura 1. Tracto respiratorio inferior

Fuente: (www.Adam.com).

Figura 2. Tracto respiratorio superior

Fuente: (www.Adam.com )

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LosAlvéolos

1.1. MECÁNICA RESPIRATORIA

La acción de inspirar y expirar aire se lleva a cabo mediante la contracción y relajación de los músculos respiratorios.Los pulmones están conectados al exterior a través de las vías respiratorias y los cambios de volumen torácico son los que van a crear las presiones positivas o negativas que transportarán el aire hacia el interior o al exterior del cuerpo.Cuando la caja torácica aumenta su volumen, se genera una presión negativa que produce una entrada del aire exterior hasta que se produce un equilibrio de presiones. Este aumento de volumen es producido por la contracción de los músculos respiratorios: el diafragma y los músculos intercostales.Cuando a continuación disminuye el volumen de la caja torácica relajado estos músculos, se crea una presión positiva que produce una salida pasiva del aire al exterior.

Figura 3. Movimiento de la caja torácica y el diafragma durante la inspiración y espiración

Fuente: (www.ama-assn.org/)

El intercambio de gases entre el aire y la sangre tiene lugar a través de las finas paredes de los alvéolos y de los capilares sanguíneos.La sangre circula alrededor de los alvéolos a través de capilares. En el lugar donde se encuentran los alvéolos y los capilares, el oxígeno pasa hacia el torrente sanguíneo y, al mismo tiempo, el dióxido de carbono pasa desde el torrente sanguíneo hacia los alvéolos para ser exhalado. La figura 4 ilustra este proceso. (www.ama-assn.org/)

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LosAlvéolos

Figura 4. Intercambio de O2 y CO2 a través de los alveolos

Fuente: (www.ama-assn.org/)

1.2. FRECUENCIA RESPIRATORIA

Frecuencia respiratoria es el número de respiraciones (ciclos de contracción y expansión de los pulmones) que un sujeto realiza por unidad de tiempo. Normalmente se expresa en respiraciones por minuto. La frecuencia respiratoria en reposo de cada individuo depende de factores como la edad, la genética, la condición física, el estado psicológico, etc. También puede verse comprometida por diversas afecciones médicas.

Tabla 1. Intervalo en el que podría considerarse una frecuencia respiratoria normal en función de la edad.

Respiraciones por

Minuto

Recién nacidos _ 44

Niño 20–40

Pre Adolescente 20–30

Adolescente 16–25

Adulto 12–20

Adultos en ejercicios

Moderados

35–45

Atletas Picos de hasta 60–70

Fuente: (www.aarc.org/,2004)

2. VOLÚMENES Y CAPACIDADES PULMONARES

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La medición de volúmenes y capacidades pulmonares es una herramienta útil para detectar y cuantificar la severidad de diversas afecciones así como para evaluar la respuesta a ciertas terapias. Éstos dependen de las características físicas de cada sujeto y de las condiciones de su sistema respiratorio. (Salaz, 2010)

A continuación de definen los principales volúmenes y capacidades pulmonares:

Figura 5. Volúmenes y capacidades pulmonares

Fuente: (modificada de www.frca.co.uk )

2.1. VOLÚMENES PULMONARES ESTÁTICOS

Volumen normal o corriente: Vc. Corresponde al aire que se utiliza en cada respiración (Aproximadamente 500cc)

Volumen de reserva inspiratoria: VRI. Corresponde al máximo volumen inspirado a partir del volumen corriente. (Aproximadamente 2.500cc)

Volumen de reserva espiratoria: VRE. Corresponde al máximo volumen espiratorio a partir del volumen corriente. (aproximadamente 1.500 cc)

Capacidad vital: CV. Es el volumen total que movilizan los pulmones, es decir, sería la suma de los tres volúmenes anteriores.

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Volumen residual: VR. Es el volumen de aire que queda tras una espiración máxima. Para determinarlo, no se puede hacerlo con una espirometría, sino que habría que utilizar la técnica de dilución de gases o la plestimografia corporal. (Aproximadamente 1.500cc)

Capacidad pulmonar total: TLC. Es la suma de la capacidad vital y el volumen residual.La espirometría forzada es aquella en que, tras una inspiración máxima, se le pide al paciente que realice una espiración de todo el aire, en el menor tiempo posible. Es más útil que la anterior, ya que nos permite establecer diagnósticos de la patología respiratoria. Los valores de flujos y volúmenes que más nos interesan son:

Volumen máximo espirado en el primer segundo de una espiración forzada (VEF1) (se expresa en mililitros): Es el volumen que se expulsa en el primer segundo de una espiración forzada. Su valor normal es mayor del 80% del valor teórico.

Relación VEF1/CVF: Indica el porcentaje del volumen total espirado que lo hace en el primer segundo. Su valor normal es mayor del 70-75%.

Flujo espiratorio máximo entre el 25 y el 75% (FEF25-75%): Expresa la relación entre el volumen espirado entre el 25 y el 75% de la CVF y el tiempo que se tarda en hacerlo. Su alteración suele expresar patología de las pequeñas vías aéreas.( Ferrero,1998)

2.1.1. CAPACIDAD VITAL FORZADA

La capacidad vital forzada consiste en una espiración forzada en el espirómetro. El paciente, ya sea sentado o de pie, inspira y espira completamente todo el aire de los pulmones tan rápido como puede.

Los resultados de la prueba se comparan con los valores previstos que se calcula a partir de su edad, tamaño, peso, sexo y grupo étnico.

Dos curvas se muestran después de la prueba: el asa flujo-volumen y la curva volumen-tiempo. .( Ferrero,1998)

3. INTERPRETACIONES GRAFICAS RESPIRATORIAS

3.1. CURVA VOLUMEN-TIEMPO:

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Grafica 6. Curva Volumen- Tiempo

(www.medicinapreventiva.com.ve)

El volumen espirado en el primer segundo de la prueba de la CVF se llama VEF1

(Volumen espiratorio forzado en el primer segundo) y es un parámetro muy importante en la espirometría. El VEF1% es el VEF1, dividido por la CV (Capacidad Vital) por 100: VEF1% = VEF1/CV X100. Hoy en día VEF1/CVF X100 también se acepta como VEF1%.Los pacientes sanos espiran aproximadamente el 80% de todo el aire de sus pulmones en el primer segundo durante la maniobra de CVF. Un paciente con una obstrucción de las vías respiratorias superiores tiene un VEF1% disminuida. Un VEF1% que es demasiado alto es un indicio de una restricción del volumen pulmonar.Después de 6 segundos, un segundo parámetro se obtiene: VEF6. Esto es cada vez más utilizado como una alternativa para la CVF. VEF1/VEF6 que puede ser utilizado en lugar de VEF1/CVF.

3.2. EL ASA FLUJO-VOLUMEN:

Esta es la curva más importante en la espirometría. Un asa flujo-volumen NORMAL comienza en el eje X (eje de volumen): en el inicio de la prueba tanto el flujo y el volumen son iguales a cero. Inmediatamente después de este punto de partida de la curva se alcanza rápidamente un pico: El Flujo Pico Espiratorio (FPE). Si la prueba se realiza correctamente, este FPE se alcanza dentro de los primeros 150 milisegundos de la prueba y es una medida para el aire expirado de las vías respiratorias superiores (tráquea y bronquios).

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A mitad de la curva (cuando el paciente ha expirado la mitad del volumen) se alcanza el FEF50: Flujo Espiratorio Forzado al 50% de la CVF.

Después de 75% se alcanza el parámetro FEF75 .El flujo medio entre los puntos FEF 25 y FEF 75 también es un parámetro muy importante y se llama FEF2575. Esto es actualmente el primer parámetro que se reducirá en muchas enfermedades respiratorias.

Es importante concientizar que no hay ningún eje de tiempo en el asa flujo-volumen, por lo que uno no puede interpretar los intervalos de tiempo. Un paciente sano espirará entre el 70 y el 90% de la CVF en el primer segundo de la prueba. Esto significa que tomará aproximadamente unos 5 segundos para espirar los últimos 10 a 30% de la CVF. El punto donde se alcanza el VEF1 se muestra en la curva.

Cuando el flujo llega a cero, se alcanza la CVF: el paciente ha soplado tanto aire como le fue posible.

Después de esto, se recomienda que el paciente realiza una inspiración completa y forzada (para obtener un asa flujo-volumen cerrada), aunque la prueba puede ser interpretada sin esto. (Mugruza,2007)

Grafica 7. Grafica de la curva Flujo- Volumen

(www.medicinapreventiva.com.ve )

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3.3. INTERPRETACION CORRECTA DE LAS CURVAS OBTENIDAS

Evaluar las curvas y comprobar si son válidas: deben tener una duración adecuada, con una morfología correcta y sin artefactos.Comprobar, si las curvas son reproducibles, es decir, que la diferencia entre las dos mejores debe ser menor del 5% o de 200 ml. de CVF y VEF1.Leer los resultados de los distintos parámetros espirométricos en el siguiente orden:

Inicialmente VEF1/CVF para ver si hay obstrucción. luego CVF para valorar si existe restricción y, por último. VEF1, para evaluar la gravedad de la alteración

4. PATOLOGIAS RESPIRATORIAS

Existen 3 patrones principales que rigen las patologías respiratorias estas son:

4.1. OBSTRUCTIVO:

Indica disminución de flujo aéreo bien por aumento de las resistencias de las vías aéreas (asma) bien por disminución en la retracción elástica del parénquima (enfisema).

Curva de volumen-tiempo: En este tipo de curva se aprecia perfectamente que el aire tarda más en expulsarse, lo que se manifiesta por una disminución de la pendiente de la curva (la curva se “desplaza” hacia la derecha). Curva de flujo-volumen: La parte descendente de la curva muestra una concavidad hacia arriba, que será tanto más pronunciada cuanto mayor sea el grado de obstrucción. Así pues, en el patrón obstructivo tendremos: VEF1/CVF(disminución

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del flujo espiratorio máximo respecto de la capacidad vital forzada) <70%, CVF 80% de su valor de referencia y VEF1<80% de su valor de referencia.( Mugruza,2007)

Grafica 8.Patologias obstructivas(www.medicinapreventiva.com.ve )

En resumen:

CVF NORMAL. VEF1 disminuido. VEF1/CVF disminuido

Tabla 2. Clasificación de la Severidad de la Obstrucción(www.asma.com)

Clasificación VEF1 (% PREDICHO)Posible variante fisiológica normal

Obstrucción leve

Obstrucción moderada

Obstrucción moderadamente

severa

Obstrucción severa

Obstrucción muy severa

≥ 100%

<100%

≥70%

<70% y ≥60%

<60% y ≥50%

<50% y ≥35%

< 35%

4.2. RESTRICTIVO:

Disminución de CPT bien por alteración del parénquima (fibrosis, ocupación, amputación), del tórax o de los músculos respiratorios y/o de su inserción.

Curva de volumen-tiempo: La principal característica del patrón restrictivo es la limitación de la CVF, lo que condiciona que el VEF1 se reduzca en parecida

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proporción. Así pues, la curva de volumen/tiempo será similar a una normal, pero con volúmenes reducidos; es decir, será como una curva normal “en miniatura”. Curva de flujo-volumen: La curva es parecida a la normal, pero más estrecha por la disminución de la CVF, lo que le da su característico aspecto picudo. La curva será más estrecha cuanto mayor sea el grado de restricción.( Mugruza,2007)

Grafica 9. Grafica de patologías restrictivas

Fuente: (www.medicinapreventiva.com.ve )

En resumen:

CVF disminuido. VEF1 disminuido. VEF1/CVF NORMAL

Tabla 3. Clasificación de la Severidad de la Restricción(www.asma.com)

Clasificación CVF (% PREDICHO)Restricción leveRestricción moderadaRestricción moderadamente severaRestricción severa Restricción muy severa

<100% y ≥70%<70% y ≥60%<60% y ≥50%<50% y ≥35%< 35%

4.3. MIXTO:

Combina características de ambos.

Curva de volumen-tiempo: Podemos decir que la curva del patrón mixto es como

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una obstructiva “en miniatura”Curva de flujo-volumen: ´Se observará tanto de limitación del flujo aéreo como de restricción. Por lo tanto, en el patrón mixto puede verse: VEF1/CVF <70%, CVF <80% del valor de referencia y VEF1 <80% del valor de referencia. .( Mugruza,2007)

Grafica 10. Grafica de patología mixta

Fuente:(www.medicinapreventiva.com.ve)

En resumen:

CVF disminuido. VEF1 disminuido. VEF1/CVF disminuido

Tabla 4 Comparación de las clasificaciones de Patologías Respiratorias

Obstructivo Restrictivo

Mixto

CVF Normal ↓ ↓

VEF1 ↓ ↓ ↓

VEF1/CVF ↓ Normal ↓

Fuente: (www.asma.com)

5. MEDIDOR DE FLUJO RESPIRATORIO MAXIMO

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La necesidad de contar con un instrumento de medición más simple que el espirómetro, condujo al desarrollo del Flujometro, instrumento simple y económico que puede ser empleado en los consultorios, en los servicios de urgencia e incluso por los pacientes en sus domicilios

El Flujometro permite medir el flujo espiratorio máximo, más conocido como PEF (peak expiratory flow). Este índice funcional es similar al VEF1 (Volumen Espiratorio Forzado en el primer segundo), con el cual se correlaciona muy bien.

Aun cuando el PEF necesita bastante colaboración del sujeto, su reproducibilidad, una vez aprendida la maniobra, es habitualmente muy buena. Por su mediana sensibilidad, no permite detectar obstrucciones leves.

El PEF se emplea preferentemente en el control seriado de pacientes con asma, que hace posible evaluar objetivamente las variaciones de la obstrucción de las vías aéreas producidas por la enfermedad o por su tratamiento.

Para una evaluación correcta de los resultados es necesario que se tenga un conocimiento de lo que es la espirometria. (Cromwell L, 2003)

5.1. NEUMOTACOGRAFOS

El gas atraviesa una malla cuya resistencia genera una diferencia de presión que es medida y vinculada con el valor del flujo. Éste se calcula usando la Ley de Poiseuille.Un neumotacografo es un sensor de flujo gaseoso que lo transforma en presión diferencial, entre los neumotacógrafos los más difundidos son el tipo Fleisch y el tipo Lilli. El neumotacografo Fleisch consiste en un conjunto de tubos capilares que suministran una resistencia fija y pequeña al flujo de aire. Pequeñas aperturas en cada extremo de los tubos capilares se utilizan para medir la diferencia de presión creada cuando el flujo de aire pasa a través del dispositivo.Mientras que en los neumotacógrafos de Lilli se sustituyen los tubos capilares por membranas.La diferencia de presión, es muy pequeña y es medida con un sensor de presión diferencial que a la salida genera una señal eléctrica a partir de la cual se obtienen los valores de flujo.

Figura 11 Neumotacografo de Fleisch

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Fuente: (Weiber)

Figura 12. Neumotacografo de Lilly

Fuente: (Webber)5.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.

El principio de funcionamiento se basa en la Ley de Poiseuille que consiste en:

5.2.1. LEY DE POISEUILLE:

Sean dos capas de gas de área S que distan dx y entre las cuales existe una diferencia de velocidad dv.

Figura 13. Sección del gas.

Fuente: ( www.bioingenieros.com)

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La fuerza por unidad de área que hay que aplicar es proporcional al gradiente de velocidad. La constante de proporcionalidad se denomina viscosidad.

Figura 14. Gas circulando en régimen por una tubería.

Fuente: ( www.bioingenieros.com)

Considerando un gas que circula en régimen laminar por una tubería de radio interior R, y de longitud L, bajo la acción de una fuerza debida a la diferencia de presión existente en los extremos del tubo.

Sustituyendo F en la fórmula y teniendo en cuenta que el área A de la capa es ahora el área lateral de un cilindro de longitud L y radio r.

Integrando esta ecuación de ambos lados se obtieneEsta ley describe la relación entre el caudal gaseoso por el tubo y la presión diferencial.

Figura 15. Diagrama de un neumotacografo Fleisch.

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Fuente: (www.bioingenieros.com )

La ventaja de estos sensores es que tienen Buena respuesta en frecuencia y son fáciles de desarmar, la desventaja que poseen es que requieren mantenimiento periódico para evitar que la humedad y las secreciones lo obstruyan. (Tobin M, 2002)

6. SENSOR DE PRESION DIFERENCIAL

El dispositivo de serie MPX10 es un sensor de presión piezo-resistivo de silicio que proporciona una salida de tensión muy precisa y lineal - directamente proporcional a la presión aplicada. Este sensor es de bajo costo, y el ser no compensado permite a los fabricantes diseñar y añadir su propia compensación de temperatura exterior y de las redes de acondicionamiento de señal.

6.1. CARACTERÍSTICASBajo costoEl corte de saturación esta patentada con un diseño de Strain gage de silicioProporcional al voltaje de suministroFácil de Usar Opciones de los paquetes de chips de CarrierDiferencial y Opciones de medidor

6.2. EJEMPLOS DE APLICACIÓNAire de Control de TráficoLos sistemas de control ambientalIndicadores de Nivel

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Detección de FugasInstrumentación MédicaControles IndustrialesRobótica

FIGURA 16. MPX10D

Fuente: (www.datasheetcatalog.com)

FIGURA 17. Muestra un esquema de los circuitos internos en el chip de presión independiente del sensor.

Fuente:(www.datasheetcatalog.com)

6.3. COMPENSACIÓN DE TEMPERATURA

El sensor de presión piezo-resistivo es un dispositivo semiconductor que emite una señal eléctrica de salida proporcional a la presión aplicada al dispositivo. Este dispositivo utiliza un único semiconductor transversal de tensión.

Debido a que este medidor de deformación es una parte integral del silicio diafragma, no hay efectos de la temperatura debido a las diferenciasen la expansión térmica del medidor de deformación y eldiafragma, como se encuentran a menudo en medidor de deformación unidossensores de presión.

La compensación de temperatura y compensación de calibración puede serlograda algo simplemente con componentes adicionales de resistencia,o por el diseño de su sistema usando la serie MPX2010D

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del sensor. Varios enfoques para la compensación de temperatura externamás de dos de -40 a +125 ° C y 0 a +80 ° C rangos sonpresentados en las solicitudes de Motorola Nota AN840.

6.4 LINEALIDAD

La linealidad se refiere a qué tan bien la salida de un transductor de la siguientela ecuación: Vout = + Voff sensibilidad x P sobre la gestiónrango de presión (Figura 19). Hay dos métodos básicos parael cálculo de la no linealidad: (1) punto final en forma de línea recta o una (2)mínimos cuadrados línea de mejor ajuste. Mientras que un mínimo ajuste cuadrados da el "Mejor de los casos" error de linealidad (menor valor numérico), los cálculosrequerida son gravosos.

Por el contrario, un ajuste de punto final dará el "peor de los casos" error(a menudo más conveniente en los cálculos presupuestarios de error) y elcálculos son más sencillo para el usuario.

Figura 18. Salida frente a la presión diferencial.

Fuente: (www.datasheetcatalog.com )

Figura 19. Comparación de linealidad Especificaciones

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Fuente: (www.datasheetcatalog.com )

7. AMPLIFICADORES OPERACIONALESEn el presente proyecto se hizo uso de 2 configuraciones con amplificadores operacionales: el diferencial y un inversor cuyo diseño se muestra a continuación:

7.1. AMPLIFICADOR OPERACIONAL RESTADOR

El amplificador operacional restador básico puede considerarse que está formado por un amplificador operacional inversor y por otro amplificador operacional no inversor.

Grafica 20. Configuración Amplificador operacional Restador

Fuente: (www.informatica.com )

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De I1=I3 deducimos:

De I2=I4 deducimos:

Si igualamos las dos expresiones de VE:

La expresión final de Vo se puede simplificar si se considera que la resistencia combinada en paralelo de R3 y R1 es igual a la resistencia combinada en paralelo de R2 y R4.

7.2. AMPLIFICADOR INVERSOR

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Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada, en polaridad, aunque pude ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia que le demos al amplificador en lazo cerrado. La señal, como vemos en la figura, se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o no inversor se lleva a masa. La resistencia R2, que va desde la salida al terminal de entrada negativo, se llama de realimentación.

Grafica 21. Configuración Amplificador Inversor

Fuente: (www.electronicafacil.net )

En todo A.O. podemos decir que:

Por tanto si:

Con lo cual las corrientes I1 e I2:

Como quedamos que Vx=0 quedará:

Al ser Ix=0, entonces: I1=I2 y por lo tanto:

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Al final tenemos:

8. VENTAJAS Y DESVENTAJAS SOBRE LA ESPIROMETRÍA

La medición del peak flow es una técnica sencilla que tiene ventajas e inconvenientes respecto a la espirometría:

8.1. VentajasLos resultados de la medida del FEM se correlacionan con los valores del FEV1 de la espirometría.Su realización fatiga menos que la espirometría forzada.El medidor es pequeño, portátil y de uso sencillo.El mantenimiento técnico del aparato es mínimo.La interpretación del resultado es simple.

8.2. DesventajasNo puede sustituir por completo a la espirometría.No proporciona información de las vías aéreas de pequeño calibre.No es útil en los pacientes con EPOC.Al ser dependiente del esfuerzo y de una correcta técnica de realización, puede ser menos valorable en niños pequeños y en ancianos y susceptible de simulación.

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INGENIERIA DEL PROYECTO

1. DIAGRAMA DEL PROYECTO

A continuación se presenta el diagrama de bloques del proyecto:

Grafica 22. Diagrama de bloques del Flujometro

Fuente: Elaboración Propia

2. ENTRADA DE AIRE

La entrada de aire al neumotacografo se realiza mediante las operaciones de inspiración y espiración forzada del paciente, (inhalar y exhalar todo el aire posible) se realiza de esta manera para poder realizar un examen de mayor precisión, dicho aire ingresara en una boquilla desechable de plástico, con 3 cm de diámetro y 2 c.5 cm de largo, la cual pertenecía a una máscara de oxígeno y fue acoplada de acuerdo al uso de nuestro proyecto.

Se vio por conveniente el uso de esta boquilla debido a que nuestro proyecto en general debe ser inmune a cualquier posibilidad de contagio por alguna patología que se pueda presentar en el paciente para esto se debe cambiar la boquilla en cada paciente obteniendo así un mayor porcentaje de seguridad en la higiene y prevención de transferir alguna enfermedad de un paciente a otro.

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Grafica 23.- Boquilla del Flujometro

Fuente: Elaboración propia

3. NEUMOTACOGRAFO DE LILLY

El principio en el que se basan los neumotacógrafos es la medición de la diferencia de presiones del aire antes y después de atravesar una resistencia conocida, para el Flujometro se utilizara una malla metálica que se obtuvo de las coladeras de cocina ya que estas son más tupidas. Fue necesario el uso de 2 mallas sobrepuestas para que así se obtenga una mayor resistencia y por tanto una mayor exactitud en el diferencial de presión en los sensores. Una vez obtenido el flujo, el Pic calculara los volúmenes por integración matemática del flujo en función del tiempo.El principal problema de los neumotacógrafos es que pueden verse afectados por la condensación.

Grafica 24: esquema del neumotacografo de Lilly

Fuente: Elaboración Propia

3.1. CARACTERISTICAS

En el presente proyecto el neumotacografo se realizó de la siguiente manera:

29

El dispositivo se diseñó mediante un tubo de empalme normal de 2 cm de diámetro y 20 cm de largo.La malla se colocó en la mitad del tubo con intervalos de 2mm.Se realizó orificios a 1.5 cm de distancia de cada lado de la malla para que en estos ingresen los tubos que irán a los sensores.Los tubos de conexión tienen 20 cm de largo y un diámetro de 0.5 cm están fabricados de un material especial que nos ayudara a hermetizar de manera considerable los ruidos provenientes del medio externo así como la humedad y temperatura que pueden afectar nuestro proyecto.

4. SENSORES DE PRESION DIFERENCIAL

El sensor de presión utilizado es el MPX10D, se necesitó 2 sensores uno a cada lado de la malla metálica para poder obtener un diferencial, estos están ubicados antes y después de la malla del neumotacografo.Las características principales de estos sensores son:

La medición máxima es de 10 K pascales lo cual está dentro del rango que se necesita para las mediciones de flujoEl primer sensor tiene un potencial innato de 26.8 mV y el segundo de 30.7 mV lo cual no afectara en el rendimiento del dispositivo por su valor pequeño y puede ser eliminado mediante un amplificador diferencial posteriormente.El voltaje de referencia utilizado es de 5 voltios.No es afectado en gran medida por el medio ambiente

Grafica 25 .sensor de presión MPX10D

Fuente: (www.datasheetcatalog.com ) 5. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

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En la parte de amplificación de señal y de la obtención del diferencial de presión se utilizó circuitos integrados LM741, este circuito fue utilizado para el Flujometro por presentar las siguientes ventajas:

Bajo costo del CIFacilidad de uso en las configuraciones para poder adaptar de manera más practica las variaciones que se requiera.Se tiene conocimientos teóricos sólidos.Es accesible y está disponible en el comercio local.

5.1. CALCULOS

Amplificador Restador Etapa de Sensores

Los cálculos para el primer amplificador diferencial es el siguiente:

Vo=V 2∗R3R2

−V 1∗R3R1

Si R3=10 K y R2= R1 = 1 K

Entonces:Vo=10∗V 2−10∗V 1

La ganancia de cada entrada es de 10 [V]

Grafica 26. Configuración del amplificador restador

Fuente: (Elaboración Propia)

Amplificador Restador Etapa de Eliminación de voltajes innatos de cada uno de los Sensores

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Voltaje innato del primer sensor (V1) = 268 mVVoltaje innato del segundo sensor (V2) = 307 mV

Vo=V2∗R 4 (R3+R1)R1(R2+R4 )

−V 1∗R3R1

Si R3 = R1 = R2 = 1 KΩ Entonces:

Vo= R4∗2K1K (1K+R 4 )

∗V 2−V 1

Resolviendo la ecuación tenemos R4 = 775 ΩPara obtener una mayor precisión en la resistencia se utilizó un potenciómetro de precisión de 1 K Ω

Grafica 27. Configuración amplificador restador.

Fuente: Elaboración propia

6. AMPLIFICACION DE LA SEÑAL

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La amplificación de la señal se realizó mediante una configuración inversora con un

integrado LM741, las características del amplificador son las mismas que la del

diferencial.

6.1. AMPLIFICADOR INVERSOR CALCULOS

Los cálculos para la realización de la amplificación es la siguiente:Amplificación de ganancia = 10Si Av = 10 entonces

10=R2R1

R2 = 10 * R1Si R2 = 10 K Ω R1 = 1K Ω

Grafica 28. Amplificador operacional Inversor

Fuente: (Elaboración Propia)

Los amplificadores operacionales necesitaron de un potenciómetro de precisión para que exista mayor grado de rendimiento esta ventaja ayudara para que el circuito no oscile y se mantenga lo más estable posible.

7. FUENTE DE ALIMENTACION

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La fuente de alimentación presentara las siguientes características apropiadas para el Flujometro de manera que su rendimiento sea eficaz:

Fuente simétrica de ±15 [V] con una corriente de 200 [mA] que se utilizara para los amplificadores operacionales los cuales necesitan ser alimentados con un voltaje positivo y negativo.Porcentaje de error de ±3% esto se debe al transformador y los capacitores, estos últimos son los que cargan voltaje y aumenta el voltaje límite.Se utilizó un circuito integrado 78S05 para la alimentación de los sensores. Estos sensores tienen una alimentación máxima de 5 [V] por esta razón tiene que ser exacto de lo contrario el sensor puede desempeñar de la manera errónea y por lo tanto alterar todo nuestro sistema.Para evitar ruidos de línea de alimentación se colocó capacitores uno de valor grande 3600uF y uno de amplitud pequeña 10nF.

Grafica 32: Fuente de Alimentación

Fuente: Elaboración propia

8. ESQUEMA FINAL DEL FLUJOMETRO

34

El dispositivo como anteriormente se mencionó consta de distintas etapas cada una con una función específica que hará de nuestro proyecto optimo y adecuado para su uso en exámenes respiratorios. En la gráfica se puede visualizar los sensores MPX10D que están representados por conectores de 4 pines los cuales necesitan de una alimentación de 5 [V] seguido de esto se encuentran los amplificadores restadores que calibraran el voltaje de offset, la etapa de restador de ambos sensores de presión y por ultimo un amplificador con una ganancia de 100 para que la señal pueda ser manejada de manera más efectiva en el ADC del PIC. Los amplificadores operacionales hacen uso de una polarización positiva y una negativa, para dicho tema se realizó la fuente de alimentación simétrica de ±12 [V] y de la que se requiere 10 [V].El esquema final es el siguiente:

Grafica 33: Proyecto final Proteus

Fuente: Elaboración propia

Grafica 34: Esquema PCB del proyecto Flujometro

35

Fuente: Elaboracion Propia

Grafica 35: Placa Final Proyecto Flujometro

Fuente: Elaboracion Propia

36

9. ESQUEMA FINAL DE LA INTERFAZ CON LA PC

La etapa de la interfaz se realizara mediante el PIC 16F877A con el cual conectaremos a un puerto de la PC como se muestra en la figura 34 (el sensor de temperatura simula a nuestro sensor de presión el cual no se encuentra disponible en Proteus), el LCD nos ayudara en la calibración de los datos para el ADC pero NO se incluirá en el proyecto final. La función del PIC es la de transmisión de los datos obtenidos del Flujometro y mediante un programa en C convertir estos valores analógicos en digitales para poder entablar la comunicación serial. En nuestro proyecto se utilizó un voltaje de referencia para poder tener una resolución más apropiada y tener más puntos en la gráfica y que se pueda realizar una curva más suavizada y cercana a la real. El voltaje de referencia utilizado en el ADC oscila entre 1 y 5 [V].Una vez realizada la conexión de datos se transmitirá a un programa de Visual BASIC para obtener las gráficas como se mostrara más adelante.

Grafica 36: esquema de interfaz

Fuente: Elaboración propia

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10. INTERFAZ DEL DISPOSITIVO CON LA PC

Esta parte del proyecto tiene las siguientes características:

La interfaz se la realizara mediante el PIC 16F877a debido a que posee un conversor Analógico Digital interno que es de suma importancia.El programa se ejecutara en Visual Basic 6.0.

10.1. PROGRAMA VISUAL BASIC 6.0.

El proyecto presente estará gestionado a las siguientes operaciones:

a. Base de Datos(SERVIDOR)

Grafica 37: interfaz de base de datos.

Fuente: (Elaboración Propia)

Tendrá Subrutinas que realizaran funciones secundarias como ser editar, eliminar pacientes, historial de paciente, agregar datos.

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Eliminar pacientes: se realizara mediante la conexión con la base de datos la que al momento de presionar sobre la fila de algún nombre tomara los datos y se llevara a una función de eliminar

Búsqueda de Paciente: este comando tendrá la capacidad de que cuando se ingrese un dato buscara todos los datos que contengan esos caracteres específicos

Nuevo Paciente: podrá ingresarse los datos de un nuevo usuario el cual será almacenado también en la base de datos

Editar: llamara al 2 formulario Historial paciente: lleva a un 3 formulario

b. EditarGrafica 38: Función Editar

Fuente: (Elaboración Propia)

Como la etiqueta lo indica se editara los datos del paciente almacenándolos en la base de datos

c. Historial Paciente

Este formulario tiene la función de graficar y a la vez de servidor:

Con este cuadro se podrá ver los datos que se quieren almacenar, a la hora de presionar el botón graficar se guardara la hora a la cual fue ejecutado el examen con esto se podrá hacer un seguimiento riguroso del paciente.

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Grafica 39: Función Servidor y Graficado Formulario 3

Fuente: (Elaboración Propia)

La función del programa radicara en convertir el voltaje tomado de los sensores y mediante la ecuación de Poiselle convertirla en flujo de aire y de acuerdo a como se quiera utilizar este puede ser graficado en función del tiempo o del volumen.

10.2. DIAGRAMA DE FLUJO

El diagrama de flujo tiene la función de orientarnos en el funcionamiento de nuestro programa de la interfaz del proyecto. Se realizara de la siguiente manera:

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En primera instancia se realizara la entrada de los datos obtenidos del circuito (los datos se encontraran dentro del rango de los milivoltios entre 0 a 30 mV), luego la conversión en el ADC del PIC 16F877 para luego mandar los datos hacia la PC.En esta parte se realizara las conversiones de presión a flujo mediante la ecuación de Poiselle y con la derivación de este a volumen. Para después visualizar estos datos en una gráfica.

Grafica 40: Diagrama de flujo del Flujometro

Fuente: Elaboración Propia

ENTRADA DE DATOS

SENAL PIC

CONVERTIR ANALOGICO DIGITAL PIC

ENTRADA DATOS PC

CONVERSION DE DATOS PARA

GRAFICA FLUJO

VISUALIZACION GRAFICA

CONVERSION DATOS GRAFICA

VOLUMEN

VISUALIZACION GRAFICA

DATOS GRAFICA PRESION

VISUALIZACION GRAFICA

BASE DE DATOS PACIENTES

FIN

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CAPITULO IV. CONCLUSIONES

Después de haber concluido con el diseño y la implementación del Flujometro llegamos a las siguientes conclusiones:

El presente trabajo es una aplicación electrónica en el área de la medicina

más específicamente del área respiratoria. Es un instrumento de gran utilidad,

en la mayoría de las patologías preciso y de bajo costo que se encuentra al

alcance de todos los pacientes que requieran de sus servicios utilizando las

herramientas óptimas para su desarrollo

Los objetivos planteados en el proyecto se consiguieron satisfactoriamente al

desarrollar un proyecto que promovió la practicidad deseada por parte de los

pacientes y de su fácil uso.

El Flujometro realizado puede ser un instrumento auxiliar en la conservación

de la salud y en la prevención y diagnóstico temprano de patologías

respiratorias.

El Flujometro dependerá de una toma de corriente de 220 [V] lo cual

imposibilita la movilidad práctica pero ofrece una duración de la alimentación

mayor que una batería por ejemplo.

La independencia a la presión atmosférica se consiguió al implementar un

Flujometro que utiliza un sensor d.e presión diferencial. Este sensor es un

transductor de bajo costo con presiones en el rango de Kilo pascales. Una de

las características de este sensor es el offset el cual siempre existirá pero se

podrá controlar en la entrada con amplificadores restadores.

Este proyecto favorece a los pacientes con patologías respiratorias por ser

cómodo y de bajo costo, no solo se puede aplicar en hospitales y clínicas sino

también en domicilios con las debidas precauciones que se presentaran en

recomendaciones.

CAPITULO V. RECOMENDACIONES.

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Las recomendaciones que pueden ser tomadas en cuenta a la hora de la

implementación del Flujometro son las siguientes:

Se debe establecer el tipo de neumotacografo a implementar de acuerdo a los

materiales que se posee a alcance así como también la factibilidad que este

posee

Para que la adquisición de datos sea eficiente se debe hacer un

acondicionamiento analógico digital lo más preciso posible para poder obtener

más nitidez en la señal

Se debe tener presente las características técnicas de cada componente que se

vaya a usar para poder tener resultados adecuados y así evitar danos en los

mismos componentes.

Para la realización del examen del Flujometro el paciente no debe estar agitado

y debe tomar una postura erguida (preferentemente de pie), inspirar todo el aire

posible para luego espirar por la boquilla y así obtener graficas exactas.

La higiene de las boquillas es muy importante por lo que se recomienda

cambiarlas en cada paciente y así evitar posibles contagios.

El paciente debe tener las indicaciones de un doctor para poder someterse al

examen porque existen algunas patologías que no pueden realizarlo.

43

CAPITULO VI. BIBLIOGRAFIA.

LIBROS.

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MANUALES.

CENTROS PARA EL CONTROL Y LA PREVENCION DE ENFERMEDADES, Guía de Niosh sobre entrenamiento de Espirometria. 2 ed. México: Manual Pitzer.2007.pag 150

GANONG W. FISIOLOGIA MEDICA: El manual moderno.14 ed. México: Noriega .1994. pág. 80-90

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44

Flujometro

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