Medidor inalámbrico de capacidad pulmonar a partir del aire espirado para alarma temprana en pacientes cronico respiratorios

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(1)MEDIDOR INALÁMBRICO DE CAPACIDAD PULMONAR A PARTIR DEL AIRE ESPIRADO PARA ALARMA TEMPRANA EN PACIENTES CRÓNICOS-RESPIRATORIOS Modalidad de grado: Monografía. Hugo Ferney Rodríguez Muñeton. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Tesis de grado, 2018.

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(3) Hugo Ferney Rodríguez Muñeton. MEDIDOR INALÁMBRICO DE CAPACIDAD PULMONAR A PARTIR DEL AIRE ESPIRADO PARA ALARMA TEMPRANA EN PACIENTES CRÓNICOS-RESPIRATORIOS. Monografía presentada al Proyecto curricular de ingeniería electrónica , de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, como requisito para la obtención del titulo Ingeniero electrónico Director del trabajo de grado: Prof. Ing. Edmundo Vega Noviembre de 2018.

(4) Ficha caligráfica:.

(5) UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS El trabajo de grado del Proyecto curricular de ingeniería electrónica titulado MEDIDOR INALÁMBRICO DE CAPACIDAD PULMONAR A PARTIR DEL AIRE ESPIRADO PARA ALARMA TEMPRANA EN PACIENTES CRÓNICOS-RESPIRATORIOS de autoría de Hugo Ferney Rodríguez Muñeton, aprobada por la banca examinadora constituida por el profesor:. Prof. Ing. Jaime Benitez Forero Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Coordinadora del proyecto Ingeniería electrónica Marta Ruth Ospina Torres. Tesis de grado, 8 de noviembre de 2018. Ingeniería electrónica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas De la ciudad de Bogotá, Colombia,.

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(7) DEDICATORIA. A mi padre José Hugo Rodríguez Por todo el ejemplo que me dio y el gran apoyo que me demostró en toda mi carrera universitaria, es pequeño homenaje en tu memoria..

(8) AGRADECIMIENTOS Agradezco a mi mamá por su amor inconmensurable y todo el apoyo que me ha dado a lo largo de mi vida, también me encuentro agradecido con mi amigo Johan Steven Mejia por cada consejo que me ayudó a mejorar este trabajo de grado, a mi novia Tatiana Rodríguez por tu gran apoyo y compresión en esta etapa de mi vida. A mi director de trabajo de grado Edmundo Vega por compartir un poco de su experiencia conmigo y por sus asesorías para mejorar mi investigación científica. Muchas gracias a cada uno de ustedes..

(9) RESUMEN Las enfermedades crónicas obstructivas son parte de los adolecimientos más comunes en la población humana, en la actualidad, existen equipos que permiten diagnosticar y llevar un tratamiento a este tipo de enfermedades, a pesar de ello, no existen equipos que permitan llevar un tratamiento preventivo sin necesidad de un médico especialista. Este trabajo de grado muestra una alternativa para la medición de la capacidad pulmonar que permita ser replicado con facilidad, para garantizar sus presición, se hizo uso de la norma ISO 5167, asimismo, se utilizó un sensor de presión diferencial realizando un filtrado digital que fue diseñado con base en una caracterización de la señal a estudiar, proponiendo un algoritmo para calibrar el sensor presión, y los datos son visualizados en un aplicativo de Android, se realizaron 10 pruebas a pacientes sanos para mostrar el funcionamiento del espirómetro. Palabras clave: < Espirometría >, < Norma ISO 5167 >, < Filtrado Digital >..

(10) ABSTRACT The obstructive lung disease are comon sickness in humanity, actually, exists diferent equipment to diagnose and treat this problem of health, likewise, does not exist multiple alternatives for the home treatment. In this document shows a lung capacity meter that be easy to reproduce. To secure the accuary of instrument, it was used ISO 5167, in adition, was used differecial presure sensor making a digital filter through noise feature, proposing a algorithm to calibrate this tranducer and the results are show in Android aplication. Were realized 10 probes in heathly people to check this meter. Key-words: < Spirometry >, < ISO 5167 >, < Digital Filter >..

(11) LISTA DE FIGURAS 1.. Espirómetros del siglo XIX, imagen tomada de [13] . . . . . . . . . . . . . 23. 2.. Resumen de los parámetros de la capacidad pulmonar, imagen modificada de [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25. 3.. Gráficas típicas de una espirometría, imagen tomada de [8] . . . . . . . . . 27. 4.. Tubo de Venturi planteado por la norma ISO . . . . . . . . . . . . . . . . 34. 5.. Diagrama de bloques del procedimiento general de la adquisición de una señal digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35. 6.. Espirómetro planteado Universidad de las Américas de Puebla . . . . . . . 37. 7.. Resultados de un espirómetro por procesado digital de vídeo, a) Propuesta planteada por la Universidad de Oxford b) Señal del sensor de presión diferencial sin filtrar c) Señal del sensor de presión diferencial filtrada . . . 38. 8.. Propuesta presentada para realizar un espirómetro . . . . . . . . . . . . . 39. 9.. Resultados de un espirómetro por procesado digital de vídeo, a) Espirómetro tomado b) Imagen procesada c) y d) Resultados obtenidos . . . . . . . 40. 10.. Creación de una nueva librería en Eagle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45. 11.. Entorno de desarrollo de un nuevo dispositivo electrónico . . . . . . . . . . 45. 12.. Especificaciones del sensor: a) Símbolo del sensor ,b) Huella y medidas físicas del encapsulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46. 13.. Especificaciones diseñadas en el software eagle: a) Símbolo, b) Huella del encapsulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46. 14.. Conexiones físicas-virtuales del sensor MPX7002 . . . . . . . . . . . . . . . 47. 15.. Medidas de la colocación de las entradas a la manguera del sensor . . . . . 47. 16.. Medidas de la colocación de las entradas a la manguera del sensor . . . . . 48. 17.. Medidas del tubo de Venturi del espirómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . 51. 18.. Figura de la parte interior del espirómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51. 19.. Medidas de la parte exterior del espirómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . 52. 20.. Medidas de la parte exterior del espirómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . 52. 21.. Entradas a las mangueras del sensor de presión diferencial . . . . . . . . . 53. 22.. Medidas de la colocación de las entradas a la manguera del sensor . . . . . 53. 23.. Resultado final del espirómetro diseñado en freeCAD . . . . . . . . . . . . 54.

(12) 24.. Diagrama de bloques de los dispositivos electrónicos utilizados en este trabajo de grado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60. 25.. Diagrama de flujo del medidor de capacidad pulmonar . . . . . . . . . . . 61. 26.. Función de transferencia del sensor de presión diferencial . . . . . . . . . . 62. 27.. Modificación del algoritmo del perceptrón para calibrar el instrumento de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62. 28.. Algoritmo del aplicativo de android . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63. 29.. Primera respuesta de ∆P del espirómetro sin realizar una espirometría . . 64. 30.. Primera respuesta de Q del espirómetro sin realizar una espirometría . . . 65. 31.. Primera respuesta de V del espirómetro sin realizar una espirometría . . . 65. 32.. Respuesta de t vs ∆P sin filtrar al realizar una espirometría forzada . . . . 66. 33.. Respuesta de t vs Q sin filtrar al realizar una espirometría forzada . . . . . 66. 34.. Respuesta de t vs V sin filtrar al realizar una espirometría forzada . . . . . 67. 35.. Respuesta de V vs Q sin filtrar al realizar una espirometría forzada . . . . 67. 36.. Histograma de 215 muestras para la señal sin promediar . . . . . . . . . . . 68. 37.. Histograma de 215 muestras para la señal con 4 muestras promediadas a 18o C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70. 38.. Señal a lo largo del tiempo para 215 muestras tomando 4 muestras promediadas a 18o C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71. 39.. Espectro de magnitud para 215 muestras tomando 4 muestras promediadas a 18o C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71. 40.. Espectro de magnitud para 215 muestras tomando 4 muestras promediadas a 18o C,detallando el ruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72. 41.. Periodograma para estimar la densidad espectral de potencial de la señal estudiada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73. 42.. Estimador de Welch para la densidad espectral de potencial en la señal estudiada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73. 43.. Diagrama de bloques de las simulaciones realizadas . . . . . . . . . . . . . 74. 44.. Respuesta al ruido blanco del filtro de Bessel de orden 2 . . . . . . . . . . 79. 45.. Respuesta al ruido blanco del filtro de Butterworth de orden 2 . . . . . . . 79. 46.. Respuesta a la señal del sensor para el filtro de Bessel de orden 2 . . . . . 80.

(13) 47.. Respuesta a la señal del sensor para el filtro de Butterworth de orden 2 . . 80. 48.. Respuesta al impulso para los filtros de orden 2 en el dominio s . . . . . . 81. 49.. Respuesta al impulso para los filtros de orden 2 en el dominio z . . . . . . 81. 50.. Respuesta al escalón para los filtros de orden 2 en el dominio s . . . . . . . 82. 51.. Respuesta al escalón para los filtros de orden 2 en el dominio z . . . . . . . 82. 52.. Diagrama de Bode del filtro Bessel continuo . . . . . . . . . . . . . . . . . 83. 53.. Diagrama de Bode del filtro Bessel discreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83. 54.. Lugar Geométrico de las raíces del filtro Bessel de orden 2 en el dominio s. 84. 55.. Lugar Geométrico de las raíces del filtro Bessel de orden 2 en el dominio z. 84. 56.. Espirometría forzada, gráfica t vs dP con filtrado Digital . . . . . . . . . . 85. 57.. Espirometría forzada, gráfica t vs Q con filtrado Digital . . . . . . . . . . . 85. 58.. Espirometría forzada, gráfica t vs V con filtrado Digital . . . . . . . . . . . 86. 59.. Espirometría forzada, gráfica V vs Q con filtrado Digital . . . . . . . . . . 86. 60.. Histograma para FEV1 para las pruebas realizadas con el medidor de capacidad pulmonar del trabajo de grado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88. 61.. Histograma para FVC para las pruebas realizadas con el medidor de capacidad pulmonar del trabajo de grado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88. 62.. Espirometría forzada, gráfica V vs Q de CASSYLAB . . . . . . . . . . . . 89. 63.. Espirometría forzada, gráfica t vs V de CASSYLAB . . . . . . . . . . . . . 89.

(14) LISTA DE TABLAS 1.. Parámetros para un instrumento de medición según la norma ATS . . . . . 28. 2.. Resumen medición de flujo volumétrico, tomado de [17] . . . . . . . . . . . 32. 3.. Momentos para el ruido sin promediar y sin filtrar . . . . . . . . . . . . . . 68. 4.. Primeros 4 momentos muéstrales con respecto a la media de la cantidad de datos promediados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69. 5.. Resultados obtenidos al variar la temperatura para 4 muestras promediadas 70. 6.. Respuesta al ruido blanco del filtro Bessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75. 7.. Respuesta de los filtros de Bessel para la señal muestreada del sensor . . . 76. 8.. Respuesta de los filtros Butterworth al ruido blanco . . . . . . . . . . . . . 77. 9.. Respuesta de los filtros de Butterworth para la señal muestreada del sensor 78. 10.. Resultados obtenidos del medidor de capacidad pulmonar de este trabajo de grado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87. 11.. Resumen resultados Medidor de capacidad pulmonar . . . . . . . . . . . . 87. 12.. Resultados obtenidos en CASSYLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90. 13.. Resumen resultados de CASSYLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90.

(15) LISTA DE ABREVIATURAS SIGLA- NOMBRE COMPLETO ABS - Acrilonitrilo Butadieno Estireno AARC - Asociación Americana para el cuidado respiratorio ATS - Asociación Americana del tórax CI - Capacidad Inspiratoria CPT - Capacidad Pulmonar Total CRF - Capacidad Residual Funcional CV - Capacidad Vital CVF - Capacidad Vital Forzada ERC - Comité Respiratorio Europeo FFT - Transformada Rapida de Fourier OSHA - Organización de la Salud y Seguridad Ocupacional PCB - Placa de Circuitos Impresos PLA - Ácido Poliláctico VC - Volumen corriente VIR - Volumen Inspiratorio de Reserva VR - Volumen Residual VRE - Volumen de Reserva Espiratoria Variable - NOMBRE DE LA VARIABLE Qv : -Flujo volumétrico C: -Coeficiente de descarga ϵ: -Coeficiente de expansión D: -Diámetro de la tubería d: -Diámetro de contracción β: -Razón entre el diámetro d y D ∆p: -Presión diferencial ρ: -Densidad del fluido δM : -Incertidumbre de la magnitud física M M.

(16) Índice 1. INTRODUCCIÓN. 18. 1.1. Definición del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2. Pregunta problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3. Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.5. Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.6. Estructura de la monografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2. Aportes Realizados por este trabajo de grado. 22. 3. CONCEPTOS GENERALES Y REVISIÓN DE LA LITERATURA. 23. 3.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2. Parámetros de la capacidad pulmonar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.3. Parámetros de la espirometría forzada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4. Espirometría en la actualidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5. Requerimientos y estándares en las espirometrías . . . . . . . . . . . . . . 28 3.6. Principios básicos de los fluidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.7. Ecuación de continuidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.8. Principio de Bernoulli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.9. Ley Poiseuille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.10. Número de Reynolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.11. Pricipios de medición de Flujos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.12. Norma ISO 5167 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.13. Procesamiento y adquisición de señales digitales biomédicas . . . . . . . . 35 3.14. Filtrado digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4. Revisión bibliográfica. 37. 4.1. Diseño de un espirómetro Digital (2007) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2. TeleSpiro: Un espirómetro de bajo costo(2013) . . . . . . . . . . . . . . . . 38. 16.

(17) 4.3. Un sistema escalable para administración de enfermedades(2014) . . . . . . 39 4.4. Monitoreo del volumen pulmonar por medio de procesamiento de vídeo (2017) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5. METODOLOGÍA. 41. 5.1. Cálculo de las formulas utilizadas para sensar el flujo . . . . . . . . . . . . 42 5.2. Selección del sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.3. Diseño de la base del sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.4. Cálculo del numero de Reynold a tener en cuenta en el fluido . . . . . . . . 49 5.5. Diseño del espirómetro con Base en la norma ISO 5167-4 . . . . . . . . . . 50 5.6. Diseño del espirómetro en freeCAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.7. Caracterización del ruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.8. Diseño del filtro digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.9. Aproximación de la integral en el dominio discreto . . . . . . . . . . . . . . 58 5.10. Simulación del espirómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.11. Desarrollo del medidor de capacidad pulmonar de este proyecto de grado . 60 5.12. Algoritmo desarrollado para la medición de la capacidad pulmonar . . . . 61 6. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS. 64. 6.1. Muestreado de la señal y primeras impresiones con el espirómetro . . . . . 64 6.2. Caracterización del ruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.3. Resultados de la simulación del espirómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.4. Resultados obtenidos del espirómetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.5. Resultados obtenidos con el espirómetro de CASSYLAB . . . . . . . . . . 89 7. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS. 91. REFERENCIAS. 91. 17.

(18) 1.. INTRODUCCIÓN. Se han venido desarrollando dispositivos que permitan el tratamiento de enfermedades sin necesidad de un médico especialista con el fin mejorar la calidad de vida, mejorar la esperanza de vida promedio de la población humana y reducir los costos que lleva un servicio así. De esta manera este trabajo de grado busca desarrollar un medidor de capacidad pulmonar inalámbrico que sea fácil de reproducir y genere medidas confiables probando su funcionamiento con una población especifica. 1.1.. Definición del problema. Según la organización mundial de la Salud, las enfermedades respiratorias a menudo no son diagnosticadas a tiempo, más de 3000 millones de personas en el mundo sufren una enfermedad respiratoria crónica, y en personas de la tercera edad, son la tercera causa de muerte[10]. Algunos de los casos de muerte pueden llegar a ser prevenidos si se lleva un control en las personas que padecen este tipo de dolencias. En la actualidad existen diferentes técnicas de diagnóstico para enfermedades respiratorias[1], y en los casos particulares de las enfermedades que involucran una obstrucción en las vías respiratorias es necesario diagnosticarlas por medio de la capacidad pulmonar[30]. Actualmente hay diferentes instrumentos de medición de la capacidad pulmonar, entre los más populares, se encuentra los dispositivos utilizados para realizar las espirometrías, la cual es una técnica que permite medir la capacidad pulmonar y por medio de diferentes herramientas médicas, se puede diagnosticar varias enfermedades crónicas-respiratorias, como por ejemplo la enfermedad obstructiva crónica (EPOC) y el asma. Los profesionales de la salud cuentan con dispositivos que permiten realizar la medición de la capacidad pulmonar, y actualmente existen investigaciones para que este sea un dispositivo que sea fácil de transportar[30], sin embargo, no se ha desarrollado un dispositivo electrónico que permita enviar la información necesaria para que un profesional de la salud realice un diagnóstico oportuno. 1.2.. Pregunta problema. ¿Qué aportes puede realizar la ingeniería electrónica para medir la capacidad pulmonar de una persona y enviar la información pertinente para diagnosticar el progreso de un paciente con enfermedad crónico-respiratoria?. 18.

(19) 1.3.. Justificación. Según el Ministerio de Salud, tan solo el 7 % de las personas que tiene una enfermedad crónica- respiratoria cuentan con un diagnóstico adecuado, de la misma manera, el informe indica que este diagnóstico genera un tratamiento inapropiado, y en las causas de muerte en las personas que adolecen este tipo de padecimientos, genera falsos positivos (muerte atribuida a una enfermedad sin tenerla) y a falsos negativos (personas que fueron diagnosticadas de manera incorrecta)[34]. Es por ello que se deben contar con nuevas estrategias que permitan mejorar la calidad de vida que llevan las personas que sufren estas enfermedades, desde la ingeniería electrónica se puede desarrollar un dispositivo portátil que pueda medir la capacidad pulmonar y de esta manera hacer llegar la información necesaria al médico especialista. Contar con un médico las 24 horas que permita el diagnóstico oportuno, es un servicio que no puede ser adquirido por la mayoría de la población Colombiana, con este medidor se podría enviar la información necesaria para que el personal capacitado pueda alertar al médico tratante y tomar medidas de prevención, permitiendo tener un mayor control sobre la salud de las personas con este tipo de adolecimientos. Desde el ámbito legal, la ley Colombiana cuenta con distintas herramientas que permiten defender los derechos de los niños,niñas y los adultos mayores [24], con este medidor se busca coadyuvar en garantizar el derecho fundamental a la salud y al cuidado especial que tiene este tipo de población. Se busca desarrollar un instrumento que mida la capacidad pulmonar por medio de un sensor de presión diferencial a partir del aire espirado de una persona y enviar dicha información de manera inalámbrica a un médico para su respectivo análisis.. 19.

(20) 1.4.. Objetivo general. Desarrollar un medidor de capacidad pulmonar a partir del aire espirado y enviar la información sensada de manera inalámbrica. 1.5.. Objetivos específicos Recolectar información acerca de los instrumentos de medición para sensar la capacidad pulmonar en un ser humano. Encontrar el mejor dispositivo electrónico para el medidor de este proyecto, con el fin de cumplir con los criterios que se desean medir. Desarrollar un prototipo que permita medir la capacidad pulmonar. Crear una aplicación que permita visualizar las gráficas volumen vs tiempo y flujo vs volumen. Comparar el funcionamiento de un medidor de capacidad pulmonar ya desarrollado, con el medidor elaborado en este proyecto de grado.. 20.

(21) 1.6.. Estructura de la monografía. En la sección 1 se realiza una pequeña introducción al trabajo de grado, así como una justificación de por qué fue realizado este trabajo de grado. En la sección 2 se hablan de los aportes realizados por este trabajo de grado. En la sección 3 se describen los detalles teóricos utilizados en este trabajo de grado, se documenta las formulas más importantes así como los estándares de calidad que se tienen en cuenta. Esta sección también busca decir cuales han sido los antecedentes históricos en los espirómetros así como algunos trabajos que han desarrollado para medir la capacidad pulmonar.La sección finaliza con algunas técnicas para la medición del flujo volumétrico y resumiendo la norma ISO 5167. En la sección 4 se muestra una revisión bibliográfica de los últimos 4 años para mostrar que se ha desarrollado en otras investigaciones similares o que tengan que ver con este tema específico. En la sección 5 muestra la metodología desarrollada en este trabajo de grado, así como los desarrollos matemáticos necesarios para desarrollar este trabajo de grado. En la sección 6 aparecen los resultados obtenidos en este trabajado de grado así como los resultados que tiene el Espirómetro de CASSYLAB. Y en la ultima sección se muestran las conclusiones y trabajos futuros.. 21.

(22) 2.. Aportes Realizados por este trabajo de grado Los aportes que realizados por este trabajo de grado fueron: 1. Se realizó un tubo de Venturi que está basado en la normal ISO 5167 para garantizar tener una medida confiable para sensar el aire espirado, lo cual en la revisión bibliográfica realizada no se encontró. 2. No se había encontrado en la literatura que mostraran una metodología para caracterizar el ruido generado al señales pulmonares por medio de un transductor de presión diferencial. 3. Se desarrolló el mejor filtro digital con base a la literatura estudiada, fundamentado en el tipo de señal que se está cuantificando. 4. Se propuso un algoritmo que permita sensar la señales pulmonares reduciendo la incertidumbre y mostrando una alternativa para calibrar el sensor de presión diferencial utilizado en este trabajo de grado con el fin de reducir los costos que pueda llegar a generar este tipo de dispositivos. 5. Se planteó una alternativa para realizar la comunicación inalámbrica de un medidor de capacidad pulmonar con un dispositivo con sistema operativo de Android con la posibilidad de ser desarrollado ampliado a los sistemas operativos Windows y IOS.. 22.

(23) 3.. CONCEPTOS GENERALES Y REVISIÓN DE LA LITERATURA. 3.1.. Antecedentes. Los pulmones son el órgano principal del sistema respiratorio el cual se encarga de almacenar, transportar, intercambiar y procesar los fluidos que provienen del entorno que rodean al ser vivo. Haciendo indispensable el control del funcionamiento de ellos en casi todo momento de la vida del ser humano, algunas de las funciones que se revisan son la cantidad de aire que puede almacenar el pulmón y la velocidad en la que realizamos una respiración completa, 1 dichas características son cuantificadas por medio de la capacidad pulmonar y se revisan a partir de la prueba de espirometría.[16] Desde el siglo XVII, donde Giovanni Alfonso Borelli comenzó a buscar mecanismos para medir la capacidad pulmonar por medio de tanques de agua cambiando la presión del envase por medio del aire exhalado. Fue hasta finales del siglo XIX y principios del siglo XX que los espirómetros2 comenzaron a llevar registro de las medidas que estaban realizando como lo muestra la siguiente figura.. Figura 1: Espirómetros del siglo XIX, imagen tomada de [13] Durante los años 30, gracias al espirómetro, se realizaron los primeros diagnósticos de asma. Cambiando la manera que se realizaba la prueba y empezando a realizar las primeras espirometrías forzadas, la cual es una prueba que exige que el paciente exhale la mayor cantidad de aire que pueda y la expulse en el menor tiempo posible. Para los años 50 se llevaron los primeros registros de la capacidad vital, que la cantidad de aire que queda almacenado una respiración después de una exhalación.. 1 2. La respiración completa esta compuesta de una inhalación y una exhalación Instrumento de medición de la espirometría. 23.

(24) 3.2.. Parámetros de la capacidad pulmonar. Es una técnica que permite revisar la labor del sistema respiratorio, midiendo la capacidad de aire que pueden almacenar los pulmones y la cantidad de aire que puede ser inhalado y exhalado en un tiempo determinado. Esta prueba hace parte del diagnostico de enfermedades crónico-respiratorias que tiene que ver con el bloqueo parcial de las vías respiratorias,como el asma y el EPOC 3 .La prueba más popular que se realiza en la actualidad, es la espirometría forzada, y una pequeña variación que se realiza después de una dosis en inhalador de salbutamol repitiendo la prueba de espirometría forzada para el diagnostico y desarrollo de adolecimientos que tengan que ver con la obstrucción del intercambio de gases. Los factores para medir la capacidad pulmonar, son sacados de [35]: Capacidad Pulmonar Total(CPT): Es la máxima cantidad que pueden retener los pulmones. Volumen Corriente (VC): Es el aire que es necesario para realizar una respiración completa y tranquila (eupnea). Por conveniencia, se mide el aire espirado, aunque la cantidad de aire inspirado no es igual a la cantidad de aire espirado [16]. Su valor típico es de aproximadamente 500 mL. Volumen de Reserva Inspiratoria o Volumen Inspiratorio de Reserva(VIR): Es la máxima cantidad de aire que puede ser inspirado a partir del volumen corriente, esto quiere decir que es la cantidad de aire que puede ser inspirado después de una inspiración normal y tranquila. Su valores oscilan entre los 3000 mL y es aproximadamente el 50 % de CPT. Volumen de Reserva Espiratoria(VRE): Es la máxima cantidad de aire que puede ser espirado a partir del volumen corriente, sus valores promedios están entre 1,200 mL y equivale al 20 % de CPT. Capacidad vital(CV): Es volumen que somos capaces inhalar y exhalar en una respiración normal. Volumen Residual(VR): Los pulmones siempre mantienen una reserva de aire, sin importar cuanto se intente espirar. El volumen residual es la cantidad de aire que queda después de una espiración máxima. Se exceso indica algún tipo de obstrucción y su ausencia significaría el colapso de los pulmones.El VR es de aproximadamente 1200 mL. Capacidad Residual Funcional(CRF): Es la cantidad de aire que queda después de una espiración normal. 3. Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica. 24.

(25) La capacidad vital forzada(CVF): Es la máxima capacidad de aire que se puede expulsar, en una espirometría forzada en enfermedades con patrón obstructivo la CVF es menor que CV. Capacidad Inspiratoria(CI): Es la máxima cantidad de aire que se puede inspirar después de una espiración normal. Su valor típico es de aproximadamente 3600 mL. Algunos parámetros de la capacidad pulmonar se encuentran a partir de otros, por ejemplo, la capacidad pulmonar que es la suma de VC, VRE,VIR y VR: CP T = V C + V RE + V IR + V R. (1). La capacidad vital también es posible encontrarla por medio de la siguiente ecuación: CV = V C + V IR + V RE. (2). La capacidad inspiratoria se halla a partir de la suma de VC y VIR: CI = V C + V IR. (3). Y por ultimo, el volumen residual se encuentra por medio de la suma de VRE y VR: CP F = V RE + V R. (4). Para resumir los parámetros de la capacidad vital forzada se toma la siguiente imagen:. Figura 2: Resumen de los parámetros de la capacidad pulmonar, imagen modificada de [16]. 25.

(26) 3.3.. Parámetros de la espirometría forzada. Los espirómetros son el instrumento de medición que actualmente se utiliza en la prueba de espirometría forzada, su objetivo es medir si existen obrustriciones o restricciones respiratorias, los siguientes parámetros que son resumidos de [2]: Capacidad Vital Forzada(FVC): Al realizar una espirometría forzada, también queda una reserva de aire en los pulmones, dicha cantidad de aire es FVC. Volumen espiratorio en el primer segundo(FEV1): Es la cantidad de aire que es espirado una una espirometría forzada en el primer segundo, cuando es expulsado la gran mayoría de aire si no hay ninguna obstrucción en las vías respiratorias y es dependiente de cada paciente en edad, sexo y raza. Flujo Espiratorio Forzado(FEV 25 % − 75 %): Mide el promedio del flujo de aire espirado y mide el promedio de flujo entre el 25 % y 75 % de FVC. Y puede indicar alteraciones obstructivas. Flujo Espiratorio Pico(FEP o PEF): También llamado Flujo Espiratorio Máximo (FEM), es la máxima cantidad de flujo que es espirado en una espirometría forzada. Volumen espirado en el primer segundo(VEF1 %):En la práctica médica, la mayor cantidad de aire espirado se da en el primer segundo, con dicho índice es posible encontrar algunas obstrucciones respiratorias. El índice de Tiffenau es encontrado por la relación de VEF1 y CVF V EF 1 % =. 26. V EF 1 CV F. (5).

(27) 3.4.. Espirometría en la actualidad. La espirometría en la actualidad, se realiza por medio de un tubo, donde el paciente realiza una espiración forzada, con el fin de mirar los parámetros, el espirómetro se interpreta en dos gráficas, la primera una gráfica donde las ordenadas son el volumen del aire y el eje de variable independiente es el tiempo y la segunda una gráfica de flujo del aire espirado en función del volumen del aire expulsado. Y con base a la historia clínica, y factores que han sido establecidos para cada caso especifico, el especialista decide un diagnostico para las enfermedades obstructivas-respiratorias. A continuación se muestran las formas típicas de estas gráficas:. Figura 3: Gráficas típicas de una espirometría, imagen tomada de [8]. 27.

(28) 3.5.. Requerimientos y estándares en las espirometrías. Según [2], las organizaciones más importantes para la realización de las espirometrías y el diseño de instrumentos de medición para esta prueba son: La AARC4 ,la ATS 5 ,ERC 6 , y la OSHA7 Para este trabajo de grado, se utilizará el estándar de la ATS, para cumplir con un instrumento de medición adecuado a la norma se tienen en cuenta los siguientes ítem: Cuadro 1: Parámetros para un instrumento de medición según la norma ATS Prueba VC FVC. Rango/Presición ±0,050 L, o cualquiera mejor ±0,050 L, o cualquiera mejor ±0,050 L,. FEV. F lujo Ls− 1. T iempo s. Señal de prueba. 0 − 14. 30. 3-L en jeringuilla 24 formas de onda. 0 − 14. 15 de la ATS 24 formas de onda. 0 − 14. 1. o cualquiera mejor Flujo instantáneo PEF FEF_{25 − 75 %}. ±0,020 L, o cualquiera mejor ±0,30 L, o cualquiera mejor ±0,30 L, o cualquiera mejor. de la ATS Forma de datos 0 − 14 0 − 14 ±14. 4. Asociación Americana para el Cuidado Respiratorio Sociedad Americana del Tórax 6 Comité Respiratorio Europeo 7 Organización de la seguridad y la Salud Ocupacional 5. 28. 15. del fabricante 26 formas de onda de la ATS 24 formas de onda de la ATS.

(29) 3.6.. Principios básicos de los fluidos. Según [19], se llama fluido es una sustancia que se moldea a un medio especifico, es decir, una sustancia que se encuentra en estado gaseoso o estado liquido, se dice que esta en reposo un fluido, cuando no existe un cambio de movimiento apreciable. Es de gran importancia, ya que el aire es una sustancia que está compuesta por diferentes gases. Al igual que el estudio del movimiento de un cuerpo solido, los fluidos cuentan con una rama de la física que estudia estos fenómenos denominada dinámica de fluidos, las características principales de los fluidos son resumidas de [11] y [22]: Movimiento no acotado de las moléculas: Son materiales que son deformables. Esto se debe a que sus átomos se encuentran en movimiento continuo, y a diferencia de un cuerpo solido, sus moléculas no se encuentran en una posición de equilibrio. Compresibilidad: Es una propiedad de un material a reducir el volumen al someterse a una presión externa. Como se mencionó anteriormente, los fluidos dependiendo del estado de la materia, se clasifican en dos tipos, fluidos comprensibles y fluidos incomprensibles. Densidad: Es definida como la cantidad de masa por unidad de volumen. La densidad de un fluido cambia de acuerdo a la presión pero en el caso de un fluido no comprensible esta variación es despreciable. Volumen especifico: Es la cantidad de volumen por unidad de masa. Los fluidos son sustancias que toman una forma especifica dependiendo del medio donde se encuentran.En el caso de los fluidos no comprensibles su volumen tiene ser aproximadamente igual al del medio donde se encuentran. Viscosidad: Es una propiedad física que mide la resistencia de un material a deformase debida a una fuerza externa al material.Los fluidos son materiales que cuentan con una viscosidad mucho menor a la de un solido. Esta propiedad hace que la velocidad sea persivida de manera diferente, por lo que la densidad y la temperatura juegan un papel importante en la dinámica de un fluido.. 29.

(30) 3.7.. Ecuación de continuidad. Según el autor de [19], el principio de continuidad es una extensión del principio de conservación de la masa,la ecuación de continuidad de los fluidos está expresada matemáticamente de la siguiente manera:. Q1 = Q2 = A1 v1 = A2 v2. (6). Donde Qn es el flujo en una sección n de una tubería, An es el área de dicha sección y vn es la rapidez con la que atraviesa la sección el fluido de interés. Para que esta ecuación tenga validez científica, se asume que el fluido es una sustancia macroscópica y homogénea.La principal aplicación que tiene la ecuación de la continuad es en tuberías de fluidos no comprensibles, pero si el fluido es comprensible y cumple ciertas condiciones, como que su velocidad es mucho mayor a la tubería que atraviesa, la temperatura permanece constante a través del medio y no existen mayores perturbaciones, la ecuación de continuidad se cumplirá en un fluido no comprensible.[19] 3.8.. Principio de Bernoulli. Para [22], al igual que la ecuación de continuidad es una extensión del principio de conservación de masa, la conservación de energía tiene una extensión en los fluidos que es expresado por el principio de Bernoulli. En este caso, la energía cinética es expresado por la expresión: 1 (7) Ec = mv 2 2 Donde m es la masa del fluido y v es la velocidad transversal del fluido en una sección especifica de la tubería. La energía potencial está descrita por la ecuación: Ep = mgh. (8). Donde g es la constante gravitacional del sitio que se está estudiando, h es la altura de la tubería con respecto a un punto de referencia. En la mecánica clásica era normal incluir la energía cinética ocasionada por un resorte, para la mecánica de fluidos existe un equivalente que es la energía de flujo ocasionada por la presión transversal a la tuberías que r. Ef lujo = P. 30. m ρ. (9).

(31) A partir de las ecuaciones 7, 8 y 9, se deduce la ecuación de conservación de energía en cualquier sección n de la tuberías [22]:. EC1 + Ep1 + Ef 1 = EC2 + Ep2 + Ef 2. P1 P2 1 2 1 mv1 + mgh1 + m = mv22 + mgh2 + m 2 ρ1 2 ρ2 1 2 P1 1 P2 v1 + gh1 + = v22 + gh2 + 2 ρ1 2 ρ2 3.9.. (10). Ley Poiseuille. Es una ecuación muy utilizada para medir el caudal de un fluido (flujo volumétrico) a partir de un sensor de presión diferencial en aplicaciones médicas como se observa en [15] y [26], su expresión matemática es[3]: QV = ΦV =. πr4 ∆P 8η L. (11). Donde QV es el flujo volumétrico del fluido, ∆P es la presión diferencial, R el radio de la tubería, L la longitud de la tubería y η es la viscosidad dinámica. 3.10. Número de Reynolds Es un número adimensional utilizado para deducir fenómenos de transporte de fluidos muy mencionado en los trabajos [26], [2] y la norma ISO 5167, su característica principal es saber en que condiciones está la incertidumbre en los vectores de campo de velocidad del fluido en una tubería circular, su ecuación es[9]: Re =. ρDv η. (12). Donde Re es el número de Reynold,ρ la densidad dinámica del fluido, D es el diámetro de la tubería, y η es la viscosidad dinámica del fluido. Para Re < 2000 se habla de un flujo laminar que es de interés para este trabajo de grado.. 31.

(32) 3.11. Pricipios de medición de Flujos El flujo es una magnitud física que permite determinar cuanta cantidad de materia ha atravesado un proceso en un tiempo especifico. Ya que el flujo es la cantidad de volumen por unidad de tiempo, si se integra el flujo en función del tiempo, se obtendrá el volumen en un proceso determinado. Existen técnicas de sensado dependiendo de si el flujo es másico o volumétrico y en cada una de ellas existen diversos tipos de sensores como principios mecánicos para sensar la magnitud física, la tabla que se muestra a continuación resume algunos de los principios físicos más populares que se utilizan para medir el flujo así como la técnica de sensado que se utiliza para medirla: Cuadro 2: Resumen medición de flujo volumétrico, tomado de [17]. Principio físico Caudal en función del área Función de fuerza específica Ley de Lenz Caudal en función de la velocidad. Ley de Poiseuille. Flujo volumétrico Variable Tipo de sensado Física a sensar Presión Fuerza específica Tensión inducida Velocidad transversal. Presión Diferencial. Rotametro Cilindro de posición Placa de impacto Medidor magnético Turbina Ultrasonido Placa de orificio Tobera de flujo Tobera-Venturi Tubo de Venturi Tubo de Dall Cuña de flujo Tubo de Pilot Tubo de Annubar. 32.

(33) 3.12. Norma ISO 5167 Los norma ISO 5167 es la norma que se utiliza en la industria para la medición de flujo volumétrico en tuberías circulares, está dividida en cinco partes, la primera muestra los principios físicos necesarios para el sensado de un flujo volumétrico y la nomenclatura utilizada en la norma, la segunda sección muestra las normas necesarias para sensar en placas de orificio,la sección 3 muestra el diseño de toberas de orificio de Venturi, la sección 4 muestra las normas necesarias para el diseño de tubos de Venturi para sensar flujo volumétrico con un grado de incertidumbre muy bajo, la ultima sección fue escrita en el año 2016 y muestra la medición de flujo a partir de un medidor de cono. A continuación se muestra la nomenclatura utilizada en esta norma para comprender las ecuaciones expresadas a continuación: Qv : Flujo volumétrico C: Coeficiente de descarga. ϵ: Coeficiente de expansión. D: Diámetro de la tubería. d: Diámetro de contracción. β: Razón entre el diámetro d y D. ∆p: Presión diferencial. ρ: Densidad del fluido. δM : M. Incertidumbre de la magnitud física M .. La expresión matemática que propone la norma ISO para la medición de flujo volumétrico es: √ Cϵ π 2 ∆p d 2 (13) Qv = √ ρ 1 − β4 4 La ecuación para la incertidumbre global que la norma ISO plantea está determinada por la siguiente ecuación: √ δQv = Qv. δC 2 δϵ 2 2 2 δd 1 δ∆p 2 1 δρ1 2 2β 4 δD + + + + + C ϵ 1−β D 1 − β4 d 4 ∆p 4 ρ1. 33. (14).

(34) Tubo de Venturi Norma ISO 5167-4 El tubo de Venturi es un conducto circular cerrado que cambia el área transversal de dos secciones del tubo. Su principio de funcionamiento fue planteado a partir del efecto Venturi,determinando que en un fluido en movimiento dentro de una tuberia si el área transversal disminuye, la velocidad del fluido aumentará y por consecuencia la presión disminuirá, la siguiente figura muestra los elementos a tener en cuenta para la construcción de un tubo de Venturi.. Figura 4: Tubo de Venturi planteado por la norma ISO En la figura anterior se aprecia que los parámetros a tener en cuenta son: d: Garganta cilíndrica, de longitud d. φ: Sección de salida es un ángulo que va entre 7o y 15o . Sección de entrada que es de 21o ± 1o . Limites de uso de la norma ISO 5167-4: La norma define el coeficiente de descarga para tubos de función, tubos fundición maquinada y tubos de función soldada donde, 100 mm < D < 1200 mm y 2 ∗ 105 < Re(D) < 2 ∗ 106 ; con las condiciones anteriores el coeficiente de descarga está entre el intervalo [0,984, 0,995].. 34.

(35) 3.13. Procesamiento y adquisición de señales digitales biomédicas Según Banu Onaral [4], las señales biologicas contiene información que es bastante compleja, muchas veces no es de interés para realizar un resultado apropiado, además del ruido presentado por factores endogenos y exogenos de la señal a analizar. Por las razones mencionadas anteriormente, es necesario procesar la señal, para mostrar los datos relevantes que son requeridos para el correcto diagnostico y estudios fisilógicos. Las técnicas de procesamiento digital son usadas para cumplir los objetivos de ”limpiar”la señal de interés, el filtrado digital de una señal biológica, en la actualidad se realiza por medio de transformadas de tiempo-frecuencia, filtros por promediado, estimación del espectro y otras. De manera básica, el siguiente diagrama de bloques muestra el procedimiento general para la adquisición de una señal eléctrica.. Figura 5: Diagrama de bloques del procedimiento general de la adquisición de una señal digital. 35.

(36) Adquisición y preprocesado de la señal Tras el tratamiento de la señal física a una señal eléctrica analógica por medio de un sensor y un acondicionamiento eléctrico, la señal suele pasar al dominio discreto (señal digital). La señal se ve principalmente modificada por dos factores el muestreo y la cuantización. Se hace necesario saber el comportamiento de la señal para cumplir el teorema de muestreo. Además de tener en cuenta el error por la cuantización de la señal analógica a señal digital, que es directamente proporcional al número de bits.El objetivo general es destacar información deseada del resto de la señal. Preprocesado digital de la señal: Se busca cancelar cualquier señal que no sea de interés, con técnicas de cancelación y atenuación del ruido.(filtrado digital y adaptativo promediado). Extracción de características: La señal generalmente presenta información redundante por lo que trabajar directamente con la misma no es una buena opción. 3.14. Filtrado digital Los filtros digitales presentan algunas ventajas sobre los correspondientes filtros analógicos debido a su forma de implementación, suelen ser más inmunes al ruido y la precisión depende solo del error de cuantización. Existen diferentes técnicas de filtrado digital como lo son: Filtrado por ventanas: El fundamento de este tipo de filtros se basa en la transformada rápida de Fourier (FFT), se utilizan intervalos de tiempo definidos de la señal que reciben nombre de ventanas y a dichas ventanas se aplica una transformada rápida de Fourier, se eliminan las frecuencias no deseadas y se realiza la transformada inversa para volver al dominio del tiempo. Filtros FIR: Son filtros que tienen una respuesta finita al impulso, (Finite impulse response por sus siglas en inglés),se caracterizan por tener una fase lineal para ser utilizados la señal debe ser no causa, es decir su salida no depende de valores futuros. Filtros IIR: Son filtros que tiene una respuesta infinita al impulso y su técnica de desarrollo se basa en la transformada Z, la cual permite pasar del dominio de Laplace, a ecuaciones de diferencias.. 36.

(37) 4.. Revisión bibliográfica. En el año 2007 se desarrolló un espirómetro digital que funcionaba por medio de Labview, los resultados que fueron obtenidos se muestran en el la figura 6 y por los resultados obtenidos, se muestra que la morfología no era similar a la de una espirometría normal, aunque se puede observar que dicho prototipo es fácil de reproducir. 4.1.. Diseño de un espirómetro Digital (2007). Figura 6: Espirómetro planteado Universidad de las Américas de Puebla. 37.

(38) 4.2.. TeleSpiro: Un espirómetro de bajo costo(2013). Fue una propuesta realizada en la universidad Oxford, Reino Unido que permite mostrar el desarrollo de espirómetro de bajo costo, su diseño se basó en un microcontrolador y la transformada de Wavelet para el filtrado digital el sensado se realizó por medio de un sensor de presión diferencial, realizaron una tarjeta que permite conectarse por medio de un puerto USB y dicha información fue enviada a una tableta para poder ser visualizada, los resultados obtenidos fueron:. Figura 7: Resultados de un espirómetro por procesado digital de vídeo, a) Propuesta planteada por la Universidad de Oxford b) Señal del sensor de presión diferencial sin filtrar c) Señal del sensor de presión diferencial filtrada. 38.

(39) 4.3.. Un sistema escalable para administración de enfermedades(2014). Se presentó una propuesta para mostrar los resultados obtenidos por un ECG, un tensiómetro por medio de un aplicativo móvil, dichos datos son enviados por medio de un cable USB y cabe resaltar que muestran una propuesta para un espirómetro por medio de un tubo de Venturi que se muestra a continuación:. Figura 8: Propuesta presentada para realizar un espirómetro. 39.

(40) 4.4.. Monitoreo del volumen pulmonar por medio de procesamiento de vídeo (2017). El publicado en la revista de la IEEE en el año 2017 [38], muestran que se utilizó un espirómetro clásico y por medio de una cámara se captó el vídeo, y utilizando técnicas de procesamiento de imágenes se encuentra el punto más alto de la pelota y de esta forma se estima el tiempo y altura de las pelotas. A continuación se muestran los resultados obtenidos en dicha prueba. Se concluye que esta técnica permite estimar el volumen del aire espirado y para mejorar sus resultados se pueden estudiar técnica que permitan bina rizar la imagen con iluminación variable.. Figura 9: Resultados de un espirómetro por procesado digital de vídeo, a) Espirómetro tomado b) Imagen procesada c) y d) Resultados obtenidos. 40.

(41) 5.. METODOLOGÍA. Se utilizó la metodología cuasi-experimental planteada en [32], por esta razón, este proyecto de grado contó con las siguientes etapas: Revisión bibliográfica: Se realizó una revisión bibliográfica para saber que resultados han sido obtenidos en pruebas de capacidad pulmonar por medio de dispositivos electrónicos. Selección de instrumentos de medición: Los resultados más relevantes para este trabajo de grado son los resultados del dispositivo desarrollado en este trabajo de grado y compararlos con los resultados obtenidos por un espirómetro de CASSYLAB con el que cuenta la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, para el análisis de datos y simulaciones se utilizó MATLAB ®. Elaboración del instrumento:Se buscó desarrollar un medidor de capacidad pulmonar que utilice el principio de Venturi, y a partir del aire espirado en un conducto, se medirá la diferencia de presión que sucede en dos áreas diferentes del ducto. Procedimiento para la obtención de datos: Se utilizará un transductor de presión diferencial, igualmente, utilizando la mecánica de fluidos, se realizarán los cálculos necesarios en un dispositivo electrónico y se enviará la información para ser visualizada en dos gráficas (volumen vs tiempo y flujo vs volumen). Muestra y población: Por medio de un consentimiento escrito, se pidió a 10 voluntarios que dijeron no tener ninguna enfermedad obstructiva con una edad de 18 a 24 años, que sean participantes de una prueba de espirometría forzada.. 41.

(42) 5.1.. Cálculo de las formulas utilizadas para sensar el flujo. Para encontrar una expresión del flujo volumétrico en función de la presión diferencial se parte de la ecuación de Bernoulli aplicada a dos puntos de una tuberia circular: Ec1 + EP 1 + Ef 1 = Ec2 + EP 2 + Ef 2 Cabe resaltar que el punto 1 será el punto donde la norma ISO determina la presión diferencial de área mayor del conducto, y el punto 2 será el área de contracción del tubo de Venturi. Teniendo en cuenta que el flujo medido es mucho mayor a la longitud de la tuberia donde se desea sensar la magnitud física, entonces EP 1 ≈ EP 2 , dando como resultado la expresión y asumiendo que el fluido es incompresible:. P1 P2 + V12 = + V22 ρ ρ V 2 − V22 p1 − p2 = 1 ρ 2 Si ∆P =p1 − p2, entonces: 2. ∆P = V12 − V22 ρ. (15). Si el fluido a medir es continuo ,la expresión de la ecuación de continuidad 6 da como resultado:. V1 = V2 Si A1 =. πD 2 2. y A2 =. A2 A1. (16). πd2 ,entonces: 2. A2 = A1. πd2 4 πD 2 4. =. d2 d = ( )2 = β 2 2 D D. A2 = β2 A1. 42. (17).

(43) Luego, remplazando 16 y 17 en 15: ( )2 2∆P A2 A2 2 = V2 − V2 = V22 (1 − ( )2 ) = V22 (1 − β 4 ) ρ A1 A1. →. 2∆P = V22 (1 − β 4 ) ρ √ 1. 2∆P ρ. → V2 = ± √ 1 − β4. (18). Al tener en cuenta la ecuación 15 y 16 se observa que ∆P siempre es positivo, ya que el A1 < A2, por lo tanto: √ Qv 1 → =√ A2 1 − β4. 2∆P ρ √. 1. π 2 Qv = √ d 1 − β4 4. 2∆P ρ. (19). Si se compara la ecuación deducida 19 con la expresión matemática para la medición de flujo volumétrico 13, entonces: QvDeducido = K ∗ QvISO. (20). Donde k = C ∗ ϵ, dicho coeficiente k será en la ecuación 19 igual al factor de corrección que tendrá el instrumento de medición, que en este caso, se dejará estático y su valor será igual a 1 debido a que no son conocidas las condiciones pulmonares de la temperatura corporal y la presión saturada del vapor del agua 8 .. 8. BTPS. 43.

(44) 5.2.. Selección del sensor. A partir de la ecuación 19, se puede determinar el rango del sensor a utilizar, según la norma ISO 5167 los valores limites para determinar el sensor son: 0, 3 ≤ β ≤ 0, 75. (21). 30 mm ≤ d ≤ 600 mm. (22). Las propiedades del aire mostradas en [6] y teniendo en cuenta que el rango de funcionamiento de los sensores de presión diferencial son en un rango de 10o C a 60o C:. 1, 059. kg kg < ρ < 1, 246 3 3 m m. (23). A partir de la tabla 1, el flujo volumétrico será QV = ±14 Ls y utilizando la ecuación 19 se llega a:. m3 1 π 2 ±0, 014 =√ d s 1 − β4 4. √ 2∆P ρ √ π 2 √2 d , 4 ρ 1−β 4. Si se asume que hay una constante K1 ,tal que K1 = √ 1. entonces:. 1,0344 ∗ 10−3 < K1 < 0,683. → −9,562 ∗ 10−3 <. ∆P < 9,562 ∗ 10−3 Pa. (24). Por tal motivo se utilizará el sensor de presión diferencial MPXV7002, el cual es un sensor de presión diferencial compensado en temperatura , como lo exige el estándar ATS para las especificaciones de los instrumentos de medición para espirometrías. La V sensibilidad de este sensor de presión diferencial es de 1 Kpa y un rango de funcionamiento de ±2 Kpa, así que para mejorar su rango de funcionamiento seguramente se necesitará de una etapa de acondicionamiento para mejorar su rango de sensibilidad o cambiar el voltaje de referencia del ADC con que se muestreará la señal.. 44.

(45) 5.3.. Diseño de la base del sensor. El sensor MPXV7002DP tiene una presentación en encapsulado tipo SOP8-1351, por este motivo para realizar las pruebas del sensor, se tuvo que diseñar una base que permitiera mantener fijo el sensor y adaptarlo a una protoboard. El diseño se realizó con ayuda del software autodesk eagle, el cual permite diseñar placa de circuitos impresos 9 . Se utilizó su función de realizar una huella del dispositivo, realizando una nueva librería:. Figura 10: Creación de una nueva librería en Eagle Se crea un nuevo dispositivo, el cual está compuesto de tres partes su Footprint donde van todas las medidas físicas del encapsulado que se desea diseñar, el Symbol que son los pines con los que cuenta el dispositivo electrónico, 3D Package donde se coloca el modelo 3-D por si se desea visualizar como quedará el dispositivo, en esta aplicación no se realizará y Device donde se realizan las conexiones físicas con su conexiones virtuales:. Figura 11: Entorno de desarrollo de un nuevo dispositivo electrónico. 9. PCB por sus siglas en inglés. 45.

(46) A partir de las medidas brindadas por la hoja de especificaciones del sensor de presión diferencial es posible diseñar la huella y el símbolo del dispositivo, eagle admite medidas en el sistema internacional pero por defecto viene con las medidas el sistema americano. En la figura 13 se muestran el diseño del símbolo y la huella en el software. Figura 12: Especificaciones del sensor: a) Símbolo del sensor ,b) Huella y medidas físicas del encapsulado eagle, que como se mencionó anteriormente está basado en la hoja de especificaciones del fabricante NXP.. Figura 13: Especificaciones diseñadas en el software eagle: a) Símbolo, b) Huella del encapsulado. 46.

(47) En la pestaña de dispositivo se unen los pines, el cual se basa diseña a partir del datasheet del dispositivo MPXV7002, la figura 14 muestra como fueron unidas dichas piezas en el software eagle.. Figura 14: Conexiones físicas-virtuales del sensor MPX7002 Ya habiendo creado el dispositivo, se crea un nuevo proyecto donde se genera el esquemático que se muestra en la siguiente figura:. Figura 15: Medidas de la colocación de las entradas a la manguera del sensor. 47.

(48) El resultado obtenido de diseñar del PCB se muestra en la figura 16, donde se tubo en cuenta el espacio que puede ocupar en la protoboard.. Figura 16: Medidas de la colocación de las entradas a la manguera del sensor Este diseño intentó de contemplar la posibilidad de contar con menos pines pero debido a que no se encontró una regleta macho tipo L se conectaron todos los pines, encontrando este tipo de regleta el diseño puede ocupar mucho menos espacio en la protoboard permitiendo el montaje de otros dispositivos, ya que el sensor cuenta únicamente con tres pines V CC, GN D y VOU T .. 48.

(49) 5.4.. Cálculo del numero de Reynold a tener en cuenta en el fluido. A partir de la ecuación 6, se puede deducir las condiciones de flujo del fluido, se desea que el flujo sea de tipo laminar, por lo tanto el número de Reynold debe ser menor a 2000. Si se tiene en cuenta las propiedades brindas por [6] es posible encontrar los parámetros a tener en cuenta para el diseño del espirómetro:. 1, 096 <. 1, 778 ∗ 10−5 <. ρ kg m3. η kg m∗s. → 61642, 29471 <. < 1, 246. < 2, 008 ∗ 10−5. ρ < 62051, 79283 η. (25). La velocidad promedio del aire espirado se encuentra a partir de la norma establecida por la ATS, la cual dice que el instrumento de medición tiene un rango de −8 Ls a 12 Ls ,luego el flujo promedio será: Qpromedio L s. →. v m s. =. =. 12 + 8 = 10 2. 0, 04 0, 01 0, 01 = D2 = A D2 π 4. (26) (27). Remplazando 27 en 12, se tiene:. Re(D) =. ρD0, 04 0, 04ρ = 2 ηD ηD. (28). Al tener en cuenta el flujo laminar y las condiciones criticas del fluido que es cuando la temperatura alcanza los 10o C, la ecuación anterior se convierte en: Re = 2000 <. 0, 04ρ 2465, 68 = ηD D. 2465, 68 D < = 1, 232 (29) m 2000 La deducción de la ecuación anterior muestra que no es necesario tener en cuenta el diámetro que debe tener el tubo de Venturi para esta aplicación. →. 49.

(50) 5.5.. Diseño del espirómetro con Base en la norma ISO 5167-4. Existen 3 posibles opciones para sensar el flujo volumétrico a partir de la norma ISO 5167, se escogió el tubo de Venturi ya que es el que tiene menor grado de incertidumbre En la figura 4, están las medidas necesarias para diseñar un tubo de Venturi por medio de la norma ISO 5167-4, debido a que a que el tubo sera producido en una impresora 3-D y no existen especificaciones acerca de la construcción de tubos por medio de esta técnica, los parámetros C y ϵ deberán determinarse de manera práctica. A partir de las objetivos y la metodología se determinó que el espirómetro debe contar con las siguientes especificaciones: 1. Encontrar si el material en el que es construido el espirómetro es nocivo para el uso humano. 2. Cumplir con los parámetros mostrados en la figura 4. 3. Permitir al espirómetro cambiar de boquillas con facilidad. 4. Poder cambiar la manguera que conecta el tubo de venturi con la parte electrónica. 5. Contar con un instrumento que sea resistente a caídas. Los materiales más comunes en la construcción de piezas 3-D es el Acrilonitrilo butadieno estireno 10 y el accido polilactico 11 cada uno de ellos es utilizado en diferentes aplicaciones, y debido a su durabilidad y construcción de juguetes para niños se utilizó el ABS, como lo muestran algunos de los resultados mostrados en [33]. El espirómetro contó con dos partes, una parte externa que busca poder cambiar las boquillas del instrumento, las cuales, con base al mercado de insumos médicos estudiado, se encontró que son boquillas de cartón de un espesor de 2 mm, con un diámetro de 26,28 y 30 mm. La parte interna que fue diseñada con base al tubo de venturi de la norma ISO 5167-4 las medidas que fueron tomadas para el diseño del espirómetro fueron: Diámetro de la tubería de 22 mm. Garganta cilíndrica de longitud de 12 mm. Sección de salida: 15o . Sección de entrada de 21o .. 10 11. ABS PLA. 50.

(51) 5.6.. Diseño del espirómetro en freeCAD. FreeCAD es un software libre de diseños 3-D asistido por computadora, presenta un entorno de trabajo similar a solidWorks y solidEdge. Las funciones realizadas para el medidor de capacidad pulmonar se basaron en los solidos de revolución. La pieza fue diseñada en este software y para la fabricación de la pieza se utilizó una impresora 3-D, con el objetivo mantener la mejor presición y exactitud con la que fue diseñado el tubo de Venturi basado en la norma ISO 5167. Se parte de las medidas basadas en la norma ISO obtenidas en la sección anterior, logrando la forma interior del espirómetro, como se desea que mantenga la forma de un tubo de Venturi la figura se hizo simétrica al eje de rotación:. Figura 17: Medidas del tubo de Venturi del espirómetro El resultado de realizar el solido de revolución de la figura 17 fue:. Figura 18: Figura de la parte interior del espirómetro. 51.

(52) La parte exterior del tubo de Venturi se baso para acoplar las boquillas que fueron encontradas en el mercado, las cuales son boquillas de cartón de un diámetro de 30 mm y un espesor de 2 mm. Se realizó un ducto que permitiera ubicar la parte interior del tubo de Venturi y fuera lo suficientemente robusto para resistir una caída:. Figura 19: Medidas de la parte exterior del espirómetro Al realizar la revolución de la figura anterior en el software freeCAD, se obtiene:. Figura 20: Medidas de la parte exterior del espirómetro. 52.

(53) El espirómetro debe contar con un sistema para que sea posible cambiar la manguera que conecta el sensor, debido a que la cánula es muy gruesa se utilizó una sonda naso-gástrica que se acopla mucho mejor al sensor de presión diferencial. Las entradas que acoplan a la manguera se muestran a continuación:. Figura 21: Entradas a las mangueras del sensor de presión diferencial La colocación de las entradas se basaron en la norma ISO 5167-4 que es mostrada en la figura 4 la cual menciona que dichas entradas deben estar a D2 y d2 :. Figura 22: Medidas de la colocación de las entradas a la manguera del sensor. 53.

(54) La realización del espirómetro se basó en la diferencia de la figura 20 y la figura 18 se combinaron con las entradas de la figura 22 y el resultado final fue:. Figura 23: Resultado final del espirómetro diseñado en freeCAD. 54.

(55) 5.7.. Caracterización del ruido. El ruido al igual que la señal principal tiene unas características especiales que según [4], se deben a la fuente de alimentación, el error de los instrumentos de medición y señales BIAS que son ocasionadas por la fabricación y la temperatura de funcionamiento de los circuitos integrados,además de error de cuantización a causa de convertir la señal analógica en una señal digital. Se colocó el espirómetro a funcionar y se tomaron 215 muestras para facilitar algunos los métodos de estudio de la señal utilizados esta prueba.La información obtenida fue enviada a un computador y se realizaron los siguientes análisis: Se aplicó la FFT para conocer las características de la señal en el dominio de la frecuencia.De manera ideal la señal no debe contar con ningún armónico ya que el dispositivo no se encuentra en funcionamiento y dicha señal idealmente será igual al voltaje que es asociado en el datasheet . Se tomarán exactamente 8 decimales de la señal para determinar con cuantos decimales puede contar el medidor de capacidad pulmonar final. La segunda herramienta que se utilizó es un histrograma ya que esta gráfica permitirá determinar algunas características estadísticas de la señal como la desviación estándar, la varianza, la moda y la forma del ruido que se está ocasionando,idealmente la señal no debería tener varianza ni desviación estándar y su moda debería ser igual al valor teórico, se estudiarán los cuatro primeros momentos muéstrales con respecto a la media. Se utilizó la densidad espectral de potencia con el fin de conocer si la señal cuenta con mucho ruido blanco, ya que es el ruido más común en aplicaciones electrónicas y su eliminación puede ser un problema debido a que no existe correlación de la señal [20]. Este trabajo de grado no pretende determinar si el ruido que se está obteniendo es un ruido aditivo o un ruido multiplicativo y la técnica para reducir el ruido será el filtrado digital.. 55.

(56) 5.8.. Diseño del filtro digital. El filtro que se desea diseñar se basará en las técnicas utilizadas en [29], para simplicidad, se mostrada el diseño de un filtro pasa bajas de segundo orden y un filtro . Se parte de la función de transferencia de un filtro pasa bajas de segundo orden normalizado:. HLP (s) =. 1 √ s2 + 2s + 1. (30). Se realiza el remplazo de s = ωsC , donde ωc será la frecuencia de corte del filtro, obteniendo: ( ) s 1 HLP = ( )2 √ ωC s + 2 ωsC + 1 ωC ( → HLP. s ωC. ) =. ω2 √ C s2 + 2ωC s + ωc2. (31). Ahora bien se puede utilizar la ecuación para despejar una ecuación de segundo orden, obteniendo como resultado: ( ) ω2 s ) C( ) (32) =( HLP √ √ √ √ 2 2 ωC ωC ωC 2 2 − 4ωC s + 2ωC − − 4ωC s − 2ωC + 2 2 Utilizando fracciones parciales, el resultado obtenido es:. ( HLP. s ωC. ). . . ωC2. 1 1   √ √ = √ 2 − √ √ 2 2 ωC ω ω C C 2 2 − 4ωC2 s + 2ωC − − 4ωC s + 2ωC + − 4ωC2 2 2 (33) √ ω2. C Haciendo el remplazo KC = − 4ωC ,y realizando la transformada inversa de la fun( )2 ción de transferencia HLP ωsC , obteniendo:. −1. L. { } { ( )} 1 s ωC2 −1 1 √ √ HLP = L − ωC 2KC s + 2ωC − KC s + 2ωC + KC. HLP (Z) =. ) √ ωC2 ( −t(√2ωC −KC ) e − e−t( 2ωC +KC ) 2KC. (34). Luego, haciendo el remplazo de t = kT , donde k será la variable discreta y T es el periodo de muestreo, y realizando la transformada Z, el resultado obtenido será: 56.

(57) ω2 HLP (Z) = C 2KC. ω2 HLP (Z) = C 2KC. (. (. Z Z √ √ − Z + 2ωC − KC Z + 2ωC + KC. ). 1 1 (√ )− (√ ) 1 + Z −1 2ωC − KC 1 + Z −1 2ωC + KC. HLP (Z) =. ). ωC Z −1 ( √ ) Z −2 (2ωC2 − KC2 ) + Z −1 2 2ωC + 1. (35). (36). Obteniendo al final las ecuaciones de diferencias de HLP (Z), el resultado final es: [ √ ] [ ] YLP (k) = YLP (k − 2) KC2 − 2ωC2 − YLP (k − 1) 2 2ωC + XLP (k − 1)ωC. (37). Donde, YLP (k) será la salida del filtro digital en el instante k y XLP (k) es la señal de entrada del filtro en el instante k, k − n será la señal desplazada n instantes de tiempo. Como se observó el procedimiento general de pasar del dominio s al dominio Z puede ser un trabajo que lleva tiempo y en filtros de orden mayor a 4 no pueden ser generalizados con el método mostrado anteriormente, ya que no existe una ecuación general que permita resolver una ecuación de 5 grado o superior, por este motivo, existen diversas aproximaciones de la transformada de Laplace a la transformada Z que permiten resolver este tipo de problemas algunas, por ejemplo la transformación bilineal que está descrito por la ecuación:. z≈. 1+ 1−. sTs 2 sTs 2. (38). Donde, Ts será el tiempo de muestreo de la señal analógica, s es la variable en el dominio de Laplace y z es la variable en el dominio Z.A partir de las características de la señal y según [27] el filtro podrá tener una frecuencia de corte entre unos 25 a 70 respiraciones por minuto.. 57.

(58) 5.9.. Aproximación de la integral en el dominio discreto. La prueba de espirometría esta compuesta de dos magnitudes físicas como se mostró en la figura 3, el flujo volumétrico y la integral del flujo con respecto al tiempo, el volumen del aire espirado. Existen diferentes métodos numéricos para aproximar la integral en el dominio discreto como la aproximación trapezoidal, las sumas sucesivas pero en esta trabajo de grado se utilizará la transformada Z para realizar dicha aproximación, según [23], la acción integral está descrita por la ecuación: Y (Z) Ts Z Ts = = X(Z) Z −1 1 − Z −1. (39). Al igual que se realizo en la sección anterior, es posible encontrar la ecuación de diferencias para este caso:. Y (Z) (1 − Z−1 ) = X(Z)Ts ∫ →. X(k) = Y (k) = X(k) ∗ Ts + Y (k − 1). (40). Donde Y (k) será la integral en el instante de tiempo k, y X(k) será la magnitud que se desea integrar.. 58.

(59) 5.10. Simulación del espirómetro Con el fin de desarrollar un mejor espirómetro, y garantizar ciertos criterios en el funcionamiento del medidor, se tienen en cuenta los diferentes métodos de aproximación que son utilizados en este trabajo de grado y se dejó el mejor resultado para replicarlo en un microcontrolador, es por este motivo que se utiliza la software MATLAB para buscar que factores se deben tener en cuenta para mejorar el rendimiento del medidor de capacidad pulmonar. Las pruebas realizadas en MATLAB se dividen en las siguientes fases: 1. Se hace una caracterización del ruido por medio del sensor de presión diferencial y se estudia con el software MATLAB. 2. Se realiza una prueba de espirometría forzada por medio del tubo de venturi con el fin de observar los diferentes resultados que se obtiene al variar las diferentes técnicas para desarrollar el medidor. 3. Se realiza una prueba de espirometría forzada con la misma persona en el espirómetro de CASSYLAB. 4. Se desarrolla el código necesario para simular el medidor de capacidad pulmonar por medio de la herramienta MATLAB. 5. Se comparar las diferentes aproximaciones y polinomios en el diseño del filtro. 6. Se replica el mejor resultado en el dispositivo electrónico a utilizar.. 59.