Facultad de Ingeniería y Ciencias Secretaría de la Facultad
Facultad de Ingeniería y Ciencias
Acta de Correcciones al Proyecto de Grado Ingeniería Electrónica
Fecha: 24 de junio de 2020
Autores: Juan Sebastián Rueda González
Nombre del Proyecto de Grado: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA NEUMÁTICO DE COMPRESIÓN INTERMITENTE PARA TRATAMIENTO DE ISQUEMIA EN EXTREMIDADES INFERIORES
Director: Dr. Alexánder Martínez Álvarez
Como indica el artículo 2.27 de las Directrices de Trabajo de Grado, he verificado que el estudiante indicado arriba implementó todas las correcciones que los Jurados del Proyecto de Grado definieron que se efectuaran, como consta en el Acta de Calificación correspondiente.
________________________________________
Firma del Director del Proyecto de Grado
Nota de Aceptación
Aprobado por el Comité de Trabajo de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Pontificia Universidad Javeriana para optar el título de Ingeniero Electrónico.
_______________________________________
Dr. CAMILO ROCHA NIÑO Decano de la Facultad de Ingeniería
________________________________________
Dr. EUGENIO TAMURA
Director Carrera Ingeniería Electronica.
___________________________________
Dr. ALEXÁNDER MARTÍNEZ ÁLVAREZ Director Trabajo
______________________________ ______________________________
Santiago de Cali, 10 de junio de 2020.
Doctor.
Eugenio Tamura Morimitsu
Director Carrera de Ingeniería Electrónica.
Pontificia Universidad Javeriana Cali.
Cordial saludo.
Por medio de la presente me permito informarle que el estudiante de Ingeniería Electrónica Juan Sebastián Rueda González trabajó bajo mi dirección en el proyecto de grado titulado “ DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA NEUMÁTICO DE
COMPRESIÓN INTERMITENTE PARA TRATAMIENTO DE ISQUEMIA EN
EXTREMIDADES INFERIORES”.
Después de revisar el documento resultante de este trabajo se evidencia el cumplimiento de los objetivos propuestos en el anteproyecto correspondiente y, por esta razón, considero que el trabajo de grado está listo para ser sustentado.
Atentamente,
Alexánder Martínez Álvarez Profesor
Departamento de Electrónica y Ciencias de la Computación
Santiago de Cali, 1 O de junio de 2020 .
Doctor.
Eugenio Tamura Morimitsu
Director Carrera de Ingeniería Electrónica.
Pontificia Universidad Javeriana Cali.
Cordial saludo.
Me permito presentar a su consideración el proyecto de grado titulado
"DISEÑOE
IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA NEUMÁTICO DE COMPRESIÓN INTERMITENTE
PARA TRATAMIENTO DE ISQUEMIA EN EXTREMIDADES INFERIORES" 1
con el fin de cumplir con los requisitos exigidos por la Universidad para optar al título de Ingeniero Electrónico.
Al firmar aquí, doy fe de que entiendo y conozco las directrices para la presentación de trabajos de grado de la Facultad de Ingeniería y Ciencias aprobadas el 26 de noviembre de 2009, donde se establecen los plazos y normas para el desarrollo del proyecto y del trabajo de grado.
Atentamente,
Seb~1¡étv1
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA NEUMÁTICO DE COMPRESIÓN INTERMITENTE PARA TRATAMIENTO DE ISQUEMIA EN EXTREMIDADES
INFERIORES
Presentado por
Juan Sebastián Rueda González
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS
INGENIERÍA ELECTRÓNICA SANTIAGO DE CALI
JUNIO DE 2020
AGRADECIMIENTO
Agradezco en primer lugar a mi Dios Jehová por darme la maravillosa oportunidad de tener los medios y el sustento necesario para haber cursado esta carrera, por mantenerme con vida y salud todos estos años.
También agradezco a mi padre, madre y hermana por ser un gran apoyo emocional, moral y económico durante este arduo proceso, por aguantar mis trasnochadas y acompañarme en mis frustraciones, los amo sin fin. A mi hermosa novia Melannie, que ha sido parte de mi motivación para salir adelante, por entender mi disponibilidad y mi estado de humor, te amo mucho.
También al profesor Alexánder Martínez por ser fuente de conocimiento y brindarme su confianza y apoyo. Agradezco en especial a la Fundación Valle del Lili por brindar soporte con los ingenieros Leonardo García y Pablo Castillo, a ellos les agradezco el trabajo continuo y el compartimiento de conocimiento, así como la motivación y retroalimentación oportuna.
Agradezco a todas las personas que directa o indirectamente hicieron parte de esta
etapa que ya por fin culmina.
Tabla de contenido
Resumen ... 1
Abstract ... 4
1 Introducción. ... 7
2 Aspectos preliminares del proyecto ... 9
2.1 Caracterización de la problemática. ... 9
2.1.1 Planteamiento del problema ... 9
2.1.2 Formulación del problema ... 12
2.2 Objetivos propuestos y logros alcanzados ... 13
2.2.1 Objetivo General ... 13
2.2.2 Objetivos específicos ... 13
2.2.3 Logros ... 13
2.2.4 Justificación ... 15
2.3 Marco de referencia ... 17
2.3.1 El sistema cardiovascular ... 17
2.3.2 Dispositivos de presión neumática ... 24
2.4 Concepción de una solución al problema ... 34
2.4.1 Solución propuesta ... 34
3 Diseño e integración de solución ... 37
3.1 Componentes utilizados. ... 38
3.2 Cavidades neumáticas utilizadas. ... 39
3.3 Sensores ... 40
3.4 Electroválvula ... 42
3.5 Compresor ... 44
3.6 Microcontrolador ... 45
3.7 Interfaz de usuario... 47
3.8 Integración de componentes ... 48
3.8.1 Sensores ... 49
3.8.2 Módulo de control ... 49
3.8.3 Cavidades neumáticas ... 52
3.8.4 Interfaz de usuario ... 53
3.9 Sistema completo ... 54
4 EVALUACIÓN DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO ... 56
4.1 Diagrama de flujo del sistema ... 56
4.2 Evaluación del hardware. ... 57
4.2.1 Sistema de control y suministro ... 58
4.2.2 Módulo de sensado... 58
4.2.3 Interfaz de usuario. ... 62
4.3 Evaluación de software ... 63
4.4 Comparación con otros dispositivos comerciales ... 64
4.5 Análisis demanda energética del sistema ... 65
4.6 Bioseguridad del dispositivo ... 66
4.7 Trabajo a futuro ... 67
5 Conclusiones ... 69
6 Bibliografía ... 71
7 ANEXOS ... 73
7.1 Anexo 1 Código utilizado para el funcionamiento del dispositivo. ... 73
7.2 Anexo 2. Tabla de variables de funcionamiento del transistor TIP41C (STMicroelectronics,
2007) . 79
7.4.2 Tiva C. ... 81
7.4.3 Raspberry Pi. ... 82
7.5 Anexo 5. Hoja de datos del compresor P22D03. ... 84
7.6 Anexo 6. Configuración de la interfaz de usuario ... 85
7.6.1 Teclado ... 85
7.6.2 Pantalla ... 87
Lista de tablas y figuras
Tabla 1. Superficie transversal de vasos sanguíneos (Hall, 2016, p. 435). ... 18
Tabla 2. Comparación entre sensores ... 41
Tabla 3. Comparativa entre válvulas neumáticas ... 43
Tabla 4. Comparativa entre modelos de compresor ... 44
Tabla 5. Comparativa entre microcontroladores... 46
Figura 1. Presiones sanguíneas normales en distintas porciones del aparato circulatorio. (Hall, 2016) ... 20
Figura 2. Principales complicaciones producto de la isquemia en extremidades inferiores. (Elsayed & Clavijo, 2015, p. 40) ... 22
Figura 3. Comparación de dispositivos de compresión intermitente (Nose et al., 2010, p. 386) 28 Figura 4. Comportamiento de flujo sanguíneo con modelos de compresión diferente. (Nose et al., 2010, p. 387) ... 28
Figura 5. Diagrama general del sistema. ... 36
Figura 6. Diagrama de tubería e instrumentación (P&ID). ... 37
Figura 7.Configuración switch para transistor. (STMicroelectronics, 2007) ... 39
Figura 8. Comportamiento del sensor MP3V5050 frente a presión sometida. (Freescale Semiconductor, 2015) ... 42
Figura 9. Módulo de sensado dual. ... 49
Figura 10. Diagrama esquemático del módulo de control ... 50
Figura 11. Módulo de control en placa universal. ... 51
Figura 12. Brazaletes neumáticos utilizados para la terapia. ... 53
Figura 13. Modo de empleo de las cavidades neumáticas. ... 53
Figura 14. Interfaz de usuario ... 54
Figura 15. Montaje completo del prototipo... 55
Figura 16. Diagrama de flujo de funcionamiento del sistema. ... 57
Figura 17. Lectura analógica del microprocesador con información de los sensores. ... 59
Figura 18. Comparación de la medición adecuada con la del tensiómetro. ... 61
Resumen
En este trabajo de grado se expone tanto la concepción, como el diseño y la construcción de un prototipo que representa la base para un futuro tratamiento en pacientes que presentan una patología conocida como isquemia aguda en extremidades inferiores.
Esta patología está asociada al sistema cardiovascular y se presenta principalmente en adultos mayores, en ésta, se impide la irrigación del torrente sanguíneo a lo largo del cuerpo, incluyendo órganos y tejidos, los cuales con el tiempo empiezan a dejar de funcionar apropiadamente y mueren. Padecer este tipo de enfermedad es sumamente doloroso, dado que se presentan hinchazones en áreas afectadas y no es posible que el paciente pueda caminar. Si bien se asocia como causa principal a la arteriosclerosis, también se debe a trombos en la sangre. Actualmente existen medidas sumamente invasivas para tratar la enfermedad, estas son cirugías vasculares o el uso de medicamentos anticoagulantes, en ambos escenarios se pone en riesgo la vida de los pacientes, dado que por su avanzada edad el riesgo de fallecer es considerablemente alto.
Es necesario reestablecer el flujo sanguíneo para tratar la enfermedad, pues de no ser así el paciente debe sufrir la amputación de sus extremidades debido al riesgo de infección que resulta luego de la perdida de oxígeno en los tejidos. En Colombia más de dos millones de personas padecen esta condición, y no todos son aptos para ser sometidos a un tratamiento invasivo, sin embargo, actualmente no se ofrece ninguna alternativa que se adapte a las necesidades de la población prevalente que no es apta para someterse a una cirugía o tomar cierto medicamento.
Para abordar el problema de una manera apropiada fue necesario enmarcar en dos áreas
principales el proyecto de grado, el diseño de ingeniería y la medicina. Buscando
identificar necesidades médicas del usuario potencial, se tuvo contacto con el Dr. Juan
Pablo Carbonell, Cirujano Vascular del Hospital Universitario Fundación Valle del Lili,
también se contó con la asesoría de dos ingenieros encargados del área de electromedicina del mismo hospital. Posterior a una serie de reuniones en el consultorio del doctor y una rigurosa consulta bibliográfica, se llegó a la conclusión de que era necesario un sistema portable que genere una presión media-alta de manera gradual desde el tobillo hacia la rodilla, que la interfaz con el usuario sea de fácil uso pues será utilizado por personas mayores de 65 años y lo tendrán alrededor de 3 meses en sus hogares.
El proceso de hacer coincidir dos áreas distintas como lo son la medicina y la ingeniería fue enriquecedor profesionalmente, pues amplió el panorama de posibilidades en torno al desarrollo de soluciones para la comunidad inmediata en la que vivo. La aproximación desde la ingeniería permitió evaluar distintos recursos en torno a las necesidades médicas que implica padecer una patología tan agresiva como la isquemia. A nivel profesional adquirí experiencia en el manejo de variables biológicas como la presión sanguínea y la fuerza de cizallamiento entre tejidos. Fue posible también aprender a utilizar recursos comunes para la creación de un prototipo y adaptarse a las condiciones del entorno que nos rodea y mejorar las habilidades de resolución de problemas.
Al final se diseñó e implementó un prototipo funcional de un sistema de presión neumática
intermitente capaz de ejercer una presión media-alta de manera gradual desde el tobillo
hasta justo antes de la rodilla, cubriendo el área de la tibia mediante el uso de dos mangas
de tensiómetro. El dispositivo cuenta con cuatro válvulas solenoides que se encargan de
regular el flujo de aire hacia las mangas, un teclado para ingreso de valores de referencia
y una pantalla OLED para visualización de información. Todos los componentes son
controlados a través de un microcontrolador basado en el procesador ATmega 2560.
dos mangas neumáticas que cubren la zona de la pantorrilla donde se encuentra la arteria
tibial, asemejándose a lo que podría ser un drenaje del sistema circulatorio. Los
componentes utilizados permiten pensar en futuras mejoras para una solución escalable
más robusta, además puede ser optimizado para que en su fase final de construcción el
dispositivo pueda ser portable. A través de la interfaz con el usuario, se puede ingresar
la presión objetivo para trabajar de acuerdo con la terapia que se considera necesaria
por el profesional de la salud.
Abstract
This document presents the conception, design and construction of a prototype that represents the basis for future treatment in patients with a pathology known as acute lower limb ischemia.
This pathology is associated with the cardiovascular system and occurs mainly in older adults. In this case, the irrigation of the bloodstream throughout the body, including organs and tissues, is impeded, which eventually begin to stop functioning properly and die. This type of disease is extremely painful because there is swelling in affected areas and the patient may not be able to walk. Although it is associated with arteriosclerosis as the main cause, it is also due to blood clots. Currently there are highly invasive measures to treat the disease, these are vascular surgeries or the use of anticoagulant drugs, in both scenarios patients' lives are at risk, since due to their advanced age the risk of death is considerably high.
It is necessary to achieve re-establishment of blood flow to treat the disease, otherwise the patient must suffer amputation of their limbs due to the risk of infection that results after loss of oxygen to the tissues. In Colombia more than two million people suffer from this condition, and not all are suitable to undergo invasive treatment. However, currently there is no alternative that adapts to the needs of the prevalent population that is not suitable to undergo surgery or take certain medication.
To address the problem in an appropriate manner it was necessary to frame the degree
project in two main areas, engineering design and medicine. In order to identify the
medical needs of the potential user, we contacted Dr. Juan Pablo Carbonell, Vascular
Surgeon of the Fundación Valle del Lili University Hospital, and we also had the advice of
easy to use because it would be used by people over 65 years old and they would have it at home for about 3 months.
The process of bringing together two different areas such as medicine and engineering was professionally enriching, since it broadens the panorama of possibilities around the development of solutions for the immediate community in which I live. The approach from engineering allowed evaluating different resources around the medical needs that implies suffering a pathology as aggressive as ischemia, at a professional level I acquired experience in the management of biological variables such as blood pressure and shear force between tissues. It was also possible to learn how to use common resources to create a prototype and adapt to the conditions of the environment around us and improve problem-solving skills.
In the end, a functional prototype of an intermittent pneumatic pressure system capable of exerting a medium-high pressure gradually from the ankle to just before the knee was designed and implemented, covering the tibia area through the use of two blood pressure cuffs. The device has 4 solenoid valves that regulate the flow of air in and out of the sleeves, a keyboard for entering reference values and an Oled screen for displaying information. All components are controlled by a microcontroller based on the ATmega 2560 processor.
All the objectives set for the project were met, as it was possible to specify which
mechanisms were necessary for the construction of the functional prototype. The tests
carried out allowed to demonstrate that pressures up to 300 mmHg are exerted with an
error of around 7%. The compression is done gradually alternating between two
pneumatic sleeves that cover the area of the calf where the tibial artery is located,
resembling what could be a drainage of the circulatory system. The components used
allow us to think of future improvements for a more robust scalable solution and can also
be optimized so that in its final phase of construction the device can be portable. Through
the interface with the user, the target pressure can be entered to work according to the
therapy that is considered necessary by the health professional.
1 Introducción.
En los últimos años la medicina ha logrado grandes avances para el tratamiento de distintas enfermedades durante las etapas de su desarrollo clínico, ya sea en el período prodrómico en donde ocurre la detección de síntomas generales que permitan identificar las posibles patologías que afectan al cuerpo, o bien en el período clínico en donde se puede determinar la patología y lo que se puede aplicar sobre el paciente para evitar secuelas y, por último, el período resolutivo en donde la enfermedad desaparece, se torna crónica o en el peor de los casos el paciente muere. Estos avances en cada una de las etapas han sido posibles gracias a procesos paralelos de investigación y desarrollo tecnológico.
La isquemia es una enfermedad asociada al sistema cardiovascular (en su mayoría pacientes adultos mayores), impide la irrigación de sangre oxigenada a órganos y tejidos, los cuales con el tiempo empiezan a tornarse de un tono oscuro y al final terminan muriendo. Por lo general se caracteriza por dolores, hinchazones e inhabilidad para caminar, su causa principal es la arterioesclerosis, aunque también puede deberse a coágulos de sangre. Claro está, es posible impedir la muerte del tejido al recuperar el flujo sanguíneo, de no ser así, el paciente debe sufrir una amputación de la extremidad.
Existen diferentes tipos de isquemias, cerebral (interrupción del suministro de sangre al cerebro), renal (disminución de sangre que llega a los riñones), y aguda de las extremidades (piernas/brazos no reciben suministro adecuado de sangre nueva)
Tan solo en Colombia existen más de dos millones de personas que presentan este tipo
de patología, quienes en su mayoría son personas de la tercera edad que además no
pueden ser sometidas a procedimientos quirúrgicos enfocados en la zona vascular, o en
las que tratamientos menos invasivos, como el uso de anticoagulantes, ponen en riesgo
su salud. Si a ello se suma lo obstaculizado que es el sistema de salud colombiano, es
de vital importancia un desarrollo que busque brindar una alternativa no invasiva que
permita mejorar la calidad de vida de las personas.
En este proyecto se diseñó e implementó un prototipo de sistema neumático de compresión para el tratamiento clínico de isquemia en extremidades inferiores (desde la rodilla hasta el tobillo). Con ello se verificó que el modelo desarrollado cumpliera con el diseño concebido en el transcurso de la investigación.
En el presente documento se ha documentado el proceso de consolidación de un
prototipo de un sistema neumático de compresión intermitente, desde la concepción del
problema hasta su implementación. En el capítulo uno, se presentan los aspectos
preliminares del proyecto, como lo son los objetivos, el marco de referencia y la
concepción del problema. El capítulo dos contiene la solución propuesta para el
problema, donde se incorpora el diseño planteado y los componentes escogidos. el
capítulo tres incluye la integración de cada parte del sistema. Para el capítulo cuatro se
evalúa el funcionamiento del sistema completo. Finalmente, el capítulo cinco expone las
conclusiones del proyecto de grado.
2 Aspectos preliminares del proyecto
2.1 Caracterización de la problemática.
2.1.1 Planteamiento del problema
El sistema cardiovascular se encarga de entregar nutrientes y oxígeno a todas las células del cuerpo a través del flujo de sangre. Una vez la sangre llega a los capilares, se liberan estos nutrientes y el oxígeno que alimenta las células que permiten el funcionamiento correcto del cuerpo, a su vez, estas células expulsan desechos como CO2 y agua que son absorbidos y transportados nuevamente por el torrente sanguíneo. (IQWiG, 2016).
El motor principal de este sistema es el corazón, que se encarga bombear sangre de sus ventrículos hacia los pulmones, donde se oxigenan y empiezan el trayecto a todas las partes del cuerpo que necesitan alimentarse. El medio utilizado para enviar la sangre oxigenada son unos vasos sanguíneos llamados arterias, siendo la principal la arteria Aorta. A medida que se irriga distintas partes del cuerpo, las arterias van disminuyendo su tamaño hasta convertirse en pequeño vasos llamados capilares.
Una de las patologías presentes en el Sistema Cardiovascular es la Isquemia, que es una
condición que impide la irrigación de sangre oxigenada a órganos y tejidos, los cuales
con el tiempo empiezan a deteriorarse a tal grado que terminan muriendo. Por lo general
el paciente presenta dolores, hinchazones e incluso fallos motrices. La principal causa de
esta patología es la arterioesclerosis. Es necesario esclarecer que, en ocasiones, algunas
partes como los dedos deben ser amputados aun estando en tratamiento, se debe al
aumento de coágulos de sangre y la falta de cicatrización que generan infecciones. Para
impedir la muerte del tejido se necesita recuperar el flujo sanguíneo, con el fin de evitar
posibles amputaciones. (Smith, 2012)
Actualmente las soluciones a esta condición son invasivas, consisten en tratamientos con medicamentos que diluyen la sangre para facilitar el paso a través de obstrucciones, como las mencionadas en el apartado 2.3.1.5.3 Soluciones actuales . También se hace uso de vasodilatadores que, como su nombre indica, se encargan de aumentar el diámetro de arterias y capilares para conseguir menor resistencia frente a una obstrucción.
La segunda categoría de soluciones invasivas es la de las cirugías vasculares. Las cuales consisten básicamente en el ingreso del paciente al quirófano, donde un cirujano vascular procede a abrir el lugar donde se encuentra la obstrucción sanguínea y extraer lo que más pueda del tejido obstructor para intentar normalizar el flujo de sangre oxigenada a los tejidos y poder esperar una recuperación.
En una reunión llevada a cabo en el consultorio del doctor Juan Pablo Carbonell, él planteó la necesidad de desarrollar un dispositivo que facilitara la rehabilitación de algunos de sus pacientes más críticos en términos de isquemia inferior. Comentó que esta es una condición que cada vez afecta más a personas de la tercera edad y fue claro en especificar que los pacientes serían mayores de 65 años.
Si bien comentó que esta problemática en Colombia se ha estado solucionando a través de cirugías invasivas o control con medicamentos anticoagulantes, planteó que no todos deberían o pueden ser sometidos a este tipo de procedimientos, pues sus condiciones de salud no permiten una intervención quirúrgica o la ingesta de un medicamento.
La solución asociada al consumo de medicamento posee un gran problema y es que no
se tienen resultados que verifiquen que el tratamiento es verdaderamente efectivo sobre
Las cirugías o dilataciones en algunos pacientes tienen resultados fallidos debido al alto riesgo por la edad del paciente (la mayoría son de la tercera edad, casi todos con más de 70 años) (Londoño, 2016, págs. 18-27)
Actualmente en el campo del Sistema Linfático, en torno a los drenajes, se han desarrollado una serie de sistemas denominados como "presoterapia", en estos, se cuenta con una serie de botas y mangas con diversos neumáticos que se inflan y contraen a un determinado ritmo con una presión preestablecida por el asistente. Este dispositivo sigue la forma en la cual trabaja el sistema Linfático, de abajo hacia arriba y realiza de manera óptima el trabajo que podría efectuar un terapista con un masaje linfático.
Dependiendo de la zona a trabajar se utilizan distintos accesorios: para extremidades inferiores, una serie de botas; para abdomen, un cinturón y, finalmente, para extremidades superiores, mangas.
Teniendo en cuenta lo anterior, se planteó el diseño de un sistema de carácter no invasivo
similar a la presoterapia que se usa en el área linfática, pero aplicado sobre el sistema
cardiovascular en toda la pierna ejerciendo una presión media-alta de manera gradual
desde el pie hasta el muslo en esa dirección (de abajo hacia arriba). Este sistema debe
ser portable de manera que el usuario potencial pueda llevar el equipo a su casa y realizar
el tratamiento durante 3-4 meses para luego devolver el equipo. La interfaz con el usuario
debe ser amigable (de fácil uso). El sistema debe sensar la presión que aplica sobre la
pierna de manera muy precisa y ejercer un control de igual forma sobre la presión que se
ejerce gradualmente sobre la pierna.
2.1.2 Formulación del problema
Luego de tener una charla de acercamiento al problema, dirigida por el doctor Juan Pablo
Carbonell, se estableció que era necesario encontrar la manera en la cual se pudiera
adelantar el desarrollo, tanto en diseño como en construcción, de un prototipo de
dispositivo de compresión neumática intermitente que permitiera ser la base para un
futuro tratamiento a personas que sufren de isquemia en extremidades inferiores.
2.2 Objetivos propuestos y logros alcanzados
A continuación, se describen los objetivos propuestos al inicio del proyecto y que trazaron la ruta para desarrollar una solución a la problemática identificada, que será descrita más adelante.
2.2.1 Objetivo General
• Diseñar e implementar un prototipo de sistema neumático de compresión intermitente para el tratamiento de Isquemia en extremidades inferiores, comprobando el cumplimiento de sus requerimientos técnicos para un posible uso a futuro.
2.2.2 Objetivos específicos
• Determinar qué mecanismos son necesarios para ejercer una presión arterial media sobre una extremidad inferior.
• Evaluar criterios de diseño para sistemas neumáticos aplicables a extremidades inferiores.
• Realizar el diseño e implementación de un prototipo de sistema neumático de compresión intermitente, comprobando el cumplimiento de las especificaciones de acuerdo con delimitaciones y alcances planteados.
• Identificar y definir parámetros adicionales de diseño recomendados para una apropiada continuación de este proyecto de grado, donde se desee incluir pruebas piloto.
2.2.3 Logros
El cumplimiento de los objetivos propuestos se evidencia en los logros alcanzados
durante el desarrollo de este proyecto y que pueden resumirse de la siguiente forma:
• A través de una rigurosa consulta bibliográfica expuesta en el apartado 2.3 Marco de referencia, se determinaron los mecanismos necesarios para lograr ejercer una presión arterial media y como a nivel fisiológico interactúan tejidos y fluidos en las áreas afectadas.
• Como parte de la revisión bibliográfica de antecedentes a la problemática que se abordó en el proyecto de grado, en el apartado 2.3.2 Dispositivos de presión neumática se evaluaron distintos diseños que han sido concebidos en diferentes partes del mundo para, finalmente, consolidar una idea que es comparada con soluciones existentes en el ítem 4.3.1 Patrones comerciales vs propuesta.
• Una vez fue concebido y formulado el problema y delimitado un alcance funcional, se procedió a diseñar de un sistema neumático que ejerce presión intermitente, que luego fue implementado. Con este sistema se logra generar presiones desde uno hasta trecientos milímetros de mercurio (mmHg) de manera gradual, a lo largo de la pantorrilla. Se cuenta con un sistema de interacción con el cliente y el error de medición es alrededor del 7%. El capítulo 3 Diseño e integración de la solución, recopila el proceso que se llevó a cabo para conseguirlo.
• Una vez fueron realizadas las pruebas pertinentes al funcionamiento del prototipo, se evalúan las condiciones de trabajo del mismo y se hace una serie de sugerencias que permiten que a futuro la solución sea mas robusta y optimizada, garantizando que la propuesta que se realizó es escalable y puede tener mejoras sustanciales. Lo anteriormente mencionado se registra en el apartado 4.6 Trabajo a futuro.
• Los resultados preliminares de este proyecto fueron presentados en una ponencia
en el II Congreso Latinoamericano de Automática y Robótica (LACAR2019), que
tuvo lugar en la Pontificia Universidad Javeriana Cali, en octubre de 2019.
2.2.4 Justificación
A partir de la investigación realizada, en Colombia no existe un tratamiento no invasivo que permita la mejoría del paciente que presenta la isquemia en extremidades inferiores;
por una parte, existe medicación antiagregante (interviene en la formación del trombo, funciona como anticoagulantes), medicación hemorreológica (Aumenta el flujo sanguíneo tisular reduciendo la viscosidad de la sangre), y por su puesto medicina anticoagulante (más enfocado a casos de trombosis). El tratamiento quirúrgico es el segundo método para el tratamiento de esta patología, existen técnicas hiperemiantes (se destruyen los nervios que estimulan la contracción de las arterias), técnicas de revascularización directa (se trata la arteria lesionada eliminando la placa de ateroma que causa la obstrucción), y técnicas endoluminales (elimina las obstrucciones utilizando catéteres percutáneos). La mayoría al ser pacientes de edad avanzada puede correr muchos riesgos para ser intervenidos quirúrgicamente por lo que los tratamientos tan invasivos muchas veces no son una opción, por otra parte, la medicación por sí sola en muchos casos tampoco resulta del todo efectiva.
En Colombia ha aumentado la prevalencia de la isquemia, pues afecta al 7% de la población general y el 39% de los adultos mayores. (Londoño, 2016, págs. 18-27). A partir de lo dicho anteriormente, ésta es una enfermedad que realmente afecta a parte de la población colombiana y los pacientes pueden correr el riesgo de perder una extremidad.
Se ve necesario desarrollar alternativas no invasivas para aquellos pacientes que no pueden someterse a tratamientos quirúrgicos, además de ayudar en la mejoría de aquellos que apenas presentan los síntomas.
Hoy en día desde la Ingeniería Electrónica es posible mejorar la calidad de vida de las personas en distintos ámbitos, uno de ellos es el campo de la medicina. Existen procedimientos que acompañados de la tecnología permiten dar una nueva oportunidad a las personas, teniendo a su disposición alternativas para mejorar su condición actual.
Mi desafío profesional radica en descubrir la manera en cual los sistemas de control, de
automatización, de potencia y visualización puede integrarse para desarrollar un prototipo
de dispositivo electromecánico que permite dar un nuevo paso hacia la recuperación de
pacientes que sufren isquemia en extremidades inferiores.
2.3 Marco de referencia
2.3.1 El sistema cardiovascular
En primer lugar, tenemos que entender la circulación, tal como lo dice Hall en Tratado de Fisiología Médica en su 13° edición: "la función de la circulación consiste en atender las necesidades del organismo". Esto es, tener a cargo el transporte de los nutrientes hacia los tejidos del organismo, así mismo, los desechos de este. También, transportar las hormonas y teniendo un panorama general, que los líquidos tisulares en el organismo tengan un entorno apropiado que garantice que las células funcionen óptimamente y sobrevivan. (Hall, 2016).
La circulación se divide en dos grupos principales, circulación sistémica y circulación pulmonar. La primera división es la encargada de aportar el flujo sanguíneo a lo largo de todo el organismo, exceptuando los pulmones, por eso se le llama circulación mayor.(Hall, 2016)
2.3.1.1 Componentes.
Existe un grupo de vasos sanguíneos que se encargan del transporte de sangre
oxigenada, se conocen como arterias, y la sangre que llevan tiene una presión alta,
motivo por el cual cuentan con paredes vasculares fuertes y velocidades altas. De ellas
se desprenden las arteriolas, que son ramas pequeñas dedicadas al control de conductos
por los cuales se libera sangre hacia los capilares. Por último, los capilares son la
ramificación más baja del sistema arterial, en ellos se realiza el intercambio de nutrientes,
hormonas y más sustancias que se llevan en la sangre y el líquido intersticial. (Hall, 2016)
2.3.1.2 Volúmenes
Del volumen total de sangre que fluye a través del sistema circulatorio en los humanos, un 84% se encuentra en la circulación sistémica o mayor, dejando un 16% restante para la circulación pulmonar. (Hall, 2016)
En la circulación sistémica, el 64% del volumen de sangre viaja a través de las venas, más adelante se explicará el porqué de ello. El 13% se encuentra en las arterias, el 7%
en arteriolas y capilares. El corazón como tal, contiene el 7% de la sangre y el 9% restante se encuentra en vasos pulmonares. (Hall, 2016)
2.3.1.3 Superficies
A continuación, se presenta una tabla que contiene el área de los vasos sanguíneos que componen el sistema circulatorio humano.
Tabla 1. Superficie transversal de vasos sanguíneos (Hall, 2016, p. 435).
Vaso Superficie transversal (cm
2)
Aorta 2,5
Pequeñas arterias 20
Arteriolas 40
Capilares 2.500
Vénulas 250
Pequeñas venas 80
Venas cavas 8
volúmenes de sangre, dando a entender porqué se maneja un alto volumen de sangre en las venas.
Debido a que en cada minuto debe pasar el mismo volumen de flujo sanguíneo a través de cada segmento, la ecuación v = F/A representa el cálculo de velocidad del flujo sanguíneo (v), donde F es el flujo sanguíneo y A la superficie transversal.
En la arteria principal del organismo, la velocidad media es de 33 cm/s, 1000 veces mayor que en los capilares (0.3 mm/s). Sin embargo, dado que los capilares tienen longitudes entre 0.3 a 1 mm, la sangre se queda como máximo 3 segundos en ellos.
2.3.1.4 Presiones.
Es de común entendimiento que el corazón es el motor que se encarga de bombear sangre al sistema circulatorio. Pues bien, la arteria que recibe en primer lugar el flujo de sangre es la Aorta, motivo por el cual la presión media es alta, con un valor medio alrededor de los 100mmHg (Hall, 2016). Sin embargo, este valor varía constantemente debido a que el bombeo que realiza el corazón es pulsátil, ello implica que la presión en esta arteria se alterna en los siguientes valores: presión sistólica de 120mmHg y presión diastólica de 80mmHg.
En cuanto el flujo de sangre va atravesando la circulación sistémica, la presión media
decae progresivamente hasta llegar a niveles cercanos a los 0mmHg. Cuando se
encuentra pasando por arterias de dimensiones medianas las presiones sistólica y
diastólica oscilan entre 110 y 70mmHg, respectivamente.
Figura 1. Presiones sanguíneas normales en distintas porciones del aparato circulatorio. (Hall, 2016)
En la figura 1 se puede ver las presiones que corresponden a todas las partes del sistema circulatorio, tanto las presiones sistémicas, como las pulmonares. Se evidencia el decaimiento de presiones en el transcurso de las distintas circulaciones dependiendo del tamaño de los vasos que se atraviesan.
2.3.1.5 Isquemia
La isquemia en extremidades es una de las formas más avanzadas de la enfermedad
periférica en arterias, ha sido asociada constantemente a morbilidad significativa,
mortandad y a utilización de recursos de cuidado de la salud. En cuanto a componentes
físicos y psicológicos, se asocia a la amputación de una extremidad que conlleva a
procesos de rehabilitación y adaptación física. (Shishehbor et al., 2016)
2.3.1.5.1 Causas
Por lo general esta patología es causada por la arterioesclerosis, que en resumidas cuentas es el taponamiento de las arterias por una placa, también se conoce que es causado en parte por la enfermedad de tromboembolismo, vasculitis y trombosis en ciertos lugares debido a estados de híper coagulación, incluso se asocia a algún trauma sufrido en cierta extremidad. (Elsayed & Clavijo, 2015)
Como tal, existen una serie de factores que incrementan el riesgo tanto de pérdida de una extremidad, como de un gasto producto de una demanda alta de flujo de sangre.
Los siguientes son los factores que ponen en riesgo a un paciente para una amputación de extremidad:
- Diabetes
- Falla renal severa - Falla cardiaca severa - Fumar
Por otro lado, estos son las condiciones que generar un gasto producto de una demanda de flujo sanguíneo:
- Trauma - Infección
- Colapso de piel (ulcera).
2.3.1.5.2 Efectos
Como producto de sufrir una isquemia, un paciente con esta condición puede llegar a
experimentar dolores tan fuertes que son descritos como peor que tener cáncer. Esto
claramente lleva a las personas a tener un declive emocional severo.
El no tener la misma cantidad de oxígeno en la sangre lleva al tejido desoxigenado a pedir más flujo sanguíneo, lo cual genera para el corazón un gasto cardiaco. Por otro lado, si no se puede suplir la demanda de nutrientes y oxígeno en el cuerpo, ciertas partes afectadas comienzan a enrojecer, posteriormente se evidencian aparición de ulceras, que ligadas a una mala atención llevan a que se gangrene parte de las extremidades, llegando a casos tan graves que la única alternativa es la amputación. (Elsayed & Clavijo, 2015)
Figura 2. Principales complicaciones producto de la isquemia en extremidades inferiores. (Elsayed & Clavijo, 2015, p.
40)
Como se puede ver en la figura 2, esta patología no debe pasarse por alto en ninguna
circunstancia, es vital que se encuentren soluciones adecuadas para cada paciente,
permitiendo así un mejoramiento de la salud de la persona y por ende una mejor calidad
de vida.
2.3.1.5.3 Soluciones actuales
Conociendo las complicaciones y afecciones a la salud que conlleva tener una enfermedad como la isquemia, grupos de médicos se han puesto en la labor de desarrollar, junto con laboratorios y farmacéuticas, productos y terapias apropiados para combatir dicha patología.
Elsayed y Clavijo mencionan que dentro de las estrategias que se han llevado a cabo en el campo de la medicina, se incluye el uso de medicamentos antiplaquetarios y anticoagulantes, además, se busca la minimización de factores de riesgo. Mencionan que todo lo anterior se prioriza para personas que no son aptos para una revascularización en vista de sus múltiples comorbilidades. (Elsayed & Clavijo, 2015)
Existe también otra opción para combatir esta patología, se trata de los tratamientos endovasculares o cirugías que son necesarias para reestablecer el flujo de sangre sobre la región afectada por la isquemia. El propósito de este tratamiento conocido como revascularización es establecer propiamente el flujo lineal hacia el pie.
Sin embargo, no todos los procedimientos que se encuentran disponibles actualmente son de provecho o no se adaptan a las necesidades de todos los pacientes con isquemia crítica. Encontrar un tratamiento adecuado dependerá de la expectativa de vida que se haya determinado según su condición.
Por ejemplo, existe un tratamiento conocido como Angioplastia, que consiste en introducir
un catéter con un neumático para expandir los vasos sanguíneos y recuperar la
circulación. Para poder ser apto para este tratamiento específico, el paciente debe tener
una expectativa de vida menor a dos años. Por otro lado, si este factor de riesgo es menor
y su expectativa de vida es más alta, el paciente puede optar por realizarse una cirugía
de baipás, claro está, depende de las comorbilidades de cada individuo.
Existen casos extremos donde la isquemia ha creado en el paciente un estado avanzado de necrosis de los tejidos del pie. Es necesario realizar estudios pertinentes para determinar el verdadero panorama al que se enfrenta el paciente debido a dicha descomposición de sus tejidos, en caso de que se esté comprometiendo más partes de la extremidad o se tenga un alto riesgo que cueste la vida debido a una infección, será necesario que se realice una amputación primaria.
Como medida alternativa a procedimientos quirúrgicos altamente invasivos, como los que se han mencionado previamente en este capítulo, surge la idea de combatir esta patología con un dispositivo neumático. Elsayed y Clavijo afirman que “en un estudio donde participaron 171 pacientes se encontró que, con este tipo de dispositivos, incrementó la presión del tobillo significativamente y en 3.5 años se salvó el 94% de las extremidades comprometidas”. (Elsayed & Clavijo, 2015)
2.3.2 Dispositivos de presión neumática
Un dispositivo de presión neumática intermitente es aquel que utiliza un método de compresión mecánica en la cual se ejerce una presión externa por intervalos de tiempo a las cavidades neumáticas. Estos han sido utilizados en entornos médicos por mas de 60 años. Con el paso del tiempo y los avances tecnológicos, estos dispositivos han ganado robustez y permitido generar un gran impacto en la salud de las personas.
Inicialmente la forma en que se usaban estos dispositivos era bastante básica, contaban
con una única recamara que procedía a inflarse debido a la inyección proveniente de una
bomba. Sin embargo, en la década de los 70, se desarrollaron distintos modelos en los
cuales de proponen una serie de recamaras que son llenadas de manera secuencial.
de dos cavidades neumáticas en el dispositivo, se busca generar impacto en las tres zonas principales de la pierna: muslo, pantorrilla y tobillo.
2.3.2.1 Aplicaciones
En vista de la variedad de dispositivos que se encuentran actualmente, existen diversas aplicaciones para patologías asociadas al sistema cardiovascular y linfático. Incluso existen estudios como los de Feldman y Stout donde se evidencia el uso de estos para tratar el cáncer de mama. (Feldman et al., s/f)
2.3.2.1.1 Drenaje linfático.
Quizá sea esta una de las principales aplicaciones que existen comercialmente para estos dispositivos. Tanto como procedimiento estético, así como necesidad médica, los drenajes linfáticos implementan hoy en día el uso de dispositivos neumáticos intermitentes.
Para proceder de manera adecuada con este procedimiento es necesario estudiar la fisiología de este sistema, pero para efectos prácticos de este documento no se mencionará. El objetivo en el caso del drenaje será superar la fuerza resistiva de los vasos linfáticos que se encuentran obstruidos por los trombos. Siempre debe hacerse en el sentido en que fluye este sistema, esto es de abajo hacia arriba, igual que en las venas, pero esto se profundizará en la siguiente aplicación de dispositivos neumáticos.
2.3.2.1.2 Patologías en venas.
En lo que respecta al torrente sanguíneo, una de las patologías que ha tenido gran
acogida por parte de los dispositivos de presión neumática ha sido el trombo embolismo
venoso. Se trata de una condición que no permite el flujo sanguíneo en las venas,
provocando estados preocupantes de morbilidad, y convirtiéndose así en un alto riesgo de mortalidad en pacientes.
Generalmente, esta condición es tratada tanto con cirugías, como con medicamentos anticoagulantes, mezclados con aspirina. Sin embargo, dicho tratamiento ha generado en muchos pacientes un incremento del riesgo de sangrado, por lo cual se ha adoptado el uso de tratamientos mecánicos como la compresión neumática intermitente.
Hoy día son muchos los dispositivos que existen de manera comercial y ello incrementa las opciones que se tienen para ciclos de inflado y desinflado, así como cantidad de cámaras neumáticas y gradientes de presión.
2.3.2.2 Estudios
2.3.2.2.1 Patologías en venas.
2.3.2.2.1.1 Pavón y otros
Debido a lo anterior, la doctora Pavón de la Universidad de Duke, NC decidió comprobar el concepto de la presión neumático y tener conocimiento acerca de como estos dispositivos facilitaban la disminución de estasis en las venas y como mejoraba la activación de la fibrinólisis. (Pavon et al., 2016)
En el artículo que se mencionó anteriormente, Pavón y los demás autores llegan a la
conclusión que, si bien los dispositivos de presión neumático intermitente varían en sus
características prácticas, ello no genera ventaja significativa; es decir, las diferencias
Se concluye así, que, siguiendo guías médicas y pensando en una aplicación práctica que sea fácil de usar en el entorno hospitalario, será una gran herramienta. Es necesario resaltar que se menciona con mucho énfasis la necesidad de evaluar a profundidad que tanto favorece a los pacientes con TEV un método u otro para una evolución favorable.
2.3.2.2.1.2 Impacto de la compresión neumática intermitente en la velocidad de flujo en venas de pacientes con insuficiencia cardiaca congestiva .
En estudio realizado por los doctores Nose, Wada y Tanaka (Nose et al., 2010) de la Universidad de Yamaguchi en Japón, se plantea la necesidad de estudiar a profundidad los efectos de dos modelos de dispositivos de presión neumática intermitente (IPCD) en la hemodinámica de las venas en extremidades inferiores, en pacientes con insuficiencia cardiaca congestiva (CHF). Para ello se escogieron 19 pacientes en los cuales utilizarían dos tipos de IPCD.
El primer mecanismo que se puso a prueba fue la compresión neumática intermitente secuencial en pie y pantorrilla (SPF-IPC). Este consiste en un compresor de aire controlado electrónicamente para inflar cuatro cavidades neumáticas de manera secuencial desde la planta del pie hasta la rodilla en aproximadamente 10 segundos, manteniendo una presión de 50 mmHg.
Por otro lado, otro método de compresión utilizado fue la compresión neumática
intermitente por impulso en el pie (IF-IPC). Consiste en un generador neumático de
impulsos y una almohadilla inflable, en un segundo se aplican presiones alrededor de los
130 mmHg únicamente en el pie.
Figura 3. Comparación de dispositivos de compresión intermitente (Nose et al., 2010, p. 386)
La figura 3 muestra dos dispositivos de presión neumática intermitente junto con el
modelo que se implementa para terapia en pacientes con insuficiencia cardiaca
congestiva.
La figura 4 describe el comportamiento promedio de pacientes que utilizaron los distintos dispositivos de compresión neumática intermitente. Las dos venas que se analizaron fueron la Poplítea (a) y la Solea(b). Se compara frente a los sujetos de control (C) que no padecen CHF.
La conclusión a la que los autores llegan en este estudio indica que el mejor método para implementar en pacientes con CHF es la compresión neumática intermitente secuencia de pantorrilla y pie, debido a que incrementa de manera eficiente el flujo sanguíneo no solo en los sujetos de control, si no también en los pacientes que se analizaron. Sin embargo, aclaran que sería pertinente hacer un estudio de que tanto se modificó el diámetro de estos vasos sanguíneos.
2.3.2.2.2 Isquemia.
2.3.2.2.2.1 Efectos hemodinámicos de la compresión neumática intermitente en pacientes con isquemia crítica en extremidades.
Esta patología que se ha mencionado anteriormente ocurre cuando no hay el flujo sanguíneo que los tejidos necesitan. Generalmente una de las respuestas compensatorias a la isquemia crítica en extremidades (CLI) es la vasodilatación arterial, lo que resulta en la reducción de la resistencia vascular periférica. Por consiguiente, se suele pensar que las arteriolas en pacientes con CLI están dilatadas al máximo.
(Labropoulos et al., 2005)
Labropoulos y Leon postulan en este estudio que los efectos que hasta la fecha se habían
demostrado con presión neumática intermitente (IPC) en extremidades se debía a un
decremento de la parálisis vasomotora, o a un incremento en el gradiente artero-venoso
que es causado por el vaciamiento de las venas.
Para este estudio se hizo una selección de pacientes, los cuales tuvieron que estar en una posición semi-erguida antes, durante y después de la compresión. Esta posición se debe a que era adoptada de forma natural debido a sus dolores y ayuda a incrementar el gradiente artero-venoso. Es necesario aclarar que estos pacientes sufren de algún tipo de ulcera, gangrena o dolor intenso en el pie estando en reposo.
La terapia consistía en inflar dos recamaras de aire de manera secuencial, una sería en el pie y otra en la pantorrilla. En las dos, la presión máxima sería 120 mmHg, y sería sostenida durante 3 segundos. Se comienza por el pie, dos segundos luego de mantener la presión por el tiempo establecido, se procede con la recámara de la pantorrilla. Los pacientes evaluados fueron 20 en total, 13 hombres y 7 mujeres, la edad media fue de 74 años.
En la parte de los resultados Labropoulos y León mencionan que hubo un significativo aumento en 18 de las 20 arterias que analizaron, en comparación con los valores normales. Sin embargo, no fue posible realizar un seguimiento apropiado de la evolución de los pacientes pues dos murieron 6 meses después, además que cuatro sufrieron una amputación a 10, 14, 30 y 60 días luego del procedimiento.
En el estudio pudieron comprobar una reducción de la presión en las venas durante la compresión aplicada, lo cual provoca un vaciamiento de las venas y aumento en el gradiente artero-venoso. Como consecuencia del aumento de velocidad en las arterias, el esfuerzo de corte en las células endoteliales de las arterias aumenta.
El reporte de Labropoulos y León remite a un estudio realizado del año 2000 por Delis y
Azizi, donde se menciona un tratamiento en el que la compresión debía ser de 120 a 140
2.3.2.2.3 Efectos de la compresión neumática intermitente con altas presiones para el tratamiento de enfermedad de arteria periférica e isquemia crítica en extremidades en pacientes no aptos para cirugía.
En el informe del doctor Álvarez (Álvarez et al., 2015), luego de dar a conocer un poco sobre las causas y consecuencias que trae para una persona tener una enfermedad avanzada como la isquemia crítica, nos da un estimado de la cantidad de estadounidenses que hasta el año 2015 padecían de esta condición, la cifra ronda los 20 millones de personas, esto es poco más de un tercio de la población colombiana según el último censo. De acuerdo con el ultimo censo realizado por el Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE) la población colombiana es de 48.258.494 personas.
También se menciona, que las ulceras propias de esta enfermedad son la condición más difícil de curar correctamente debido a que son causantes de gran dolor en el paciente, además que con frecuencia se complican con infecciones llevando a grados extremos de gangrena (Alvarez et al., 2015).
Los dispositivos de presión neumática intermitente con alta presión (HPIPC) tienen la capacidad de poder aplicar una compresión en el pie, tobillo y pantorrilla usando brazaletes pegados a la pierna. En una posición de reposo estando sentado, las venas de estas partes de la pierna se pueden vaciar utilizando presiones superiores a la comúnmente ejercidas (Alvarez et al., 2015).
Al comprimir los tejidos debajo de la rodilla, un gran volumen de sangre en las venas se
vacía, generando que la presión llegue casi a cero, esto a su vez causa que se genere
un mayor flujo de sangre en las arterias. Como consecuencia de ello, la tasa de
cizallamiento o corte crece, permitiendo así liberar óxido nítrico al tiempo que inhibidores
de camino de tejido, causando dilatación y anticoagulación.
Es necesario aclarar que los candidatos para recibir terapia con HPIPC son pacientes con isquemias en estados moderados o avanzados y que no son candidatos para una cirugía o intervención endovascular.
Para el tratamiento fueron seleccionados 34 sujetos de prueba, de los cuales 18 recibieron terapia con HPIPC durante 60 minutos dos veces al dial por un tiempo de 16 semanas. Adicional a lo ya mencionado, 16 personas recibieron un cuidado estándar que consistía en caminar en banda durante 20 minutos dos veces al día.
Los dispositivos neumáticos que se utilizaron podían entregar una presión igual a 120 mmHg durante 4 segundos, seguido de un descanso de 16 segundos. Como resultado se tiene un ciclo de 20 segundos, que son tres ciclos por minuto. La compresión fue ejercida en los pacientes mientras ellos estaban sentados con las piernas en posición dependiente.
Luego de realizar las mediciones correspondientes, fue posible determinar un aumento en la velocidad de la sangre a través de las arterias debido a que, a su vez, se encontró un aumento en el diámetro de la arteria evaluada. Sin embargo, esas medidas volvieron a su estado normal luego de que el procedimiento terminara.
Al terminar la evaluación médica, los autores estuvieron en la capacidad de afirmar que
la terapia con dispositivos neumáticos intermitente con altas presiones puede ayudar en
el tratamiento de isquemias en extremidades inferiores. Para ello será necesario dos
horas diarias de terapia y durante un periodo de 16 semanas, ya que los resultados fueron
favorables aumentando la tasa de mejoramiento de heridas, reduciendo el dolor y
mejorando la condición física de los pacientes. Se concluye que es un método efectivo y
2.3.2.3 Beneficios
Tras analizar distintos artículos sobre los dispositivos de presión neumática intermitente, estudiando sus características de funcionamiento y la diversidad de modelos de terapia que existen, se puede decir que traen consigo grandes ventajas. Si bien no es una solución para todos los pacientes, brinda una alternativa para aquellos que cuentan con edad avanzada, deterioro de salud o padecen riesgo de sangrado.
Se ha determinado que el uso regular de este tipo de tecnología favorece al aumento de velocidad en la sangre que corre a través de las arterias. Como se explicó previamente, esto ocurre debido a que existe un vaciamiento de las venas, provocando así un aumento del gradiente artero venoso y permitiendo la activación del sistema vascular. Con ello, se puede decir que un paciente logrará conseguir mejoras como salvar su extremidad debido al proceso de recuperación de tejidos y al restablecimiento de la circulación, permitiendo aliviar fuertes dolores y mejorando la calidad de vida de las personas.
2.3.2.4 Contras
Tal como se ha presentado en los estudios realizados por profesionales de la salud, los sistemas de presión neumática intermitente no presentan daño al paciente. Se podría mencionar que la resistencia a la presión fue diferente y que algunos pacientes incluso desistieron de seguir con el procedimiento, pues sentían altas incomodidades.
En realidad, lo que se podría considerar en contra de un dispositivo de presión neumática intermitente sería la dependencia del equipo, en caso de un tratamiento prolongado.
Estos sistemas en el periodo en que se usan son efectivos, aumentando el gradiente
artero-venoso y permitiendo más velocidad en la sangre que se irriga por las arterias,
culminando así en un mejoramiento de las úlceras y dolores en los tejidos afectados. Sin
embargo, culminada la terapia, es posible que la persona vuelva a padecer esta condición
y tenga que volver a tratamiento. Además, no todos los organismos responden de la
misma manera a la presión externa que se ejerce y puede no ser efectivo. Por ese motivo, es necesario estudiar a cada candidato por separado.
2.4 Concepción de una solución al problema
La intención de este apartado del documento es recopilar el proceso llevado a cabo para tener una clara definición del problema que se pretende resolver. Inicialmente se planteó la necesidad de contar con un grupo de asesores en el campo de la medicina y la ingeniería electrónica. Para ello, se propuso trabajar con los ingenieros electrónicos Pablo Castillo y Leonardo García, de la Fundación Valle del Lili, encargados del área de equipos médicos y electromedicina. Su vasta experiencia con dispositivos electrónicos aplicados al mejoramiento de salud en pacientes fue fundamental en la identificación de una problemática a resolver y en la posterior concepción de su solución. Además, se tuvo una reunión con el Dr. Juan Pablo Carbonell, cirujano cardiovascular de la Fundación Valle de Lili.
2.4.1 Solución propuesta
A continuación, se propone una solución a la problemática descrita en el anterior apartado, para ello fue necesario tener en cuenta las consideraciones propuestas por el Dr. Juan Pablo Carbonell, además de la rigurosa revisión de literatura sobre los dispositivos de presión neumática intermitente. Con ello se pudieron encontrar principios básicos de funcionamiento de estos sistemas y agregar un modelo nuevo propuesto como alternativa a lo que se encontró en las consultas bibliográficas.
Atendiendo los requerimientos de funcionamiento sugeridos por el doctor Juan Pablo
En vista del alcance y los objetivos de este proyecto de grado, el prototipo concebido debe contar con dos cavidades que recubren la zona de la pantorrilla, las cuales se encargan de ejercer la presión establecida sobre la arteria tibial, lo que es posible debido al vaciamiento de la vena tibial, produciendo un aumento en el gradiente artero-venoso que favorecerá en el proceso de irrigación de sangre oxigenada hacia el tejido que lo requiera, evitando así un gasto cardiaco y demás cardiopatías.
De acuerdo con lo anterior, el dispositivo concebido debe estar en capacidad de generar una presión alta superior a los 80 mmHg, presión que se mantiene durante un periodo de 4 segundos, para luego liberar la presión hasta mantener un nivel entre los 40 y 60 mmHg.
Este proceso se replica en cada una de las cavidades existentes, según el tratamiento necesario de cada paciente.
Se decide que el sistema debe contar con una representación gráfica en una pantalla para visualizar la presión que se está ejerciendo, así como en un primer momento ingresar un valor de referencia para la presión, dependiendo de la terapia asignada por el médico a cargo. Precisamente, para el ingreso de este valor de referencia, se decide utilizar un teclado.
Para el procesamiento de las señales se utiliza un microcontrolador que cumple con la función de adquirir la información proveniente de los sensores de presión en cada cavidad. También se encarga de activar la bomba de aire requerida para el llenado de las cavidades neumáticas, así como de mecanismos de control sobre el ingreso y salida de aire en estas.
La figura 5 muestra la interacción básica entre las partes generales del sistema que se
planteó, dividido en módulos funcionales, donde las líneas negras sin flechas significan
conexiones de flujo de aire, las líneas negras con flecha es la interacción de una variable
física como la presión con los sensores, por último, las líneas azules son señales de control e interacción entre partes con la unidad de control.
Figura 5. Diagrama general del sistema.
3 Diseño e integración de solución
La intención de este capítulo es exponer el proceso metodológico en el cual se abarcaron las etapas de diseño de la solución, así como el proceso de selección de componentes necesarios y la integración de todas las partes seleccionadas.
A partir de la solución concebida, que fue descrita al final del capítulo anterior, se procede a representar el sistema concebido y sus componentes en el diagrama de tubería e instrumentación (P&ID) de la figura 6. Este diagrama representa la interacción entre los componentes, así como las señales que se utilizan para su comunicación.
Figura 6. Diagrama de tubería e instrumentación (P&ID).
3.1 Componentes utilizados.
Tal como se aprecia en la figura 5 uno de los requerimientos es accionar los mecanismos de control de flujo de aire hacia las cavidades neumáticas que ejercen presión sobre la extremidad en que se trabaja. Sin embargo, los microcontroladores no son capaces de entregar toda la corriente necesaria para activar el control de flujo y, además, de no protegerlos podrían averiarse.
Para poder garantizar el flujo de corriente necesario se decide utilizar transistores en configuración de switch y para esto se escogen transistores complementarios de potencia que sean óptimos para rápido accionamiento. Se decidió trabajar con la referencia TIP41C, los cuales son aplicados como propósito general, así como amplificadores de audio, potencia y conmutación lineal. El tipo de transistor es NPN, pueden disipar una potencia máxima de 65W y entregar una corriente máxima de 6A en el colector.
Se propuso una configuración de switch como la que se aprecia en la figura 7. Se decide
este diseño debido a que una de las características principales de los transistores
empleados es la conmutación rápida en potencia y es sugerido como forma de trabajo en
la hoja de datos del transistor.
Figura 7.Configuración switch para transistor. (STMicroelectronics, 2007)
