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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO PROGRAMABLE
DE FOTOTERAPIA PARA CURACIÓN DE ICTERICIA NEONATAL
EN LA REGIÓN PUNO
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A PHOTOTHERAPY MODULE
TO HEAL NEWBORN JAUNDICE IN THE REGION OF PUNO
Oscar Mauricio Flores-López 1,a,b
1 Escuela Profesional de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones, Universidad Andina
Néstor Cáceres Velásquez. Juliaca, Perú
a Docente; b Ingeniero Electrónico
RESUMEN
Las enfermedades de la piel son de una gran incidencia en nuestro país en lo concerniente a la cantidad de pacientes que se atienden en los centros de salud. De acuerdo a los datos estadísticos presentados por el Ministerio de Salud, estas ocupan el décimo lugar. Una de las enfermedades que se presentan con una gran recurrencia dentro del área de dermatología es la ictericia neonatal. La ictericia neonatal es un problema que afecta a muchos niños al nacer. Esta enfermedad es producida porque el hígado del recién nacido no puede eliminar el pigmento bilirrubina, que es producto de la degradación de la hemoglobina. La ictericia neonatal es por lo general un trastorno leve y auto limitante. Dentro de los tratamientos que se aplican para la curación de las enfermedades de la piel toman mucha importancia los equipos que se utilizan para dichos tratamientos. Los equipos electrónicos llegan a ser una buena alternativa para la curación de estas enfermedades además de representar muchas veces un método no invasivo para la curación. Es por ello que la fototerapia es una buena alternativa y esta se puede potenciar al aplicar en ella la electrónica. La presente investigación tiene por objetivo implementar el diseño de un módulo de fototerapia para la curación de la Ictericia neonatal, como una alternativa a los módulos rudimentarios con que cuentan en los hospitales de la Región Puno y que presentan muchas deficiencias en los tratamientos de este mal, pudiendo brindar así una mejor atención a los pacientes. Los resultados y conclusiones se realizaron de acuerdo a las pruebas ante instrumentos de medición a las que se expuso el módulo de fototerapia y a los análisis a los que llevaron en el departamento de Neonatología del hospital Carlos Monje Medrano de la ciudad de Juliaca.
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SUMMARY
Skin diseases have a high incidence in our country, according to the amount of patients that goes to Health Centers. According to statistical data presented by Health Department, they are in tenth place. One of the most common diseases on the Dermatology Department is the newborn jaundice. Newborn jaundice is a problem that affects many children when they born. This disease occurs when liver cannot eliminate bilirubin pigment; this pigment is a product of degraded hemoglobin. Newborn jaundice generally is a self-limiting and low disorder. The equipment used to heal skin diseases is very important. Electronic equipment is a good option to cure these illnesses. Many times this equipment is non-invasive and it is the reason why is a good option between another treatments. Phototherapy is a good alternative and could be enhanced applying Electronics on it. The purpose of this investigation is to implement the design of a phototherapy module to heal newborn jaundice, as an alternative to the rudimentary modules implemented at the hospitals in our region, Puno. These rudimentary modules present many deficiencies in the treatment of this disease and the modern module could bring a better attention to the patients. The results and conclusions are according to the tests to the phototherapy module with measuring instruments and analysis taken in the Neonatology department at Carlos Monge Medrano Hospital in the city of Juliaca.
KEY WORDS: Phototherapy, jaundice, neonatology, LED module.
INTRODUCCIÓN
En nuestro país las enfermedades de la piel afectan un gran número de individuos y es por ello que se encuentran en el décimo lugar en morbilidad por consulta externa de acuerdo a los datos presentados por el Ministerio de Salud (MINSA) el año 2005 (Gutiérrez et al., 2009).
La ictericia, una afección frecuente en los recién nacidos, se refiere al color amarillento de la piel y del blanco de los ojos (o esclerótica) que ocurre cuando hay un exceso de bilirrubina en la sangre (Gupta, 2015). La bilirrubina es una sustancia química color amarillo que contiene la hemoglobina, sustancia que transporta el oxígeno en los glóbulos rojos. A medida que los glóbulos rojos se degradan, el cuerpo desarrolla nuevas células para sustituirlos (MedLine Plus, 2018).
Aproximadamente el 60% de los neonatos normales presentan ictericia clínica en algún momento durante la primera semana de vida. La hiperbilirrubinemia no conjugada (indirecta) ocurre como resultado de la formación excesiva de bilirrubina y se debe a que el hígado del neonato no puede eliminar la bilirrubina de la sangre con la velocidad suficiente (Jeffrey y McDonagh, 2008).
182 Existen diferentes tipos de radiación terapéutica. En el Hospital del Mar disponemos de la radiación UVA y UVB de banda estrecha. El UVA es una radiación que llega más profundamente pero de una forma menos potente, razón por la cual necesita de un medicamento fotosensibilizante (es decir, que potencie el efecto de la radiación UVA): el psoraleno (Psoraleno+UVA=PUVA). En el caso de enfermedades de piel extensas, el psoraleno se administra en pastillas (según el peso), 2 horas antes de hacer la sesión, mientras que en erupciones localizadas (manso y pies) se administra en crema (o baño), unos 15 minutos antes ( Servicio de Dermatología del Hospital del Mar, 2018).
Es de gran importancia el diseño de un equipo biomédico para los tratamientos de fototerapia, ya que facilitan la evolución de los pacientes. Se debe considerar que los cuadros clínicos que presentan los pacientes no son iguales y la evolución en los tratamientos tampoco lo es debido a las diferentes respuestas que puede brindar el organismo.
El objetivo de la elaboración de este proyecto de investigación fue diseñar e implementar un módulo programable de fototerapia para curación de ictericia neonatal por medio de fototerapia utilizando tecnología LED.
MATERIAL Y MÉTODOS
La investigación fue de tipo aplicativo, de diseño no experimental (Hernández, Fernández, Baptista, Méndez, y Mendoza, 2014); se desarrolló un prototipo de fototerapia, cuyo material utilizado fue un módulo de fototerapia y una incubadora para bebés; donde el sistema integral fue Implementar el sistema en forma integral conectando la interfaz de usuario con el microcontrolador, también se desarrolló la conexión del subsistema de actuación con los transistores y el CI 4017 y el subsistema de monitoreo de temperatura. Para el tratamiento de la fototerapia se capacitó al personal de medicina y enfermería en el uso y manejo del módulo de fototerapia diseñado previamente; donde se Instaló el módulo en el área de neonatología del Hospital Carlos Monge Medrano. Después se tomó una muestra de sangre del paciente para saber la concentración de bilirrubina con la que el paciente ingresa al tratamiento; posteriormente se expuso al paciente a los rayos de fototerapia durante un periodo de 24 horas y finalmente se tomó una nueva muestra de sangre para obtener la nueva concentración de bilirrubina luego al tratamiento.
RESULTADOS
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T
RMS V dt
T V
0 2 1
Como la señal de control esta modulada en amplitud con un ciclo de trabajo de 90% y una frecuencia de 1KHz, la señal presente en los diodos LED se ve afectada y presenta un periodo T de 1ms con un pulso en alto de 0.0009ms y un pulso bajo de 0,0001.
V V V V V V x x V x V t V x dt V x V RMS RMS RMS RMS 948 . 0 1 . 0 3 10 10 3 10 1 10 9 0 0009 . 0 10 1 1 10 1 1 10 1 1 3 4 2 3 4 2 3 0009 . 0 0 2 3 0009 . 0 0 2 3
De forma análoga podemos calcular la corriente efectiva que circula por los diodos LED. Resultando esta: I dt I T I T
RMS 0.948
1
0
2
De esta forma se dispuso a comparar los valores calculados de forma regular y los valores de corriente y voltaje reales que resultan de la modulación PWM que se efectúa en la lámpara.
Tabla 1
Cálculos de corriente, voltaje y potencia sin modulación PWM.
LED Azul LED Verde
Corriente efectiva. (IRMS) 20mA 20mA
Voltaje efectivo. (VRMS) 3V 2V
Potencia. 60mW 40Mw
Valores de potencia, voltaje y corriente efectiva utilizando una modulación PWM con frecuencia de 1KHz y ciclo de trabajo de 75% y 95%.
Como la lámpara se compone de 27 diodos LED de color azul y 10 diodos LED de color verde, se calculó la potencia total emitida por el módulo de fototerapia (figura 1).
Tabla 2
Cálculos de corriente, voltaje y potencia con modulación PWM.
LED Azul LED Verde
75% 95% 75% 95%
Corriente efectiva. (IRMS) 15,8mA 19,48mA 15,8mA 19,8Ma
Voltaje efectivo. (VRMS) 2,37V 2,92V 1,58V 1,94V
184 Como la lámpara se compone de 27 diodos LED de color azul y 10 diodos LED de color verde, se calculó la potencia total emitida por el módulo de fototerapia.
Tabla 3
Potencia total irradiada en ciclos de trabajo de 75% y 95%.
1 LED al 75%
1 LED al 95%
# Total Potencia x
color 75%
Potencia x color 95%
Azul 37,45mW 56,88mW 27 1,011W 1,536W
Verde 24,96mW 37,79mW 10 0,250W 0,378W
Potencia Total 1,261W 1,914W
También es necesario calcular el área de irradiación de nuestro módulo. Para ello se tomó en cuenta los valores proporcionados por la compañía NTE que fabrica diodos LED de alto brillo. De acuerdo a la hoja de datos de los componentes, el ángulo de irradiación de los diodos LED azules es de 12°, mientras que el de los verdes es de 15°.
Ángulo de irradiación de los LEDs azules y verdes. Calculamos el radio de irradiación de los LED azules.
cm Ksen cm K K cm o o 78 . 5 6 3 . 55 6 cos 55
Luego el área irradiada por un solo diodo LED azul.
2 2 95 . 104 cm A R A azul azul
Ahora calculamos el radio de irradiación de los diodos LED verdes.
cm Ksen cm K K cm o o 24 . 7 6 5 . 55 5 . 7 cos 55
Luego el área irradiada por un solo diodo LED verde.
2 2 67 . 164 cm A R A verde verde
Ahora ya podemos calcular la potencia irradiada (µW) por nuestro módulo en un área determinada (cm2).
Potencia irradiada por los diodos LED azules entre unidad de área al 95%.
2 2 541.9 /
95 . 104 56880 cm W cm W
Nazul
185 2
2 229.5 /
67 . 164
37790
cm W cm
W
Nverde
Pruebas del Sistema Integral
Los pulsadores y la pantalla de LCD funcionan correctamente y cumplen con la función que se les fue programada. El módulo cumple con la configuración de los 2 niveles de intensidad. El primer nivel es la irradiación a 75% de la potencia total posible y el nivel 2 es a 95% de la potencia total posible. La elección del nivel de intensidad está a cargo del personal del hospital. La señal del sensor de temperatura se ha adaptado mediante un amplificador operacional LM345 para que la lectura del microcontrolador se dé en grados centígrados. El número de LEDs con que cuenta esta lámpara de fototerapia es suficiente para cubrir el área de irradiación necesaria para el tamaño de un paciente recién nacido o con pocos días de nacido. La visualización de la pantalla LCD funciona correctamente en la etapa de encendido como en los parámetros de configuración. El equipo cuenta con un buen soporte físico que es resistente y mantiene los componentes del circuito en un buen estado.
Figura 1. Módulo diseñado de fototerapia para curación de ictericia.
Pruebas de Eficiencia del Tratamiento de Fototerapia
Para comprobar la eficiencia del módulo de fototerapia que se ha diseñado, se realizó el tratamiento de 2 pacientes en el hospital Carlos Monge Medrano de la ciudad de Juliaca. Para comprobar la eficiencia se tomaron muestras de sangre de los pacientes que presentaban niveles altos de concentración de bilirrubina en la sangre antes de realizar el tratamiento de fototerapia, las mismas pruebas que se llevaron a cabo luego de un periodo de tiempo de efectuado el tratamiento. De esta manera se pudo obtener los datos sobre eficiencia en la disminución de bilirrubina en mg/dl.
El tratamiento de fototerapia se llevó a cabo en 2 pacientes que luego de ser irradiados por el modulo se obtuvieron los siguientes resultados:
186 Tabla 4
Concentración de bilirrubina en la sangre del paciente #1.
Concentración Antes Después (luego de 24h)
Bilirrubina indirecta 17,0mg/dl 12,.6mg/dl Bilirrubina directa 0,8mg/dl 3,0mg/dl
Total 17,8mg/dl 15,6mg/dl
DISCUSIÓN
En la actualidad existen numerosos equipos que cumplen con esta función, cada uno con sus beneficios y limitaciones. Entre ellos podemos citar las lámparas halógenas con tubos fluorescentes, además de las lámparas de fibra óptica y las que se introduce la tecnología LED, nuestra lámpara es una de ellas. La tecnología LED es una tecnología limpia, ya que tienen un consumo reducido de corriente (25mA aprox.) y poseen una larga duración con una vida útil de 3000 horas( Álvarez, 2010). Otra característica importante es que los LEDs tienen un espectro reducido, no emitiendo así una significativa cantidad de luz infrarroja ni ultravioleta; protegiendo al paciente de una innecesaria carga de energía. Los LEDs emiten luz en el rango de 400 a 500nm, que es el rango donde logra una alta eficiencia para la desintoxicación de bilirrubina. Es específicamente alrededor de los 450nm de longitud de onda que se logra una absorción máxima de bilirrubina ( Pardell, 2013).
El hecho de reducir la luz ultravioleta reduce el stress en el paciente en el momento de la radiación. El panel de radiación está totalmente protegido con un panel de acrílico para evitar que posibles daños al equipo afecten al paciente.
Si nosotros comparamos los diferentes tipos de tecnología usados para el tratamiento de fototerapia, nos daremos cuenta que la tecnología LED es más eficiente que las lámparas de fibra óptica, fluorescentes y la luz natural (Control), al paso de 4 horas.
187 Una gran desventaja es que los diodos LED poseen una baja potencia, por lo que un solo LED no puede aliviar un mal (Rodríguez, s.f).
CONCLUSIONES
El objetivo principal de este trabajo de tesis es el diseño e implementación de un módulo programable de fototerapia para la curación de ictericia neonatal en la región Puno a base de LEDs en los que se pueda modificar los parámetros como el tiempo de irradiación y la potencia de irradiación, regulada mediante modulación PWM. Así este equipo cumple en su totalidad con lo planeado anteriormente descrito. De acuerdo a los datos descritos en la sección de antecedentes y los obtenidos por medio de la investigación con referencia a la curación de ictericia neonatal podemos concluir que la tecnología LED es más eficiente que la clásica a base de fluorescentes y esto se puede comprobar por los resultados que demuestran que las lámparas anti bilirrubina en base a LEDs azules reducen la concentración de esta más rápidamente. Mejorar las prestaciones de los módulos médicos permite brindar un mejor servicio a los pacientes, es por ello que al acondicionar un monitoreo de temperatura al módulo permite ubicarlo en un ambiente que cuente con las mediadas más óptimas para llevar a cabo un tratamiento de calidad a los pacientes. El módulo diseñado brinda un tratamiento más seguro, al sólo irradiar al bebé con energía luminosa y no con energía calorífica como otros métodos usados que pueden ocasionar quemaduras en la piel de los pacientes o daños en la retina, así la energía proporcionada al módulo se disipará en su mayoría en forma de irradiación luminosa y no tendrá pérdidas de energía en forma de calor.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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electrónica. Recuperado de:
http://www.learningaboutelectronics.com/Articulos/Calculadora-de-voltaje-RMS.php
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7. Hernández, R., Fernández, C., Baptista, P., Méndez, S., & Mendoza, C. P. (2014).
Metodología de la investigación. Ciudad de Mexico: McGrawHill
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10. Pardell, X. (2013). Fototerapia. Apuntes de Electromedicina. Recuperado de: http://www.pardell.es/fototerapia.html
11. Rodríguez, J.C. (s.f). Los Diodos Led. Granada: Universidad de Granada. Recuperado de: https://www.ugr.es/~juanki/LED.htm
12. Servicio de Dermatología del Hospital del Mar. (2018). Fototerapia. Barcelona: Servicio de Dermatología del Hospital del Mar. Recuperado de:
http://dermatologia.cat/es/informacion-para-pacientes/curas-y-tratamientos-dermatologicos/fototerapia/
13. Wikipedia. (2018). Led. Wikipedia, la enciclopedia libre. Recuperado de https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Led&oldid=112003523
