Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento

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(1)N° tesis:. PROYECTO FIN DE CARRERA Presentado a. LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Para obtener el título de. INGENIERO ELECTRÓNICO por. Santiago Vargas Quiroz. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN DISPOSITIVO INALÁMBRICO PARA EL SUMINISTRO DE MEDICAMENTO. Sustentado el 9 de Diciembre de 2011 frente al jurado:. Composición del jurado -. Asesor:. Lina María Peñuela,Instructor, Universidad de Los Andes. -. Jurados :. Antonio García Rozo, ProfesorTitular,Universidad de Los Andes. -. Invitados:.

(2) 2. Resumen Ejecutivo Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento Estudiante: Santiago Vargas Quiroz Asesor: Lina María Peñuela, Instructor, Universidad de Los Andes Objetivo general: Implementar un prototipo para el suministro de medicamento capaz de aplicar un tratamiento de forma localizada, segura y controlada. Objetivos específicos: Revisar el estado del arte de los dispositivos electrónicos de suministro de medicamentos localizados. Definir restricciones y requerimientos del sistema. Diseñar e implementar un prototipo que se compone de un nodo central y nodos de aplicación de medicamento con comunicación inalámbrica. Implementar un sistema electrónico capaz de inyectar medicamento de forma confiable, controlada e inalámbrica. Elaborar un prototipo electrónico de bajo consumo de potencia y pequeñas dimensiones. Verificar y validar el sistema implementado a través de un protocolo de pruebas. Desarrollo: Proceso: Para desarrollar el proyecto de grado, el primer paso fue realizar una revisión del estado del arte de los diferentes bloques funcionales necesarios para elaborar un prototipo de sistema de suministro de medicamento inalámbrico. Luego a partir de dicha revisión del estado del arte se elabora el marco teórico, histórico y conceptual que sirven de base para realizar el diseño propuesto en este trabajo. Posterior a esto se identifican las restricciones y especificaciones del prototipo a diseñar e implementar. Una vez se ha elaborado el marco teórico y se han presentado las especificaciones del proyecto, se realiza el diseño del dispositivo presentando los diagramas de bloques del diseño y las elecciones tecnológicas hechas para implementar cada uno de los bloques funcionales. Luego de realizar el diseño,se implementan y prueban por separado cada uno de los bloques diseñados. Una vez se verifica la correcta operación de cada bloque funcional se diseña el PCB del prototipo final y se implementa el prototipo final al cual se le realizan pruebas siguiendo protocolos de pruebas y de esta manera se verifica el correcto funcionamiento del prototipo diseñado. Para finalizar se presenta la discusión de los resultados obtenidos y se plantean las conclusiones del trabajo..

(3) 3 Recursos: Para la elaboración de este trabajo se usaron las bases de datos de la universidad como fuente principal de investigación para el desarrollo del marco teórico del proyecto.Para la implementación del prototipo se usaron 3 módulos Xbee y un módulo programador entregados en préstamo por el laboratorio. Además se usó el software Labview para diseñar la interfaz gráfica y la selección del nodo de envío, así como el software Eagle para elaborar los PCBs del proyecto. A nivel de circuitos integrados se hizo uso del microcontrolador DSPIC30f4011 y de la etapa de potencia ULN2803. Se usan como actuadores finales tres solenoides lineales por nodo y un tubo de látex que contiene el medicamento. Finalmente se debe destacar que el laboratorio colaboró en el proyecto al realizar los PCBs usados y además al entregar en préstamo un cubículo para el desarrollo del trabajo. Decisiones: En este trabajo se escogió el software Labview para realizar la interfaz gráfica y la selección del nodo de suministro. Se usa la tecnología Zigbee para enviar la información de forma inalámbrica y además para generar la red de nodos de suministro. También se usa un microcontrolador para controlar los actuadores y actualizar las cantidades restantes de tratamiento y se usan solenoides lineales como mecanismo de suministro de medicamento. El prototipo cuenta con dos nodos de suministro y un nodo central que controla las dosis. Así mismo se ofrecen dos tipos de dosis: 0.25ml o 0.36ml. Resultados: El proyecto de grado elaborado permitió diseñar e implementar un prototipo de sistema de suministro de medicamento inalámbrico. Dicho prototipo opera usando la tecnología Zigbee como esquema de comunicación inalámbrica, en donde la frecuencia de operación de las comunicaciones ésta en los 2.45GHz la cual es una frecuencia aceptada para aplicaciones médicas. La red creada además posee un nodo central y dos nodos de suministro. Las pruebas realizadas muestran que la red es capaz de identificar un acceso erróneo de información al sistema y además puede operar a una distancia máxima de 5 metros en un espacio cerrado sin que haya errores de envío o pérdida de la información. Respecto al sistema de suministro el proyecto usó una bomba peristáltica lineal a base de solenoides lineales. Éste sistema permitió obtener dos dosis específicas, 0.25ml y 0.36 ml con un error máximo del 12%. La bomba peristáltica posee un consumo mínimo de 280mA y máximo de 560mA por secuencia. Los actuadores usados en éste trabajo operan a un voltaje mínimo de 12V. El nodo central se elaboró usandoel software Labview para realizar la interfaz gráfica a través de la cual el usuario puede visualizar los niveles actuales de medicamento en los reservorios. Dicha interfaz permite también que el usuario pueda escoger el nodo de suministro a usar y la dosis a entregar, ya sea 0.25ml o 0.36ml.Éstasórdenes son enviadas a través del puerto USB hacia el módulo coordinador Zigbee y este envía la información de forma inalámbrica hasta el nodo de suministro correspondiente. El prototipo final elaborado cuenta con unas dimensiones de 10x10cm y 7 cm de alto en cada uno de los nodos de suministro y requiere de un computador para poder usar la interfaz gráfica del nodo central..

(4) 4 Se considera que el prototipo diseñado cumple con todos los objetivos planteados en el trabajo y si bien ésta sujeto a mejoras, el trabajo que aquí se presenta entrega resultados altamente satisfactorios..

(5) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 5. Contenido 1 2. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 6 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 7 2.1 Objetivo General ...................................................................................................... 7 2.2 Objetivos Específicos .............................................................................................. 7 2.3 Alcance .................................................................................................................... 7 3 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................ 7 4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO .............................................................. 8 4.1 Marco Teórico.......................................................................................................... 8 4.1.1 Tecnología Zigbee ............................................................................................ 8 4.1.2. Bomba peristáltica lineal ................................................................................ 11. 4.2 Marco Conceptual .................................................................................................. 12 4.3 Marco Histórico ..................................................................................................... 13 5 DESARROLLO DEL PROYECTO ....................................................................................... 16 5.1 Definición de las especificaciones, restricciones y diagrama de bloques del sistema .............................................................................................................................. 16 5.2 Diseño del Prototipo para suministro de medicamento portable ........................... 17 5.2.1 Sistema de Comunicaciones ........................................................................... 17. 6. 5.2.2. Nodo central ................................................................................................... 18. 5.2.3. Nodo de suministro......................................................................................... 22. PRUEBAS Y RESULTADOS .............................................................................................. 25 6.1 Pruebas iniciales..................................................................................................... 25 6.1.1 Pruebas y configuración sistema de comunicaciones ..................................... 25 6.1.2. Pruebas interfaz gráfica y sistema de control ................................................. 27. 6.1.3. Pruebas bomba peristáltica ............................................................................. 29. 6.2 Pruebas finales ....................................................................................................... 34 6.2.1 Protocolo de pruebas ...................................................................................... 35 6.2.2. Validación de resultados................................................................................. 37. 7 DISCUSIÓN .................................................................................................................... 42 8 CONCLUSIONES............................................................................................................. 45 9 AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................... 46 10 REFERENCIAS ................................................................................................................ 46 11 ANEXOS ......................................................................................................................... 49 11.1 Tablas comparativas entre tecnologías............................................................... 49 11.2 Programa elaborado en Labview ........................................................................ 51 11.3 Esquemático para pruebas de fuerza de la señal ................................................ 53 11.4 Código programación microcontrolador ............................................................ 53 11.5 Esquemático y board del PCB............................................................................ 58 11.6 Requerimientos de dispositivos para la distribución de medicamento ............ 59.

(6) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 1. 6. INTRODUCCIÓN. El tratamiento de algunas enfermedades, como es el caso del cáncer o la diabetes, se realiza generalmente inyectando el medicamento al paciente por la vía intravenosa para que éste cumpla un objetivo específico, en el caso del cáncer, llegar a las células cancerígenas y eliminarlas o retrasar su tasa de crecimiento.Este método de aplicación implica en muchos casos la pérdida de efectividad del tratamiento por su tiempo medio de vida yel metabolismo de las células que disminuye la cantidad efectiva de medicamento que llega al objetivo.Adicionalmente, genera toxicidad sobre células sanas, dependiendo de la enfermedad tratada y el medicamento utilizado. De esta forma, se puede pensar que la aplicación de medicamento de forma local puede mejorar la efectividad del mismo, reducir efectos tóxicos y reducir costos de tratamiento [1], [2]. Este trabajo se basa en diferentes proyectos realizados anteriormente. La inspiración del proyecto nace a partir del trabajo de tesis de maestría de Lina Peñuela [3] en el cual se propone un mecanismo de control para determinar la dosis total y el porcentaje de dicha dosis a aplicar, cuando se realiza un tratamiento de quimioterapia en cuatro puntos del órgano afectado por el tumor de forma local, considerando las dinámicas poblacionales del tumor. De esta manera surge la idea de diseñar el dispositivo encargado de suministrar quimioterapia de forma localizada. Para lograr esto se hace una revisión de diferentes mecanismos de suministro de medicamento, siendo los trabajos más importantes los presentados en [4], [5], [6], [7] y [8]. En este proyecto se presenta un prototipo para el suministro de medicamento de forma localizada como un avance previo a dispositivos implantables de suministro. Dicho prototipo, si bien sigue algunas de las ideas trabajadas en artículos previos, es un diseño nuevo y que busca presentar una alternativa a los esquemas ya existentes. Por ejemplo, en comparación a otros sistemas, en este trabajo se propone un dispositivo que aprovecha las ventajas de la tecnología Zigbee para presentar un prototipo con más de un solo nodo de aplicación, que dependiendo de la enfermedad a tratar optimiza el tratamiento. Adicionalmente, se presenta un prototipo con una interfaz gráfica agradable al personal médico, que permite realizar un control sencillo de las dosis que se deben liberar en cada aplicación. Además, permite detectar los niveles disponibles de medicamento para liberar por cada nodo. Este trabajo se organiza de la siguiente manera: En la sección 2 se listan los objetivos del trabajo, así como el alcance del mismo. La sección 3 presenta la justificación del trabajo y en la sección 4 se encuentran los marcos teórico, conceptual e histórico del proyecto. En la sección 5 se explica el desarrollo del prototipo donde se listan las restricciones y especificaciones para el proceso de diseño. En la sección 6 se desarrolla un protocolo de pruebas para verificar el funcionamiento del prototipo. En la sección 7 se realiza una discusión de los resultados y en la sección 8 se presentan las conclusiones..

(7) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 2. 7. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General. Implementar un prototipo para el suministro de medicamento capaz de aplicar un tratamiento de forma localizada, segura y controlada.. 2.2 Objetivos Específicos Revisarel estado del arte de los dispositivos electrónicos de suministro de medicamentos localizados. Definir restricciones y requerimientos del sistema. Diseñar e implementar un prototipo que se compone de un nodo central y nodos de aplicación de medicamento con comunicación inalámbrica. Implementar un sistema electrónico capaz de inyectar medicamento de forma confiable, controlada e inalámbrica. Elaborar un prototipo electrónico de bajo consumo de potencia y pequeñas dimensiones. Verificar y validar el sistema implementado a través de un protocolo de pruebas.. 2.3 Alcance Se entrega un prototipo para el suministro de medicamento localizado, con un nodo central y dos nodos de suministrode medicamento.Los nodos se comunican de forma inalámbrica cumpliendo con las restricciones y especificaciones de este tipo de sistemas. Cada nodo cuenta con un sistema de suministro de medicamento el cual es controlado desde el nodo central (nodo coordinador). El nodo coordinador posee una interfaz gráfica con el usuario para que desde allí el usuario seleccione la cantidad de medicamento a liberar por nodo y conozca la cantidad de medicamento disponible en cada nodo.. 3. JUSTIFICACIÓN. El suministro de medicamentos a pacientes es un tema fundamental en el tratamiento de diferentes enfermedades comola diabetes y el cáncer [9]. La importancia de implementar un sistema electrónico controlado para el suministro de medicamento radica en que se pueden diseñar dispositivos capaces de realizar tratamientos mucho más localizados (por ende menos invasivos) y mucho más eficientes [1], [2].Por ejemplo, el tratamiento para el cáncer, ya sea por radioterapia o por quimioterapia, suele ser adverso a las condiciones normales de un paciente. En el caso de la quimioterapia se hace referencia al uso de drogas citotóxicas,éstas usan componentes cuyo objetivo es impedir la división celular con el fin de que las células cancerígenas sean destruidas al reducir o impedir de forma drástica su tasa anormal de división celular. El problema que existe con los tratamientos que usan elementos citotóxicos es que no pueden distinguir entre células cancerígenas y células benignas, lo cual genera numerosos efectos secundarios (como la supresión de la médula ósea, loque puede dejar expuesto al organismo ante posibles infecciones). Adicionalmente, el tratamiento puede generar otros efectos secundarios como náuseas y.

(8) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 8. vomitoque no parecen ser efectos muy graves pero claramente afectan la comodidad del paciente y si son muy frecuentes pueden causar daños en el organismo [10]. Otro efecto común es la fatiga que puede perjudicar la actividad física y generar cansancio mental.Los tratamientos en la actualidad son suministrados de tres maneras: i) usando un mecanismo intravenoso, donde se coloca un catéter en la vena y se coloca una sonda bajo la piel y a través de las sondas ubicadas en diferentes venas se aplica la quimioterapia;ii) usando puertos implantables que poseen la misma estructura que el intravenoso, la diferencia es que el puerto con el tratamiento esta debajo de la piel, es decir, no se necesita tener una conexión exterior para inyectar el tratamiento; iii) se pueden usar bombas de infusión que permiten suministrar la quimioterapia de forma continua por horas, incluso semanas [10]. El problema de todos estos esquemas es que su aplicación es general (viajan por el torrente sanguíneo hasta llegar al objetivo que puede quedar “retirado” del punto de aplicación) lo cual hace que el tratamiento no solo sea llevado al área a tratar sino a muchas otras partes del cuerpo, ocasionando los efectos ya mencionados. Debido a esto se busca usar dispositivos que puedan aplicar de forma mucho más local el tratamiento reduciendo los niveles de la dosis y la probabilidad de efectos secundarios [11]. El desarrollo de esta clase de dispositivos puede ayudar a mejorar el nivel de efectividad del tratamiento ya que la mayoría de medicamentos tienen un rango óptimo de trabajo que puede ser controlado de forma más precisa ayudando a regular mejor la dosisaplicada [4]. Otra ventaja de implementar un sistema de suministro de medicamentos localizado, es que se puede reducir la incomodidad para los pacientes y reducción de posibles infecciones relacionadas con cables y electrodos externos [12]. También hay reducción en los costos asociados al tratamiento y a la necesidad de visitar constantemente los centros médicos, permitiendo adicionalmente realizar el monitoreo del paciente de forma inalámbrica [13].. 4. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 4.1 Marco Teórico. El sistema diseñado se basa en el uso de dos bloques fundamentales, la tecnología Zigbee para realizar las comunicaciones y una bomba peristáltica para realizar el suministro del medicamento. A continuación se describe el funcionamiento y las características principales de ambos bloques.. 4.1.1 Tecnología Zigbee Para el desarrollo del bloque de comunicación del prototipose emplea la tecnología Zigbee la cual ha comenzado a ser usada como uno de los esquemas más comunes para realizar las comunicaciones en dispositivos portables o implantables como se observa en [12], [13], [14] y [15] en donde se presentan dispositivos médicos que realizan diferentes tareas y los cuales usan en todos los casos tecnología Zigbee..

(9) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 9. 4.1.1.1 Consumo de potencia de la tecnología Zigbee La primera ventaja de la tecnología Zigbee es su bajo consumo de potencia. Esto se debe sobre todoa su modo de “dormir” *12]. Este modo de operación permite que el nivel de consumo sea casi nulo durante los momentos en que no se transmite o recibe datos. Por ejemplo, en [12] se demuestra que se pueden lograr transmisiones correctas de datos con un consumo de potencia tan bajocomo de 13.33uW. Esto es fundamental ya que cuando un dispositivo es portable o implantable, éste no debe consumir mucha potencia para que así la vida útil de sus baterías aumente y no se deban hacer reemplazos con mucha frecuencia.Adicionalmente, la potencia no puede ser alta para reducir la posibilidad de que la disipación térmica pueda dañar células sanas. De forma similar en [15] se demuestra que se pueden lograr transmisiones correctas con consumos de potencia del orden de µW. Estos niveles de consumo de potencia tan bajos muestran que es posible generar aplicaciones que se alimentan con baterías AA por años [16]. Esto es posible no solo por su modo de “dormir”sino también por su bajo “duty-cycle”, es decir, para los módulos Zigbee no es necesario estar en contacto entre sí con tanta frecuencia, lo cual reduce los tiempos de transmisión y por ende el consumo de potencia.. 4.1.1.2 Generación de redes de dispositivos con la tecnología La tecnología Zigbee permite generar redes de dispositivos con relativa facilidad [13] debido a que Zigbee fue pensada por varias empresas como un esquema para desarrollar y promocionar el estándar IEEE 802.15.4, el cual es un estándar de comunicaciones de ultra bajo costo, consumo de potencia y complejidad para dispositivos que operen en redes inalámbricas de área personal [12]. En [13] se usa dicha tecnología para generar una red de diferentes sensores, con el fin de monitorear diversos parámetros fisiológicos como ritmo cardiaco y temperatura corporal. En [14] se usa de forma similar, pero en esta ocasión la red se hace para integrar varios dispositivos como ventiladores, bombas de infusión, etc., lo que evidencia la gran versatilidad de la tecnología Zigbee para generar redes.. 4.1.1.3 Distancia de transmisión Si bien existen tecnologías que pueden alcanzar distancias de transmisión mayores (por ejemplo RFID), el alcance de la tecnología Zigbee es lo suficientemente bueno como para ser usado en aplicaciones implantables. Por ejemplo, en [15] se muestra como Zigbee puede operar en un sistema implantable, específicamente en implantes en el tracto gastrointestinal, en donde se alcanzaron distancias de transmisión de hasta dos metros.. 4.1.1.4 Frecuencia de operación y tasa de transmisión La tecnología Zigbee pertenece al estándar IEEE 802.15.4 que opera a una frecuencia de 2.4GHz, la cual está dentro de la banda ISM1 [12], que es una de las bandas de frecuencias permitidas para aplicaciones médicas.Pertenecer a dicho estándar también establece ciertas restricciones, una de las más importantes es la tasa de transmisión. Zigbee posee 1. La definición de la banda ISM se encuentra en la sección 4.2.

(10) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 10. una tasa de transmisión de 250kbps. Sin embargo, si se tiene en cuenta la modulación usada, la encriptación y desencriptación y la capacidad de operar en topología de malla, la tasa de transmisión se reduce realmente a casi 25kbps [16]. Además Zigbee usa transceptores que solo pueden enviar o transmitir, no las dos al tiempo, lo cual reduce también la tasa de envío. Del mismo modo si bien Zigbee usa 16 canales separados de 5MHz cada uno, es común encontrar redes muy densas lo cual limita la transmisión de datos [16]. De esta manera se encuentra que la desventaja de Zigbee es que si bien opera con un bajo consumo de potencia y en una frecuencia permitida para aplicaciones médicas, su tasa de transmisión es baja en comparación a otras tecnologías (Bluetooth, RFID, etc). Relativo a la frecuencia de operación es importante señalar que se debe verificar que ésta no debe afectar el cuerpo del paciente. En [15] seindica que la ICNIRP (International Commissionon Non-IonizingRadiationProtection) impone un límite máximo a la exposición frente a campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo a una frecuencia de 2.4GHz. Este límite es de . En [15] se muestra que al usar tecnología Zigbee el mayor valor encontrado fue de , el cual es mucho menor al máximo permitido.De esta manera se puede afirmar que a la frecuencia de operación de Zigbee no existen peligros reales de un posible daño a la salud del paciente.. 4.1.1.5 Seguridad en la transmisión La confiabilidad de las comunicaciones es otro aspecto central de la tecnología Zigbee[16]. Para lograr esto el primer paso consiste en usar dos modulaciones diferentes: la O-QPSK (Offset-QuadraturePhase-ShiftKeying) y la DSSS (DirectSequence Spread Spectrum). Estas se usan para mejorar las comunicaciones en ambientes bastante ruidosos [16],la definición de ambas modulaciones se hace en la sección 4.2. Otra característica de Zigbee que mejora la confiabilidad es que usa un esquema CSMA-CA (CarrierSenseMultiple Access CollisionAvoidance) que se basa en“escuchar” primero el canal antes de enviar la información, es decir, revisar que tan limpio se encuentra el canal y a partir de esto decidir si es apto para realizar la transmisión. Zigbee además establece dentro de sus protocolos que un paquete de datos puede ser reenviado hasta tres veces y que en caso de no poderse hacer el envío se informa al nodo de origen de la información que existe algún tipo de impedimento para realizar una conexión correcta [16].El ultimo mecanismo usado por Zigbee para mejorar la confiabilidad es el uso de redes tipo malla. Usar redes de este tipo permite extender el rango de la comunicación, al permitir que en caso de que dos nodos estén muy lejanos, los nodos intermedios pueden a ayudar a trasmitir la información para que esta llegue a destino. También, esta topología ayuda a descubrir de forma automática rutas para enviar información y en caso de daño en una ruta, el sistema puede encontrar un nuevo camino de forma automática [16].Respecto a la seguridad es importante destacar como esta tecnología es bastante segura [16]. Zigbee sigue el estándar AES-1282, el cual establece mecanismos para encriptar y desencriptar los datos de tal manera que no puedan ser leídos por agentes indeseados. Zigbee establece una 2. Su definición se realiza en la sección 4.3..

(11) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 11. especial atención a la autentificación de los nodos autorizados y se encarga de desechar paquetes enviados por nodos desconocidos.De esta manera se presenta de forma general las características más relevantes de Zigbee.. 4.1.2 Bomba peristáltica lineal Para la liberar el medicamento se decide usar una bomba peristáltica. Dos ejemplos de estossistemas aplicados a esquemas de suministro de algún tipo de fluido se encuentran en [7] y [8]. El primer esquema es una bomba lineal,dicho esquema, se basa en el uso de diferentes actuadores que se ubican alrededor del tubo por el cual se libera el fluido y a través de una secuencia específica de acción se hace fluir el líquido. Como actuadores es posible usar solenoides que al ser activados presionan el tubo [7]. De esta manera, el estado inicial implica que al menos un actuador este activado para evitar que el líquido salga de forma natural, luego a través de una serie lógica se activan diferentes solenoides para que así se genere una “ola” en el sentido deseado y así el fluido salga con el caudal deseado, el cual se controla con la frecuencia a la que se genere la secuencia.. Figura 1. Secuencia de operación de una bomba peristáltica lineal, [7].. En la figura 1 se ilustra la operación descrita anteriormente. En este caso se usan tres actuadores, en donde, en el estado inicial se activan los actuadores de los extremos para que así no se libere el medicamento. Luego se inicia una secuencia especifica de activación de los actuadores la cual genera una “ola” que hace mover en una dirección el medicamento, en este caso de izquierda a derecha. Según dicho esquema a mayor frecuencia, mayor flujo habrá.Esquemas similares usan otros tipos de actuadores como elementos termo neumáticos [17] o elementos piezoeléctricos [18] pero el principio es el mismo. Se pueden lograr con este tipo de esquemas hasta caudales del orden de los 700uL/min. Otro esquema se presenta en [8], donde se muestra una bomba peristáltica basada en la rotación de una serie de esferas atraídas por un electroimán, esta atracción hace que los microcanales donde está el líquido sean presionados y así se genere un flujo del mismo. La idea es usar un motor DC sobre el cual se ubican algunos electroimanes que van rotando debajo de los microcanales. Encima de los microcanales se ubican esferas que son atraídas por los imanes, estas esferas se mueven perfectamente sobre los canales debido a la.

(12) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 12. acción de los imanes y de esta manera generan una presión que hace que el líquido se mueva en la dirección de la rotación del motor. El caudal se controla con la velocidad del motor. En este esquema se logran caudales de hasta 490uL/min y un consumo de potencia de hasta 180mW. Lo cual es un consumo bajo tal como lo requiere el prototipo. Cabe señalar que las mayores restricciones para este sistema de suministro están relacionadas con el consumo de potencia y el tamaño. Ambos esquemas no presentan un mayor consumo de potencia ya que en general el consumo está relacionado con la activación momentánea de los actuadores según una secuencia o dependen del consumo del motor DC.Debido a que el prototipo se espera que sea portable, el tamaño se debe tratar de minimizar.Dado que una bomba peristáltica lineal requiere solamente de un tubo y de los actuadores, se puede reducir considerablemente el tamaño del dispositivo. Por ejemplo con esquemas integrados se pueden usar actuadores piezoeléctricos, los cuales se pueden diseñar on-chip y reducir el tamaño de la bomba inclusive a tamaños del orden de mm. Para este prototipo se decide usar el esquema de bomba peristáltica lineal usando como actuadores electroimanes que se encargan de hacer la presión sobre el tubo.. 4.2 Marco Conceptual En esta sección se presentarán algunos conceptos fundamentales para el desarrollo de este trabajo: Zigbee:Es un esquema de comunicaciones inalámbricas basado en el estándar IEEE 802.15.4 [14], el cual se centra en las redes inalámbricas de área local (WPAN, por sus siglas en inglés) [14].Zigbee es el resultado de una alianza entre varias compañías (Phillips, Motorola, Atmel, Mitsubishi, entre otras) para promover el uso del estándar IEEE 802.15.4 [12]. El objetivo principal de este esquema de comunicaciones es proveer una operación de baja potencia, relativo bajo costo, además de su alta flexibilidad para generar redes.Cabe destacar que Zigbee fue diseñado para operar a los 2.4GHz y en general en la banda para usos industriales, científicos y médicos (ISM, por sus siglas en inglés) [16]. Para operar los módulos Zigbee se pueden usar dos modos de operación, el modo transparente o el modo API. O-QPSK (Offset-QuadraturePhase-ShiftKeying): El esquema de modulación O-QPSK es una variante de la modulación PSK en donde la idea es hacer variar la fase de la señal portadora entre un número de valores discretos. En este tipo de modulación la señal moduladora es una señal digital. La modulación QPSK se basa en usar cuatro fases, generalmente a ángulos de 45°, 135°, 225° y 315°. Cada uno de estos ángulos se representa por dos bits. En el caso de la modulación O-QPSK se mantiene el esquema de la modulación QPSK, pero en O-QPSK no se permiten cambios de fases mayores a los 90° por lo que hay menores cambios en la magnitud algo que se prefiere en la práctica ya que ayuda a reducir el consumo de potencia [19]. DSSS (DirectSequence Spread Spectrum): Es un esquema de modulaciónen donde la idea fundamental es agregar bits redundantes a la señal. Estos bits redundantes se agregan siguiendo algún patrón especialcon el objetivo de volver la señal más robusta ante.

(13) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 13. interferencias ya que si hay algún tipo de error en el mensaje será más fácil de descubrir dado que sin importar el mensaje siempre se debe seguir algún tipo de patrón especificoy si éste está dañado se puede identificar fácilmente una interferencia o al menos un daño en el paquete enviado [19]. AES: Es un estándar desarrollado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST por sus siglas en inglés). AES quiere decir Estándar de Encriptación Avanzada y es un esquema de encriptación por bloques para proteger señales de comunicaciones [16]. En Estados Unidos y muchos otros países es un esquema de encriptación avalado por el gobierno. Es también conocido como esquema Rijendael. En el caso de Zigbee se usa para encriptar y autentificar las comunicaciones. Zigbee usa el esquema AES-128, el cual se basa en usar bloques de 128 bits [16]. Modo de operación transparente:Es el modo de operación predeterminado de los módulos Zigbee [20]. Bajo este modo de operación el módulo actúa como una conexión serial inalámbrica, donde todo dato que es recibido se prepara para ser enviado de forma automática. Modo de operación API (ApplicationProgramming Interface):Bajo este modo de operación el usuario puede interactuar de forma más directa con las capacidades de red del módulo [20]. Por ejemplo, se puede transmitir datos a diferentes destinos sin entrar en el modo de comandos, ó configurar para recibir mensajes que indiquen si el paquete se envió correctamente o no, además de identificar la dirección de origen de cada dato recibido. Banda ISM:Son bandas de comunicaciones específicamente pensadas para ser usadas en aplicaciones científicas, industriales y médicas [21]. Están centradas alrededor de la frecuencia de 2.4GHZ, la cual es la frecuencia base para los sistemas de comunicaciones basados en el estándar IEEE 802.15.4 entre otros. Es una banda con un ancho de espectro de alrededor de 83 MHz. Debido a que en general es un ancho de banda abierto, se hace necesario en muchos casos usar esquemas de comunicaciones capaces de evitar interferencias y de tener cierta robustez frente a posibles errores. IEEE 802.15.4:Es un estándar que especifica la capa física y el control al acceso al medio para redes inalámbricas de áreas personales de baja tasa de datos [22]. Este estándar es la base sobre la cual se desarrolla Zigbee. De forma general se puede decir que el estándar entregalas capas básicas del sistema de comunicación, específicamente para redes inalámbricas de área local (WPAN por sus siglas en inglés). Se centra en esquemas de bajo costo, bajo consumo de potencia y baja velocidad. Sin embargo, su énfasis está en la comunicación entre dispositivos.Usualmente se diseña para distancias máximas de 10 metros y una tasa de transferencia de 250 kbps. Por último cabe destacar que la frecuencia de operación de este estándar esta alrededor de los 2.4 GHz.. 4.3 Marco Histórico Hoy en día se ha avanzado bastante en el desarrollo de sistemas implantables que ayudan a mejorar la salud y calidad de vida de los pacientes. Ejemplos claros de sistemas.

(14) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 14. implantables son los marcapasos, sistemas de suministro de medicamentos, aparatos cocleares, entre otros. Aquí se hará una muy breve descripción del desarrollo del marcapasos y de los sistemas de suministro de medicamentos. Se hace la descripción del marcapasos ya que se puede considerar como el primer dispositivo implantable y su desarrollo permitió grandes avances en esta área y permite establecer algunas de las especificaciones y restricciones del sistema a diseñar[9]. El marcapasos es un dispositivo que permite que el corazón realice su operación normal creando los pulsos necesarios para activar al nodo sinoauricular. Los primeros marcapasos usaban corrientes muy altas para realizar dicha activación muscular.Por esta razón, se hacía necesario conectar el marcapasosdirectamente a la red eléctrica [9]. Esto claramente no era deseado ya que limitaba la capacidad de movimiento del paciente y además el consumo de potencia era muy alto.A partir de la década delos 50, gracias a la invención del transistor, se empezaron a desarrollar dispositivos mucho más pequeños que consumían a la vez menos potencia. Esto ayudó a impulsar al desarrollo de baterías que permitieron mejorar la comodidad del pacientey por supuesto ayudaron a mejorar la vida útil del dispositivo [23]. Las primeras baterías fueron elaboradas con mercurio-zinc por su curva de descarga fácil de predecir pero luego de algunos problemas de fugas se empezaron a analizar diferentes opciones. Las baterías que terminarían dominando el mercado son las de litio por sus curvas de descarga fáciles de predecir, y además porque es fácil sellarlas haciendo que la cantidad de subproductos generados sea despreciable[23]. Durante el desarrollo de los primeros marcapasos también se hizo evidente la necesidad de desarrollar dispositivos que no afectaran la salud del paciente. En los primeros marcapasos, al usar corrientes tan altas se dañaba gravemente la piel [9]. Como ya se indicó, fue gracias a los transistores que se pudo reducir el tamaño del dispositivo y su consumo de potencia, disminuyendo la cantidad de corriente necesaria para estimular el musculo. Esta disminución de tamaño ayudó a desarrollar los primeros marcapasos con esquema de electrodos internos que se podían colocar a través de procedimientos relativamente sencillos y que precisamente por su capacidad de hacer la estimulación internareducía la cantidad de corriente necesaria para generar los impulsos [23] y por ende el daño en la piel fue prácticamente eliminado.Sin embargo, el hecho de empezar a usar dispositivos que se pudieran insertar en el cuerpo del paciente generó una necesidad adicional, la necesidad de usar elementos biocompatibles. Es decir, los dispositivos al ser insertados no deben generar rechazo por parte del cuerpo y no deben generar reacciones dañinas en el cuerpo. De esta manera desde hace varias décadas los marcapasos y todos sus electrodos son elaborados con elementos biocompatibles [9]. Si bien ya para la década de los ochenta los marcapasos funcionaban de manera correcta, entre la comunidad médica surgió el deseo de desarrollar marcapasos con mayores funcionalidades, como por ejemplo los marcapasos de ritmo adaptativo [23]. Dichos marcapasos buscan generar impulsos capaces de adaptar el ritmo cardiaco del paciente según la actividad física que se encuentren realizando, permitiéndole realizar mejor sus actividades diarias, como por ejemplo actividades físicas [23]. Para lograr esto se.

(15) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 15. decidióusar diferentes tipos de sensores y por ende era necesario aumentar la capacidad de procesamiento del dispositivo.Hoy en día estos dispositivos son capaces de procesar una gran cantidad de datos, enviarlos a través de grandes sistemas de comunicaciones y tomar decisiones a partir de los datos tomados. Esto es ideal para la salud del paciente pero compromete la vida útil de la batería, lo que ha generado un compromiso entre funcionalidad y consumo de potencia [24].Por otra parte,junto a la capacidad de procesamiento ha aumentado lacapacidad para guardar datos, obligando a que los sistemas sean mucho más robustos de lo que se requiere para cualquier otro sistema de procesamiento [24]. Esto se debe a que en este caso, si un dato es procesado o almacenado de forma errónea, el sistema podría decidir que el usuario se encuentra durmiendo y por ende bajar el ritmo cardiaco, aun cuando en la realidad este haciendo ejercicio ocasionándole bradicardia, la cual podría ser mortal [23]. Para evitar posibles errores adicionales en los datos, se presenta la necesidad de reducir potenciales interferencias externas (actividad eléctrica de nervios, músculos, etc.) que pueden dañar las mediciones y generar grandes errores. Para ello se requiere que el dispositivo este bien aislado [23].De esta manera hoy en día los marcapasos han alcanzado un nivel de madurez tecnológico bastante alto lo cual ha beneficiado a millones de pacientes alrededor del mundo [23]. Específicamente si se habla de dispositivos de suministro de medicamentos se puede decir que fue a partir de los años 70 y 80 que se empezó a impulsar el desarrollo de esquemas implantables para suministrar tratamiento. La idea es que para tratar ciertas enfermedades se pueden usar sistemas implantables que puedan aplicar el tratamiento en el lugar fisiológico óptimo. Esto se piensa con la idea de reducir los efectos colaterales de ciertos tratamientos como la quimioterapia o medir mejor ciertos niveles en la sangre, por ejemplo en el caso de la diabetes. La primera unidad de uso extensivo se observó al comienzo de la década del 70 y su diseño era sencillo, se usaba una bomba tipo fuelle activada por freón parcialmente liquidificado. Cada vez que se llenaba el dispositivo de forma intravenosa el freón se liquidificaba y había una administración constante. Este esquema era sencillo ya que no requería ningún elemento electrónico [9]. El problema es que el control de las dosis no era preciso[9]. También se presentaron esquemas en dondese encapsula el medicamento y se deja degradar la capsula para que de forma natural el medicamento se libere, el problema de este esquema es que es difícil de controlar la degradación [2]. A finales de los años 70 se empiezan a implementar dispositivos electrónicos más sofisticados que incluían reservorios, válvulas y bombas mecánicas y esquemas de control de dosis que inclusive se podían programar de forma telemétrica. Desde entonces se ha ido sofisticando el dispositivo. Usando baterías con mayor vida útil como las de litio. Usando bombas más complejas como las peristálticas o las de solenoide y por supuesto mejorando los esquemas de comunicación inalámbrica [9]..

(16) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 5. 16. DESARROLLO DEL PROYECTO 5.1 Definición de las especificaciones, restricciones y diagrama de bloques del sistema. Para el diseño delprototipo se propone el diagrama de bloques como se muestra en la figura 2. A continuación se listan las especificaciones y restricciones para el sistema general y posteriormente para cada bloque.. Cantidad de tratamiento a suministrar Computador (Interfaz gráfica, procesamiento de datos). Sistema de Comunicaciones (Tx, Rx). Sistema de Comunicaciones (Tx, Rx). Reservorios. Niveles restantes de tratamiento. Nodo central. Liberación del tratamiento. Nodo de suministro. Figura 2. Diagrama de caja negra proyecto.. Especificaciones: 1. Precisión del orden de ml en el suministro del medicamento con un error máximo del 12%. 2. Interfaz gráfica con el usuario para conocer la cantidad disponible de químico en los reservorios y ordenar una cantidad específica de aplicación por nodo.El sistema debe permitir seleccionar el nodo encargado de suministrar el medicamento y la cantidad a suministrar. 3. La comunicación entre el computador central y los nodos de suministro de medicamento se hace de forma inalámbrica. 4. La comunicación se realiza a una frecuencia de 2.4GHz, frecuencia perteneciente a la banda ISM. 5. El sistema posee un nodo central que corresponde al computador y además dos nodos externos que serán los encargados de suministrar el tratamiento. 6. Estable ante posibles cambios en las condiciones normales de operación. Restricciones: 1. El tamaño del prototipo debe ser lo suficientemente pequeñocomo para poder ser portable. 2. La alimentación de los nodos de suministro se debe realizar a través de un batería o mecanismo que permita la independencia de una conexión con la red eléctrica. 3. El consumo de potencia del sistema de suministro debe ser bajo debido a la imposibilidad de ser conectado a la red eléctrica y posibles daños en las células del paciente..

(17) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 17. 4. La frecuencia de operación del sistema de comunicaciones debe estar en el rango de frecuencias aceptado para aplicaciones médicas. 5. La frecuencia de operación del sistema de comunicaciones no debe afectar al paciente. 6. El costo de fabricación del prototipo debe ser inferior o al menos debe poseer el mismo costo que el tratamiento tradicional. 7. Debe poderse controlar la cantidad de tratamiento a liberar de forma precisa para evitar posibles fallas en la dosificación. 8. La red de nodos debe permitir identificar de forma independiente cada nodo de suministro. En Anexos 11.6 se presenta un resumen de los requerimientos de un sistema de suministro de medicamentos.. 5.2 Diseño del Prototipo para suministro de medicamento portable Con el fin de cumplir con las especificaciones de diseño, se propone un diagrama de bloques como el mostrado en la figura 3.. Interfaz con el Usuario (Labview). Control y Procesamiento de Datos (Labview). Modulo de Comunicación Zigbee. Modulo de Comunicación Zigbee. Control y Procesamiento de Datos (Microcontrolador). Reservorios (Bomba peristáltica lineal). Figura 3. Diagrama de bloques prototipo diseñado.. La topología seleccionada consiste en formar una red en donde existe un nodo principal encargado de controlar a los nodos finales o nodos de suministro3.El nodo central permite realizar el control de los nodos de suministro a través de una interfaz gráfica desde la cual se determina las cantidades de medicamento a suministrar en cada nodo y en la que se visualizan las cantidades restantes de medicamento en cada reservorio.Inalámbricamente la información es enviada a cada nodo para generar las señales de activación de los actuadores que se encargan de permitir el suministro del medicamento. Finalmente, cada nodo de suministro envía la cantidad de medicamento disponible en el reservorio para que esta información sea visualizada en el nodo central. A continuación se muestra el desarrollo de los tres bloques principales que conforman el prototipo:. 5.2.1 Sistema de Comunicaciones El sistema de comunicaciones es crítico debido a la necesidad de enviar información de forma inalámbrica entre los nodos de suministro y el nodo central. 3. El prototipo diseñado se forma con dos nodos de suministro..

(18) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 18. Restricciones y especificaciones: 1. El consumo de potencia de los módulos de comunicaciones debe ser mínimo dada la necesidad de operación con batería de cada nodo. 2. La frecuencia de operación del sistema de comunicaciones debe estar en el rango de frecuencias aceptado para aplicaciones médicas (Banda ISM). 3. La frecuencia de operación del sistema de comunicaciones no debe afectar al paciente. 4. La red de nodos debe permitir identificar de forma independiente cada nodo de suministro. 5. La velocidad de transmisión de datos debe ser suficiente para que la información sea entregada de forma correcta entre nodos. 6. Sistema inmune a interferencias externas o agentes externos que deseen afectar la información transmitida entre nodos. Para cumplir con estas restricciones y especificaciones se revisan diferentes opciones para realizar la comunicación dentro de las cuales están Zigbee, Bluetooth y RFID. Las principales características asociadas a cada tecnología se muestran en el Anexo 11.1. Los tres esquemas propuestos han sido implementados en aplicaciones médicas, y en esquemas portables e inclusive implantables. Tal vez de los tres esquemas el menos usado sea Bluetooth por su mayor consumo de potencia y su baja complejidad de redes, lo cual impide integrar varios sensores o dispositivos. Respecto a RFID, como se dijo, su gran ventaja es que se puede transmitir potencia y así evitar le necesidad de usar batería. Sin embargo, integrar varios dispositivos en una red implica aumentar la complejidad del hardware y además al usar bobinas para realizar la comunicación se vuelve fundamental el acople entre ellas lo cual limita la movilidad del paciente [25]. Respecto a Zigbee cabe destacar que su gran ventaja es el bajo consumo de potencia y se pueden generar redes con gran facilidad. Es cierto que no posee grandes tasas de transmisión y además no permite enviar potencia pero para esta aplicación no es necesario contar con grandes tasas de transmisión y hoy en día existen baterías bastante confiables que evitan la transmisión de potencia. Se selecciona por ende la tecnología Zigbee que cumple con las especificaciones de bajo consumo de potencia, frecuencia de operación permitida para aplicaciones médicas, facilidad para crear redes y tamaño reducido por módulo. Además cabe destacar que tal como se indica en [15], la frecuencia de operación de Zigbee no genera efectos dañinos sobre el paciente.. 5.2.2 Nodo central Este módulo se encarga de presentar la información de las cantidades restantes de tratamiento en cada uno de los reservorios. También permite que el usuario seleccione el nodo que debe suministrar el medicamento y las cantidades a entregar. Para ello debe procesar las señales y enviarlas a los nodos de suministro, a la vez que recibe la información de cantidad disponible de medicamento procedente de los nodos y la muestra en la interfaz gráfica.Para realizar tanto la interfaz como el procesamiento de.

(19) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 19. datos se evaluaron diferentes opciones todas pensadas para ser usadas desde un computador personal. Para estos bloques se tienen en cuenta las siguientes restricciones y especificaciones: Restricciones: 1. El módulo debe poseer una capacidad de almacenamiento de información suficiente para poder actualizar las cantidades de tratamiento restante luego de cada aplicación. 2. La velocidad de transmisión de datos debe ser suficiente para procesar de forma correcta la información y enviar las señales de control requeridas. Especificaciones: 1. El prototipo posee una interfaz agradable para el uso de personal médico. 2. La interfaz debe informar al usuario la cantidad de medicamento restante en cada reservorio. 3. Debe permitirse seleccionar el nodo que libera el medicamento y la cantidad. Para cumplir con las restricciones y especificaciones establecidas para este módulo se evaluaron diferentes programas o elementos capaces de permitir la elaboración de una interfaz gráfica y realizar el procesamiento de datos, o si es posible integrar bajo un mismo programa ambas funcionalidades. Entre ellos se evaluó Labview, Matlab, Java/C++ y el uso de un microcontrolador (en Anexo11.1 se presenta un resumen de las opciones analizadas y sus características más importantes). Para este proyecto se selecciona Labview ya que permite desarrollar una interfaz agradable para el usuario y existe la posibilidad de integrar el procesamiento de datos para realizar la comunicación entre el nodo central y los nodos de suministro sin necesidad de conectar un microcontrolador extra. A continuación se muestran las tareas realizadas por el nodo central donde se presenta: i) interfaz gráfica y ii) selección de nodo y cantidad a suministrar.. 5.2.2.1 Interfaz gráfica: La interfaz gráfica se desarrolla usando el software Labview. Como se indicó antes, la idea es crear una interfaz agradable y fácil de usar por parte del personal médico. En la figura 4 se observa la interfaz gráfica desarrollada:.

(20) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 20. Figura 4. Interfaz gráfica prototipo.. La interfaz gráfica desarrollada se compone de los siguientes elementos fundamentales: Entrada “VISA resourcename”: permite seleccionar el puerto serial al que está conectado el módulo Zigbee coordinador. La ventaja es que el bloque identifica los puertos conectados, lo cual permite seleccionar el puerto adecuado. Entrada “Selección de nodo”: permite escoger a que nodo se le envía la orden de suministro (para este prototipo se desarrollan dos nodos de suministro). Entrada “Cantidad”: permite seleccionar la cantidad de medicamento a aplicar. Luego de caracterizar el sistema se encontró la viabilidad de dos dosis posibles, 0.25ml o 0.36ml, ya que estas fueron las dos dosis con menor desviación en sus datos. Visualización en forma de tanques de la cantidad de medicamento restante en cada reservorio o nodo, a mano derecha también se informa este parámetro numéricamente en las salidas Reservorio 1[ml] y Reservorio 2[ml]. Finalmente, se debe señalar que en la interfaz gráfica se agregan bloques con una funcionalidad de verificar el buen funcionamiento interno del programa, por ende, estos bloques se podrían omitir en una versión comercial del programa, o al menos en una versión “básica”. Los bloques buscan básicamente verificar que la dirección de envío se la correcta, la palabra recibida sea la adecuada y que además no haya ningún tipo de error dentro del puerto serial.. 5.2.2.2 Selección de nodo y cantidad a suministrar: El programa desarrollado en Labview permite seleccionar el nodo que suministra y la cantidad a suministrar. Para ello usa las herramientas de puerto serial VISA, las cuales permiten obtener el puerto serial deseado y realizar operaciones con dicho puerto. Tal como se indicó en la sección anterior es a través del bloque “VISA resourcename” que se adquiere el puerto serial adecuado, el cual es el puerto en el cual se conecta el módulo Zigbee coordinador, que es la tecnología de comunicación seleccionada para el desarrollo de éste proyecto. La idea es entonces usar Labview para controlar el módulo coordinador y de esta manera a través de la tecnología Zigbee enviar las ordenes de las cantidades a suministrar en cada nodo..

(21) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 21. A continuación se presenta un diagrama de flujo que explica el proceso que realiza Labview para controlar el módulo Zigbee coordinador y así poder enviar o recibir información hacia los nodos de suministro: Adquisición señal puerto serial. GT=1000ms. Escribe “+++” en el puerto serial. Si. Serial Read=”Ok”. Estado del CTS=1. Error=”CTS no habilitado”. No. Error=”No se pudo entrar al modo de comandos”. No. FIN. Si Si. Selección de nodo=1. Dirección de envío=’1’. Hay error en el puerto serial. FIN. No Dirección de envío=’2'. No. Hay error en el puerto serial. Serial Read=”Ok”. FIN. No. Se escribe en el puerto serial: “ATDL,DL1,DL, WR,CN”. Se escribe en el puerto serial: ”ATDL,DL2,DL, WR,CN”. Si FIN. Si. No. Fin. Si Se escribe ‘a’ en el puerto serial.. Si. Cantidad= ”0.25ml”. No Se leen la cantidad de bits en el puerto serial y la palabra escrita. Se actualiza la cantidad de medicamento en el reservorio.. Se escribe ‘b’ en el puerto serial. Si el mensaje es ”Ok”. No. Se indica el Error. FIN. Si FIN Figura 5. Diagrama de flujo del programa desarrollado para trasmisión de la cantidad de medicamento a liberar..

(22) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 22. El diagrama de flujo resume el programa elaborado en Labview, cuyo diagrama de bloques se muestra en detalle en el Anexo 11.2. Sin embargo, se hace fundamental realizar una breve descripción del programa elaborado. El primer paso es adquirir el puerto serial al que se conecta el módulo Zigbee coordinador, para así poder tomar control sobre el módulo e indicarle las acciones a llevar a cabo. Una vez se adquiere el puerto serial adecuado, se procede a inicializar el valor GT, que será el tiempo de espera que se debe tener cada vez que se le envía un dato al módulo Zigbee. Esto se hace por requisito del protocolo del esquema Zigbee. Posterior a esto se verifica que el puerto serial esté listo para enviar o recibir información y al recibir la confirmación, se envía la palabra “+++” que activa el modo de comandos del módulo Zigbee. Esta activación se logra gracias al subprograma Serial Read, el cualpermite buscar en el puerto serial los códigos en hexadecimal que confirman la entrada al modo de comandos, lo cual se hace al reconocer la palabra ”Ok”. Se debe indicar aquí que el subprograma Serial Read fue tomado de [26]. De dicha referencia también se toman algunos procedimientos para ingresar al modo de comandos, los cuales fueron modificados para cumplir con los objetivos de este trabajo y para resolver algunas redundancias dentro de su programación. Se usaron estos programas ya que luego de hacer una investigación detallada de cómo poder entrar al modo de comandos y luego de plantear una serie de posibles programas, no se logró entrar efectivamente al modo de comandos. Sin embargo, durante dicha investigación se encontró que este era un problema recurrente en diferentes aplicaciones y que en [26] se proponía una solución para lograr entrar a dicho modo. Una vez se recibe la confirmación de entrada al modo de comandos, se escribe el código“AT DL,DLx,DL,WR,CN” el cual le indica al módulo coordinador la dirección de envío, en donde x determina si es para el nodo de suministro 1 o el nodo de suministro 2. El modulo devolverá “Ok” y posterior a esto dependiendo de la cantidad a suministrar se enviará diferentes palabras código (‘a’ o ‘b’) hacia el módulo coordinador el cual las enviará a los nodos de suministro y así se llevará a cabo la activación del suministro. Inmediatamente se recibirá la confirmación de la recepción correcta y la actualización de la cantidad restante en el reservorio.. 5.2.3 Nodo de suministro Los nodos de suministro se encargan de recibir información proveniente del nodo central y partir de dicha información activar los actuadores y liberar así el medicamento. Luego de hacer esto cada nodo se encarga de actualizar la cantidad restante de tratamiento y enviar dicha información de regreso hacia el nodo central. Para ello entonces se debe decir que este nodo se compone del módulo Zigbee que recibe y transmite la información, del microcontrolador que se encarga de procesar la información y a partir de dicha información enviar las señales de control y finalmente la bomba peristáltica que realiza el suministro del medicamento. También existe una etapa de potencia que se encarga de entregar la corriente necesaria a los actuadores sin cargar las salidas del microcontrolador..

(23) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 23. Antes de evaluar los diferentes sistemas de suministro que se han propuesto, cabe destacar las restricciones y especificaciones asociadas a este bloque: Restricciones y especificaciones: 1. El tamaño del prototipo debe ser lo suficientemente bajo como para poder ser portable. 2. La alimentación de los nodos de suministro se debe realizar a través de un batería o mecanismo que permita la independencia de una conexión con la red eléctrica. 3. El consumo de potencia del sistema de suministro debe ser bajo debido a la imposibilidad de ser conectado a la red eléctrica. 4. El costo de fabricación del prototipo debe ser bajo. 5. Debe poderse controlar la cantidad de tratamiento a liberar de forma precisa para evitar posibles fallas en la dosificación. 6. Suministro de una cantidad determinada de medicamento de 0.25mL4 o de 0.36mL con un error máximo de 12%. 7. El nodo de suministro comunica al nodo central la cantidad de medicamento disponible en su reservorio. 8. Comportamiento estable en el tiempo. Para cumplir con estas restricciones y especificaciones se analizaron diferentes opciones para suministrar el medicamento. A continuación se presentan algunas de las soluciones analizadas y luego se presentan las razones de la selección hecha. La primera opción estudiada es un sistema de suministro onchip. Específicamente se analizó la posibilidad de implementar un esquema similar al presentado en [4].En dicho trabajo se implementa en un mismo chip varios reservorios los cuales se abren para liberar el medicamento al aplicar un voltaje específico. El sistema para liberar el tratamiento consiste en que al aplicar un voltaje una fina capa de oro desaparece y por ende el reservorio se abre. Según lo presentado es un sistema robusto y no requiere una gran cantidad de potencia para ser activado y los materiales de fabricación son biocompatibles.Sin embargo, existe una gran limitación relacionada con su fabricación ya que requiere de métodos avanzados de litografía por ejemplo. Otra limitación consiste en que una vez usado un reservorio este no se puede volver a usar, es decir, una vez desaparece el oro, ya no se puede llenar de nuevo el reservorio. Si bien este esquema cumple con las especificaciones de tamaño, consumo de potencia y biocompatibilidad, su dificultad de fabricación y el hecho de que una vez se usé un reservorio no se puede reutilizar, hace que esta opción no sea viable para este trabajo. La segunda opción estudiada se presenta en [5]. En dicho artículo se muestra un esquema en donde se usa un gran reservorio el cual libera el medicamento a través de presión. La presión es generada por un fuelle que se infla con un gas generado por una reacción electroquímica. La reacción electroquímica se genera usando electrodos y agua desionizada. Este esquema funciona bastante bien y permite que el medicamento sea 4. En 6.2.2.1 se explica la razón por la cual se escogieron estas dos dosis..

(24) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 24. liberado y sin mucho consumo de potencia (se genera la reacción apenas con 0.8 mA [5]). El problema radica de nuevo en su fabricación ya que se debe generar una membrana corrugada que se pueda estirar y así cuando se infle, pueda empujar el tratamiento. Por otra parte, la membrana debe ser lo suficientemente gruesa para que no hayan filtraciones hacia el medicamento. Todo esto requiere un proceso de fabricación largo y complejo. Por otra parte este esquema posee otro problema,no existe, o por lo menos no se especifica el problema que implica que cada vez que se libere medicamento la presión sobre el reservorio cambia y por ende la siguiente vez que se deba liberar tratamiento los parámetros físicos y químicos han cambiado obligando a que el nivel de corriente aplicado sea diferente. Esto hace que esta opción de reservorios, si bien es interesante y fácil conceptualmente, no sea tan sencilla de implementar. La tercera opción surge como resultado de la revisión de [7] y [8]. En ambos trabajos se presentan bombas peristálticas. En [7] se presenta una bomba peristáltica lineal la cual se forma usando un tubo flexible que es rodeado por actuadores (solenoides). La idea es que a través de una secuencia específica en la que se activan los actuadores, el tubo es presionado para generar un flujo en la dirección especificada. El primer paso es permitir la entrada del tratamiento al tubo pero manteniendo cerrado uno de los actuadores para evitar que sea liberado. Luego a través de una secuencia de activación específica se generan olas en el tubo que hacen que el tratamiento fluya en una dirección particular y así es liberado con un caudal deseado. En [8] se presenta una bomba peristáltica similar pero en este caso el movimiento se genera por presión de unas esferas que son atraídas por un imán que rota y de esta manera se presiona el líquido en una dirección específica. En ambos casos la solución no es compleja y no hay un gran consumo de potencia (se habla de un consumo del orden de mW cada vez que se libera el medicamento). Esto hace que su fabricación no requiera de procesos avanzados y además el sistema no es muy grande. Esta solución resulta entonces la opción más adecuada para el proyecto. Luego de analizar cada una de las opciones se selecciona la tercera opción, es decir, se elaborará una bomba peristáltica lineal para liberar el medicamento. Esta selección se hace por su fabricación y además porque se puede hacer control del flujo, es decir, de la cantidad de medicamento que se libera. Adicionalmente, en caso de ser necesario se podría volver a usar el reservorio una vez se vacíe. En la figura 8 se muestra un diagrama detallado de bloques de los nodos de suministro, en dicha figura se muestra los bloques funcionales que conforman cada uno de los reservorios y que permiten realizar el suministro del medicamento y la actualización de las cantidades de medicamento restantes..

(25) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 25. Batería. Microcontrolador. Actuadores (Bomba peristáltica). Medicamento (Lugar de almacenamiento). Figura 6. Diagrama detallado reservorios.. Para finalizar se debe destacar la importancia de usar un microcontrolador para enviar las señales de control de los actuadores ya que sin importar el mecanismo que usen los actuadores para suministrar el medicamento, es necesario tener un bloque encargado de realizar el control. Esto se hace aún más importante si se tiene en cuenta que el sistema de comunicaciones Zigbee entrega la información de forma serial, lo cual implica una mayor complejidad en el Hardware en caso de que se quisiera evitar el uso de un microcontrolador. En este prototipo, la función del microcontrolador es la de tomar los datos que recibe el módulo Zigbee de forma serial y a partir de la información recibida generar la secuencia de activación de los actuadores de la bomba peristáltica. Luego, actualizar las cantidades restantes de tratamiento en los reservorios y enviar dicha información de vuelta al módulo Zigbee que lo envía al nodo central. Aquí se debe destacar la importancia de usar una etapa de potencia adecuada para controlar los actuadores, ya que el microcontrolador entrega máximo 25mA en sus salidas [27]. La elección del tipo de etapa de potencia se presenta en la siguiente sección.. 6. PRUEBAS Y RESULTADOS. En esta sección se presentaran las diferentes pruebas que se llevaron acabo para verificar el correcto funcionamiento del diseño realizado. En pruebas iniciales se presentan los resultados parciales de cada uno de los bloques de forma separada. Luego en pruebas finales se evalúa el rendimiento del sistema operando de forma completa.. 6.1 Pruebas iniciales En esta sección se presentará de forma separada las pruebas y resultados de cada uno de los bloques que conforma el prototipo: bloque de comunicaciones, interfaz gráfica, sistema de control y bomba peristáltica.. 6.1.1 Pruebas y configuración sistema de comunicaciones El primer paso para verificar el correcto funcionamiento del módulo de comunicaciones consiste en formar una red Zigbee, para lo cual se usan tres módulos Xbee de MaxStream entregados en préstamo por el laboratorio. La red se configura usando el software X-CTU, desarrollado por el fabricante. Dicho software permite configurar los registros de los.

(26) Diseño e implementación de un dispositivo inalámbrico para el suministro de medicamento. 26. módulos según como el usuario decida configurar la red, además permite realizar pruebas de la calidad de la comunicación de los dispositivos entre otras funcionalidades. La red se configura de forma punto a multipunto, es decir, un nodo central o coordinador se encarga de enviar información a uno o más nodos finales, mientras que los nodos finales solo pueden enviar y recibir información a través del nodo coordinador. Para configurar dicha red se deben modificar los siguientes registros usando los siguientes valores: Parámetro. Módulos Coordinador. Módulo final. Canal (CH). 14. 14. Identificación red (ID). 0. 0. Dirección propia (MY). 0. X. Dirección de envío (DL). X. 0. Coordinador (CE). 1. 0. Asociación (A2). 1. -. Asociación nodo final (A1). -. 2. Habilitar encriptación (AES). 1. 1. Coordinador. Tabla 1. Parámetros de configuración de los módulos Zigbee.. Para conocer en mayor detalle cómo funciona cada uno de estos parámetros se recomienda revisar el manual de operación de los módulos Xbee [20], sin embargo cabe señalar que a grandes rasgos la configuración presentada forma una red punto a multipunto que opera en el canal número 145 (Zigbee posee 16 canales disponibles [20]), con una identificación de red igual a ‘0’ y con un nodo coordinador y dos finales. Los registros A2 y A1 habilitan la conexión y la X hace referencia a que el valor varía según la dirección de envío. Los nodos se pueden configurar también usando el modo API del módulo, que como se indicó en 4.2, es un modo de operación avanzado que permite un mayor control del módulo, sin embargo debido a que no se observó la necesidad de usar dicho modo, éste no se habilitó. Tampoco se habilitaron los registros de modo “sleep”, los cuales ayudarían a reducir los niveles de consumo de potencia, debido a que durante las pruebas se observó que el consumo de potencia en operación normal no era superior a los 60mA y que durante más de un mes los módulos operaron bien usando un par de pilas AA, además incluir estos modos “sleep” requiere de una configuración adicional en términos de circuitos y de señales de control, dada le necesidad de tener una señal que despierteo duerma al módulo. También se debe señalar que se habilitó el mecanismo de encriptación AES que tal como se indica en 4.2, es el método usado por Zigbee para encriptar los datos 5. El canal 14 está centrado a una frecuencia de 2.42GHz [20]..