CAPITULO IV ANALISIS DE RESULTADOS
A continuación se presentan los resultados obtenidos con el diseño e implementación de un prototipo de espirómetro digital, el cual es capaz de medir la capacidad pulmonar de un paciente. La información obtenida es mostrada en una pantalla LCD y se envía posteriormente al ordenador para distintas aplicaciones como almacenamiento y visualización local y remota.
4.1 Diseño
El equipo biomédico prototipo diseñado es capaz de medir la capacidad pulmonar de un paciente. Su principio de funcionamiento se basa en el movimiento de una turbina, que gira por efecto del aire espirado por el paciente, de tal manera de excitar a un par de optoacopladores, cuya señal va a un circuito de acondicionamiento y posteriormente a un microcontrolador, para procesar la información. Luego del procesamiento, se pueden observar los valores obtenidos de FVC, FEV1 y %FEV1 en una pantalla LCD. El equipo puede contar con dos fuentes de alimentación seleccionables por medio de un interruptor; una proporcionada por una batería de 9v y otra por medio de la conexión USB al ordenador. En caso de estar conectada al ordenador, los valores obtenidos son enviados a este a través de la conexión USB, y visualizados en una interfaz gráfica desarrollada en Visual Basic 6.0. A continuación se puede observar de forma general un diagrama en bloques del equipo.
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Sensor
Alimentación Externa +9V
Circuito de Acondicionamiento
Optoacopladores Regulación +5V
Selector de Alimentacion Visualización Pantalla LCD 20x4 Microcontrolador PIC 18F4550
Ordenador
Conexión al Ordenador
Comunicación USB
Figura 4.1. Diagrama en Bloques general del espirómetro digital Elaboración propia
4.2 Consideraciones de Diseño
Para la elaboración del diseño, se estudiaron distintos tipos de sensores utilizados en espirómetros comerciales y prototipos desarrollados por otras universidades. Entre los sensores estudiados se encontraban, sensores de presión, sensores piezoeléctricos, turbinas con optoacopladores, un motor DC, entre otros. 32
Sensor
Alimentación Externa +9V
Circuito de Acondicionamiento
Optoacopladores Regulación +5V
Selector de Alimentacion Visualización Pantalla LCD 20x4 Microcontrolador PIC 18F4550
Ordenador
Conexión al Ordenador
Comunicación USB
Figura 4.1. Diagrama en Bloques general del espirómetro digital Elaboración propia
4.2 Consideraciones de Diseño
Para la elaboración del diseño, se estudiaron distintos tipos de sensores utilizados en espirómetros comerciales y prototipos desarrollados por otras universidades. Entre los sensores estudiados se encontraban, sensores de presión, sensores piezoeléctricos, turbinas con optoacopladores, un motor DC, entre otros. 32
Luego de haber estudiado todos estos, se decidió utilizar una turbina con optoacopladores, los cuales son excitados cuando esta gira, cortando el haz de luz y generando un tren de pulsos que van a un circuito de acondicionamiento, para que puedan ser procesados por el microcontrolador. Luego de procesados los datos, se debían enviar al ordenador; se decidió que la comunicación seria a través del puerto USB, haciendo que este emulara un puerto serial. Se desarrollo una pequeña aplicación en Visual Basic 6.0 para observar los datos obtenidos en el ordenador. Además, los datos obtenidos también se envían a una pantalla LCD.
Es importante resaltar que paralelamente al desarrollo de este proyecto, se está desarrollando otro, en el cual se generarían las graficas de Flujo-Volumen y Volumen-Tiempo con los datos obtenidos del prototipo.
4.3 Descripción del diseño
A continuación se explica como fue diseñado tanto el hardware como el software del equipo.
4.3.1 Diseño final del hardware
Para el diseño y construcción de este equipo, fue necesario diseñar el hardware para su funcionamiento. El diseño se dividió en varias etapas, las cuales son: Diseño del sensor y circuito de acondicionamiento, circuito de control y procesamiento de la señal, etapa de envío de información a la LCD, etapa de envío de información al ordenador y etapa de alimentación. 33
4.3.1.1 Sensor y circuito de acondicionamiento
El prototipo de sensor,
se construyo utilizando una turbina y un par de
optoacopladores, los cuales, son excitados por la turbina que gira por efecto de la espiración del paciente. Para la construcción de espirómetros secos, existen varios tipos de sensores que se pueden utilizar, pero todos tienen algo en común: miden el flujo espirado y esta señal luego es integrada en un microprocesador, para así obtener el volumen de aire espirado por la persona. De todos los sensores estudiados, se decidió utilizar la turbina, por ser el más sencillo de diseñar e implementar y menos costoso de construir.
Utilizando una reducción de tubería de agua 3” a 2” se hizo el diseño mecánico del prototipo, colocando la turbina dentro de esta. Se tomo una tapa de 2” y se perforo, colocando dentro del hueco un tubo de aproximadamente 1”. Esta tapa se coloco al prototipo, utilizando el tubo de 1” como boquilla, para que la persona espire por allí. Por higiene, sobre la boquilla se coloca un pedazo de manguera de 1” y 1/2, que es intercambiable. A la turbina, la cual posee 11 álabes, se le colocaron 2 optoacopladores, los cuales generan un pulso cada vez que alguno de los álabes corta el haz de luz que va del emisor al receptor. En la figura 4.2 se puede observar un plano sencillo del sensor y en la figura 4.3 dos fotos del mismo.
Para la polarización de los optoacopladores se conecto una resistencia de 1k Ω entre el ánodo del diodo emisor y la alimentación del circuito y el cátodo del diodo emisor a tierra. En el receptor o fototransistor, el emisor se conecto a tierra y el colector a una resistencia de 47K Ω y esta la alimentación del circuito. El pin base del fototransistor, se dejo no conectado.
34
Figura 4.2 Plano lateral y frontal del sensor del Espirómetro Elaboración propia
Figura 4.3 Foto lateral y frontal del Espirómetro Elaboración propia
Cuando la señal del emisor llega al receptor, la salida es de 1V; si la señal llega la salida es de 5V. Para que el microcontrolador pudiera interpretar esta señal, era necesario llevarla a valores TTL, ya que tomaba el valor de 1V como 1 lógico.
35
Por esta razón se tomo la salida de los optoacopladores y se llevo a un amplificador operacional (LM324) en modo comparador. En un pin del operacional se coloco la salida del optoacoplador, y en la otra un voltaje de aproximadamente 2.5 V, alimentando este con 5V y tierra. Como resultado, se obtiene una señal con dos valores: 0V o 5V, la cual se envía al circuito de acondicionamiento para posteriormente enviarla al microcontrolador.
Para evitar errores en el conteo, se conecto la salida del operacional a un circuito antirrebote, diseñado con una compuerta 7414, un capacitor de 1µf y una resistencia de 1k Ω. En la figura 4.4, puede observarse el diagrama del circuito electrónico utilizado para la polarización del sensor y el acondicionamiento de la correspondiente señal.
4.3.1.2 Circuito de control y procesamiento de la señal
El circuito de control y procesamiento de la señal está compuesto por el microcontrolador PIC18f4550. La configuración del microcontrolador se realiza internamente; esto es al momento de realizar el programa de control de los comandos para la captura de las señales enviadas por el sensor, fue necesario configurar las velocidades de adquisición y procesamiento, y todo esto fue ejecutado por la herramienta de programación PIC C Compiler (CCS). El microcontrolador necesita físicamente un cristal externo de 4MHz que sincronice la velocidad de operación y que permita generar por medio de la programación del PLL interno del mismo, obtener una frecuencia de trabajo de 48MHz necesarios para lograr la comunicación USB con el PC. Para el resto del programa, el microcontrolador utilizada el oscilador interno que posee.
36
Figura 4.4 Circuito de uno de los sensores y de acondicionamiento de su señal. Elaboración propia
Al cristal se le colocaron dos capacitores de 33pf conectados uno a cada pin de este y el otro extremo a tierra de modo de limitar los picos que se producen durante el oscilamiento del cristal, también se colocó un cristal de 1µf en el pin 18 del PIC hasta tierra el cual es usado para la fuente del USB en el PIC.
Para la calibración del equipo, se conecto el pin central de un potenciómetro de 5K al pin AN0 del PIC; este es uno de los puertos analógicos del PIC, y con la señal recibida se realiza la calibración del equipo.
Se coloco un dip-switch para seleccionar si utilizar el equipo conectado al ordenador o no, conectando este al pin RB4 del PIC.
También se conecto un
pulsador al pin RB3 para confirmar el modo de funcionamiento seleccionado previamente. A los pines RB2 y RB3 se conectaron pulsadores para seleccionar si se va a realizar la prueba de espirometría o la calibración del equipo. Por último se colocó un pulsador al pin 1 del PIC para el master clear (MCLR). La configuración física del PIC se puede apreciar en la siguiente figura. 37
4.3.1.3 Etapa de envío de información a la LCD
Esta etapa está conformada por el microcontrolador, una pantalla LCD de 20x4 y un potenciómetro de 5 kΩ el cual cumple con la función de regular la el contraste de la pantalla. La LCD está conectada al microcontrolador de la siguiente manera: los pines de control E, RS y RW (6, 5 y 4 en la pantalla) están conectados con los pines RD0, RD1 y RD2 del PIC18f4550 (pines 19, 20 y 21) respectivamente, los pines de dato D4, D5, D6 y D7 (11, 12, 13 y 14 en la pantalla) están conectados con los pines RD4, RD5, RD6 y RD7 del PIC18f4550 (27, 28, 29 y 30 respectivamente). El pin 1 se conecta a tierra (GND), el pin 2 se conecta a +5V (VCC) y el pin 3 al potenciómetro ya mencionado.
4.3.1.4 Etapa de envío de información al ordenador
Se basa en las conexiones para la comunicación USB entre el PIC y el PC, la cual se distribuye de la siguiente manera: los pines 23 y 24 (RC4 y RC5 ó D- y D+) del PIC se conectan a los pines 2 y 3 del conector USB respectivamente, los pines 1 y 4 del conector son los de la fuente de alimentación que posee el puerto USB del PC. Se debe conectar un capacitor de 470
ɳ
f aproximadamente al pin 18 del PIC (V usb) él
cual es utilizado para la alimentación interna del modulo USB del PIC.
4.3.1.5 Etapa de alimentación
El diseño puede funcionar de en dos modos: con conexión USB y sin esta. Cuando se trabaja con la conexión USB, el puerto del ordenador proporciona la 38
alimentación para el funcionamiento del prototipo, ya que genera 5V para su funcionamiento.
Cuando se trabaja sin conexión USB, se utiliza una batería de 9V y un integrado L7805CV, el cual es un regulador de voltaje de 5V. En la siguiente figura se observa la conexión para la fuente del USB y la externa
Figura 4.5 Fuente de Alimentación Elaboración propia
En la figura 4.6 se puede observar la disposición de los componentes electrónicos que conforman el diseño.
4.3.2 Desarrollo del Software
Luego de haber diseñado el hardware del equipo, se procedió a desarrollar el software para su funcionamiento. Para desarrollar el software del microcontrolador, se utilizo la herramienta de programación CCS compiler. La aplicación para recibir y observar los datos en el ordenador, fue desarrollada utilizando la herramienta de programación Visual Basic 6.0 39
Figura 4.6 Diagrama del Circuito Diseñado Elaboración propia 40
4.3.2.1 Software para el Microcontrolador
Se elaboró un software utilizando la herramienta de programación PIC C Compiler (CCS), el cual fue transferido al microcontrolador PIC18F4550 a través de la aplicación WinPic 800, con el circuito programador serial para microcontroladores de PIC’s de Microchip. Dicho microcontrolador, se encarga de tomar la señal proveniente del sensor y ejecutar las líneas de comandos, que permiten analizar y procesar la señal, para generar la data que será mostrada en la pantalla LCD y enviada al PC, estableciendo de esta forma la interfaz hombre/maquina.
El prototipo diseñado para realizar la prueba de espirometría forzada funciona de la siguiente forma:
En primer lugar, el usuario debe elegir si desea la comunicación y la alimentación del USB o el funcionamiento con fuente externa. Luego de seleccionar, se presiona el pulsador, para confirmar el modo de trabajo seleccionado. Luego se decide si realizar la prueba o calibrar el equipo. Al seleccionar realizar la prueba, el prototipo espera que la persona comience a espirar, para iniciar la captura de datos. Luego de terminada la prueba, los resultados son mostradas en la pantalla LCD. En caso de estar conectado al ordenador, se muestran allí también.
Si la opción elegida es calibrar el equipo, previamente se debe haber realizado una prueba, utilizando una jeringa de calibración. Al elegir la opción calibración se muestra en la pantalla LCD el valor medido anteriormente. Girando el potenciómetro, el valor observado se lleva hasta el valor deseado. Luego se presiona el pulsador conectado al pin B2 para volver al paso anterior. 41
Para lograr que el microcontrolador realice su tarea se le grabo el programa que será detallado a continuación. Primero se comenzó con la elección del oscilador a utilizar para el funcionamiento del PIC. Se eligió utilizar un cristal externo para el funcionamiento del USB, y para el resto de las tareas, el oscilador interno del PIC. Para obtener los 48 MHz para el trabajar con el USB, se eligió un PLL1, de modo que a partir de la frecuencia del cristal, se obtuvieron los 48MHz. Luego se adjuntaron las librerías “FLEX_LCD420” y "\include\usb_cdc.h"; la primera posee las instrucciones de trabajo para la pantalla LCD y la segunda las del modulo USB del PIC, en modo CDC (emulando un puerto serial en el ordenador). Posteriormente se hizo la inicialización de los puertos con los que se iba a trabajar la cual fue la siguiente:
El pin 6 del puerto A (RA6) fue dedicado para conectarlo como entrada para el cristal externo. El pin 3 del puerto E (RE3) fue programado y dedicado para el uso del master reset (MCLR). Los pines del 0 al 2 y del 4 al 7 del puerto D (RD0-RD2 y RD4-RD7) fueron inicializados y dedicados solo para trabajar con la pantalla LCD. El pin 0 del puerto A (RA0) el cual es el canal 0 (AN0) del convertidor analógico/digital (ADC) del PIC fue declarado como entrada analógica. Los pines 4 y 5 del puerto C (RC4 y RC5) fueron dedicados solo y exclusivamente para el trabajo de comunicación con el modulo USB del PIC. Los pines 6 y 7 del puerto B, fueron inicializados y dedicados para la indicación del modo de trabajo (USB o no USB). Los pines del 0 al 4 fueron inicializados y dedicados para conectar los pulsadores a utilizar, y el dipswitch para selección de modo. 42
Los timer son configurados para distintas aplicaciones. Los timer 0 y 1, se configura
en
modo
contador,
para
contar
los
pulsos
generados
por
los
optoacopladores. El timer 2 se configura para que se desborde al pasar un tiempo de 4ms, tiempo utilizado para tomar las muestras obtenidas en los timer 0 y 1. Al realizar la prueba de espirometría, se activan las interrupciones para el timer 2, desactivándose luego de terminar esta.
El siguiente paso consistió en inicializar la pantalla LCD con la llamada de la rutina de inicialización (lcd_init();). Luego se comenzó con la lógica del programa donde se tienen dos formas de trabajo que son cuando el equipo está conectado al USB del PC y la otra es cuando no lo está. Para ingresar al modo de trabajo que se desea usar se selecciona el modo en el dipswitch conectado al pin RB0 y se confirma al pulsar el pulsador conectado al pin RB1. En la pantalla LCD se muestra el modo seleccionado, antes de la confirma. En caso de elegir el modo USB, se configura la comunicación USB del PIC mediante la instrucciones usb_cdc_init() y
usb_init().
Ambas modos de trabajo tienen la misma lógica; Se muestra un menú en la pantalla LCD, donde se debe elegir realizar la prueba de espirometría o calibrar el equipo. En la figura 4.7 se muestra un diagrama de flujo de esta sección del programa.
4.3.2.1.1 Funcionamiento de la realización de la prueba
Para realizar la prueba de espirometría, se debe presionar el pulsador conectado a RB2 en caso de trabajar en modo no USB. Para modo USB, se debe presionar el botón en la aplicación desarrollada en Visual Basic. 43
INICIO
Declaración e Inicialización de Variables Configuración de puertos: entrada y salida analógica/digitales Configuración de timer0, timer1 y timer2. Inicialización de la LCD
Espera por selección de modo de trabajo (USB o no USB)
Modo de trabajo
Modo no USB
Modo USB Configuración del USB B
A
Figura 4.7 Diagrama de flujo de la lógica para configurar el PIC Elaboración propia
Al seleccionar realizar la prueba, se pasa a una pantalla que muestra el mensaje “La prueba comenzara al espirar”. Al iniciar la espiración, se cuentan los pulsos cada 40ms, y se acumulan en un vector. Cada 5 muestras se hace una integración numérica, utilizando la regla de Boole para esto. Este valor calculado se multiplica por una constante (3.03 al encender el prototipo por primera vez), que se puede modificar al realizar la calibración del equipo, obteniendo de este modo el volumen medido en ese intervalo de tiempo. 44
Esto se realiza basándose en la siguiente hipótesis: la cantidad de pulsos contados en cada intervalo de tiempo, al realizar la prueba, es directamente proporcional al flujo de aire espirado por la persona. Al integrar flujo de aire en un intervalo de tiempo, se obtiene el volumen medido en ese tiempo.
Esta hipótesis, para la obtención del volumen de aire medido, se basa en el estudio del funcionamiento de varios espirómetros comerciales, y algunos proyectos de universidades, en los cuales el volumen se obtiene por integración numérica del flujo de aire medido.
El flujo medido se obtiene al multiplicar los pulsos medidos en el intervalo de tiempo, por la misma constante utilizada para calcular el volumen. Ambos valores, flujo y volumen, se acumulan en vectores de tipo float. Luego de terminar la prueba, que dura 8 segundos, en la cual se toman 200 muestras en total (25 por segundo), se muestran en la pantalla los resultados obtenidos.
El FEV1 se obtiene al tomar la posición 4 del vector volumen, y el FVC al tomar la posición 39 del vector volumen. Luego se calcula el porcentaje que representa FEV1 de FVC, y también se publica en la pantalla LCD. Si se encuentra el equipo conectado al ordenador, se envían los resultados publicados en la pantalla LCD, y los vectores volumen y flujo. Es importante acotar que para contar las muestras necesarias para calcular la integral numérica, se utiliza la variable j mientras que para el número total de muestras, se utiliza la variable i.
A continuación se muestra un diagrama de flujo de esta sección del programa realizado. 45
A
Calibrar Equipo Realizar Prueba o Calibrar Equipo C Realizar Prueba
Timer0 > 0
No
Si Se activa interrupcion timer 2 i=0 y j=0
Se toman muestras de timer 0 y 1 y se suman. Se aumentan i y j
Calculo de Integral j=0
No
j < 5 Si
i > 200
No
Si
Calculo de FVC, FEV1 y %FEV1
Terminar Prueba
No
Si
Figura 4.8 Diagrama de flujo de la lógica del programa del PIC. Sección Prueba Elaboración propia 46
4.3.2.1.2 Funcionamiento de la calibración del equipo
Para la calibración del equipo se debe realizar un paso anterior: se debe realizar una prueba de espirometría, utilizando una jeringa de calibración, la cual genera un volumen de aire de 3 litros. Luego se elige la opción de calibración del equipo, y el valor de volumen medido es utilizado para la calibración.
Al seleccionar la opción Calibración, el microcontrolador configura el convertidor analógico digital, y el pin RA0, para tomar las muestras. Los valores obtenidos de las muestras, que van desde 0 a 255 se llevan a valores entre 2 y 4, siendo utilizados estos como valores de calibración.
Como ya fue acotado, al encender el equipo, este posee un valor de calibración de 3.03. Este valor obtenido se opera con el FVC obtenido en la prueba de espirometría previa, y el valor de calibración anterior, y el resultado se muestra en la pantalla LCD.
Al girar el potenciómetro, se observa en la pantalla como varia el resultado. Cuando el resultado observado, sea el deseado (3 litros), se presiona el pulsador conectado al pin RB3, para culminar con la calibración. En caso de estar conectado al ordenador, se presiona el mismo botón que se utiliza para iniciar la calibración. Antes de volver al menú anterior, el PIC detiene el convertidor Analógico-Digital.
En la figura 4.8 se muestra un diagrama de flujo de esta sección del programa realizado. 47
A
Realizar Prueba
Realizar Prueba o Calibrar Equipo
D Calibrar Equipo Se configura la entrada analógica
Se toma la tensión en el potenciómetro
Se calcula el nuevo valor de ajuste y se opera con el valor de FVC de la prueba previa
Terminar Calibracion
No
Si
Se detiene la captura en la entrada analógica
Figura 4.9 Diagrama de flujo de la lógica del programa del PIC. Sección Calibración Elaboración propia
4.3.2.2 Software para la visualización de datos en el PC
Para la interfaz de visualización y recepción de los datos del equipo enviados al PC por comunicación USB se utilizó la herramienta de programación Visual Basic 6.0. En ella se puede observar los valores obtenidos de la prueba, además de los valores teóricos para el paciente al que se realiza la prueba, de acuerdo a su masa corporal, altura, sexo y edad. En la siguiente figura se muestra la interfaz elaborada en Visual Basic 6.0.
48
Figura 4.10 Interfaz de visualización en Visual Basic 6.0 Elaboración propia
Al conectar el prototipo al ordenador, este es reconocido, pero para que el prototipo reconozca que está conectado al ordenador, se debe presionar el botón “Conectar USB” en la aplicación de Visual Basic. Esto desbloqueara los demás botones.
Al presionar el botón “Realizar Prueba”, la aplicación tomara las características de los pacientes, previamente introducidas y calculara los valores teóricos
para
este,
mostrándolos
en
la 49
pantalla.
Terminada
esta
acción,
automáticamente enviara la señal al PIC para habilitar el inicio de la prueba. Mientras se realiza la prueba, el PIC enviara los valores de Volumen, inmediatamente luego de calcularlos. Al terminar, se mostrara los resultados obtenidos en la pantalla. Luego, al presionar el botón “Almacenar Datos”, se calcularan los valores de Flujo, a partir de los valores de Volumen obtenidos del equipo, para generar las graficas de VolumenTiempo y Flujo-Volumen. Estos Valores serán almacenados en un archivo .txt. Al culminar esta acción, el PIC quedara habilitado para realizar otra prueba.
Al presionar el botón “Calibrar Equipo”, se enviara la señal al PIC para realizar esta acción. En la pantalla se mostrara el valor variando, al igual como se muestra en la pantalla LCD.
Para lograr la comunicación USB del PIC con el ordenador se debe de instalar un driver en este. El driver se encuentra disponible en el CD que contiene este proyecto y a continuación se detallaran los pasos a seguir para la instalación del driver:
1) Para personalizar el driver se utilizo un programa desarrollado con este fin llamado. En este se colocan los datos del prototipo, se selecciona el tipo de comunicación (CDC en este caso) y se genera el driver (mchpcdc.inf) y un archivo para agregar al programa del PIC (usb_desc_cdc.h), con estos datos. El archivo usb_desc_cdc.h se guarda en una carpeta llamada include, dentro de la carpeta donde está el código fuente para la programación del PIC. El driver, se debe guardar en una dirección donde pueda ser ubicado con facilidad. En este caso fue guardado dentro del CD, en la carpeta con el nombre DRIVER_USB. El programa para la generación de los dos archivos se puede observar en la figura 4.11 50
2) Se debe instalar el driver presionando con el botón derecho del ratón sobre el archivo y luego se elige la opción de instalar. En la figura 4.12 se puede observar este paso. El ordenador no da ninguna señal cuando se ha instalado el driver. 3) Se conecta el dispositivo a algún puerto USB en el ordenador. Luego de conectar el USB aparecerá el asistente para hardware nuevo encontrado, si este nos pregunta conectarnos a Windows Update le diremos "No por el momento" y se pulsa siguiente. 4) Se debe seleccionar "Buscar el controlador más adecuado en estas ubicaciones", "Incluir esta ubicación en la búsqueda", para a continuación pulsar sobre el botón con la etiqueta "Examinar". Aparecerá un explorador de Windows donde se busca la dirección de el archivo driver mchpcdc.inf, selecciona y luego se elige aceptar y luego siguiente como se muestra en la figura 4.13. 5) El ordenador buscará el dispositivo rápidamente ya que se le ha dado la ubicación exacta donde encontrar el archivo. En algunas ocasiones aparece una ventana de advertencia; si este es el caso, se selecciona la opción de continuar. 6) Por último se habrá instalado el dispositivo correctamente con lo que se debe pulsar el botón "Finalizar". 7) Para asegurarse que el puerto serie de comunicaciones ha sido correctamente instalado tiene que acceder al administrador de dispositivos que se encuentra en: Inicio -> Panel de Control -> Sistema -> Hardware -> Administrador de dispositivos. Posteriormente se expande Puertos (COM & LPT) y ahí se ve que número le fue asignado al dispositivo (normalmente COM3 o COM4). A continuación se hace doble click sobre él y se pueden observar los datos del dispositivo. 51
Ilustración de algunas imágenes de la instalación:
Figura 4.11 Paso 1 para la instalación del driver para el USB Elaboración propia
Figura 4.12 Paso 2 para instalación del driver para el USB Elaboración propia 52
Figura 4.13 Paso 4 para instalación del driver del USB Elaboración propia
4.4 Pruebas
La primera prueba realizada, fue para medir la cantidad máxima de pulsos, que podía generar la turbina en 40 ms, para verificar el equipo poseía una buena resolución. Se obtuvieron valores de hasta 12 pulsos por 40 ms, pero por lo general el mayor valor obtenido fue de 8 pulsos, lo cual es una buena resolución. Para estas pruebas se trabajo con 12 personas de distintas contexturas y capacidades físicas. Una vez finalizado el montaje de todo el circuito se realizaron las pruebas necesarias para evaluar el funcionamiento del prototipo.
Para la validación de un espirómetro, es necesario que tenga una precisión de ±50ml; la primera prueba realizada, fue para evaluar la precisión del equipo. Se tomaron 4 pacientes y se realizaron 4 medidas a cada uno, teniendo estos resultados: 53
Tabla 4.1. Tabla para Evaluar precisión del equipo
Medida FVC 1
Medida FVC 2
Medida FVC 3
Medida FVC 4
Mayor diferencia (ml)
Paciente 1
4,40
4,30
4,27
4,34
70
Paciente 2
4,82
4,76
4,71
4,80
110
Paciente 3
5,00
5,11
5,13
5,11
130
Paciente 4
3,90
3,84
3,87
3,89
60
Estos resultados demuestran que a pesar de no cumplir con los estándares existentes para la validación de un espirómetro, el prototipo tiene una buena precisión y un buen margen de mejora.
Luego se realizo una segunda prueba, en la cual se compararon las mediciones del prototipo, con los valores teóricos para una espirometría. Para esto, se partió de la formula existente para calcular el valor teórico de FVC y FEV1 para una persona, de acuerdo a su masa corporal, sexo, estatura y edad. Se calcularon estos valores para 10 personas y a estas mismas, se les realizo la medición con el prototipo.
En las
siguientes tablas se presentan los resultados obtenidos.
Tabla 4.2. FVC teórico y FVC medido
Persona 1 Persona 2 Persona 3 Persona 4 Persona 5 Persona 6 Persona 7 Persona 8 Persona 9 Persona 10
Edad
Sexo
Masa C.
Estatura
FVC Teórico
FVC Medido
%FVC Medido
22 17 25 26 23 23 22 20 24 25
M M F F F M F M M M
80 90 51 54 50 80 55 93 100 70
175 183 165 160 163 172 168 190 181 169
5,4323 6,1027 4,1382 3,8901 4,0896 5,2687 4,3377 6,5332 5,8642 5,0359
4,58 5,14 3,45 3,27 3,60 4,36 3,80 5,70 4,91 4,00
84% 84% 83% 84% 88% 82% 87% 87% 83% 79%
54
Tabla 4.3. FEV1 teórico y FEV1 medido
Persona 1 Persona 2 Persona 3 Persona 4 Persona 5 Persona 6 Persona 7 Persona 8 Persona 9 Persona 10
Edad
Sexo
Masa C.
Estatura
FEV1 Teórico
FEV1 Medido
%FEV1 Medido
30 17 25 26 23 23 22 20 24 25
M M F F F M F M M M
80 90 51 54 50 80 55 93 100 70
180 183 165 160 163 172 168 190 181 169
4,5611 4,936 3,371 3,2146 3,2847 4,2605 3,5432 5,222 4,6885 4,0686
3,96 4,52 2,90 2,76 2,84 3,92 3,00 5,03 4,11 3,23
86% 91% 86% 85% 86% 92% 84% 96% 87% 79%
Valores por encima del 80% de los valores teóricos calculados, se consideran normales en personas sanas, y las 10 personas con las que se realizo esta prueba, fueron personas sin problemas respiratorios. Para la tabla, se tomaron los mejores valores de cada prueba, lo cual se hace en las pruebas de espirometría. Dado que no fue posible utilizar una jeringa de calibración, para calibrar el equipo se utilizaron los valores que se fueron obteniendo durante la realización de esta prueba, para conseguir así un valor de ajuste para el equipo. En la siguiente imagen, se puede observar los resultados de la prueba de la persona 1, en la pantalla LCD.
Figura 4.14 Resultados de la prueba de la Persona 1 Elaboración propia 55
4.5 Análisis de los resultados Una vez concluida la realización del diseño, la construcción del sensor y el montaje se realizaron las pruebas correspondientes y se obtuvieron los siguientes resultados:
El equipo es fácil de utilizar, pero la realización de la prueba de espirometria requiere de un entrenamiento. El equipo posee una buena precisión. La medición de FVC y FEV1 se obtiene de forma rápida. El prototipo es robusto, portátil y cómodo. Los datos generados por el equipo, son recibidos en el ordenador de forma sencilla, y almacenados para su posterior utilización.
4.5.1 Limitaciones y causas de error
A continuación se presentan algunas de las posibles causas de error para las mediciones del equipo diseñado:
Interferencias con otros aparatos electrónicos. La turbina utilizada tiene poca resistencia al movimiento, razón por la cual en ocasiones sobreestima los valores luego de transcurrido un segundo de la prueba.
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El prototipo espera que la turbina envíe el primer pulso para iniciar la prueba; en ocasiones al manejar el equipo se puede generar un pulso antes de comenzar la espiración, lo que produce errores en la prueba.
4.5.2 Prueba de Validación
Para comprobar el funcionamiento del prototipo, se realizo una prueba de validación en la cual se comparo el equipo con un equipo comercial. El equipo comercial utilizado fue un VITALOGRAPH, modelo ALPHA III. Algunas de sus características son las siguientes:
Dimensiones y Peso: 30.5cm x 25.5cm x 12cm, 3.8Kg. Temperatura de operación: de 50 a 140 grafos Fahrenheit. Sensor: Neumotacometro tipo Fleisch. Detección de volumen por integración de flujo. Máximo volumen: 8 L.
Figura 4.15 Espirómetro Vitalograph Alpha IIIhttp://www.mercadolibre.com.ar/jm/img?s=MLA&f=86316003_2559.jpg&v=E 57
Figura 4.16 Imagen tomada durante la prueba de Validación Elaboración propia
Para esta prueba se tomaron 8 personas y se les realizo una prueba de espirometria con el prototipo y con el espirómetro VITALOGRAPH. Cada persona realizo 3 espiraciones con cada equipo, tomando en cada caso el mejor valor de cada prueba; de esta forma es como se realizan las pruebas de espirometría. Estos valores obtenidos, se pasaron a una tabla. En esta tabla también se muestra el error de la medición del prototipo con respecto a la medición del equipo comercial. A continuación se muestran las tablas.
Tabla 4.4. FVC prototipo y FVC Equipo Co mercial
Persona Persona Persona Persona Persona Persona Persona Persona
1 2 3 4 5 6 7 8
Edad
Sexo
Masa C.
Estatura
FVC Prototipo
FVC Vitalograph
Error
19 25 22 20 27 19 26 20
F F M M M F M M
55 47 80 85 80 47 95 80
170 155 175 175 182 160 187 171
3,70 3,22 4,40 4,70 4,45 3,51 5,10 4,32
3,60 3,33 4,11 4,62 4,80 3,51 5,23 4,20
2,70% 3,30% 7,05 % 1,73 % 7,29% 0% 2,48% 2,85%
58
Tabla 4.5. FEV1 prototipo y FEV1 Equipo Comercial
Persona Persona Persona Persona Persona Persona Persona Persona
1 2 3 4 5 6 7 8
Edad
Sexo
Masa C.
Estatura
FEV1 Prototipo
FEV1 Vitalograph
Error
19 25 22 20 27 19 26 20
F F M M M F M M
55 47 70 85 80 47 95 80
170 155 170 175 182 160 187 171
3,00 2,82 3,72 3,89 3,99 2,61 4,11 3,69
3,10 2,89 3,67 3,80 3,91 2,41 4,01 3,69
3,22% 2,42% 1,36% 2,36% 2,3% 8% 2,5% 0%
En la figura 4.17, se pueden observar los resultados de la prueba de validación para la persona 3.
Figura 4.17 Resultados de la prueba de validación de la Persona 3 Elaboración propia 59
