1 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS CONVERSIÓN ELECTROMAGNÉTICA
PRIMER AVANCE: DISPOSITIVO DE TRATAMIENTO ELECTROMAGNÉTICO Astrid Bello Torres (20152007046), Cristhian Diaz Reyes (20152007030), Mateo Castiblanco Perez (20152007034).
[email protected],
[email protected],
[email protected] Universidad Distrital Francisco José de Caldas
II. A.
OBJETIVOS
Objetivo general: general:
Diseñar un modelo de dispositivo de tratamiento electromagnético que trabajara en coordinación con un medidor de oximetría ➢
B. ✓
Objetivos específicos: específicos:
Investigar y reconocer los principios básicos para el diseño.
✓ Diseño de un dispositivo seguro y portable . ✓ Construcción del dispositivo. ✓Realización de pruebas y verificación. ✓Validación del dispositivo.
Resumen — En este escrito se dará a conocer la planeación e información pertinente para el diseño de un modelo de disp dispos osit itiv ivo o de trat tratam amie ient nto o elec electr trom omag agné néti tico co que que trab trabaj ajar ara a en coor coordi dina naci ción ón con con un medi medido dorr de oxime oximetr tría, ía, para para así así cont contro rolar lar los niveles de oxigenación en la sangre.
Palabras Clave — Oximetría, Prototipo, Oxigeno, Sensor.
Biomedicina,
Software,
Abstract—In Abstract—In this paper, the planning and pertinent info inform rmat atio ion n for for the the desi design gn of a mode modell of elec electr trom omag agne neti ticc trea treatm tmen ent t devi device ce that that work workss in coor coordi dina nati tion on with with an oxim oximet etry ry mete meterr was was made made known, so that oxygenation levels in the blood can also be controlled. Oximet etry ry,, Biom Biomed edic icin ine, e, Soft Softwa ware re,, Prot Protot otyp ype, e, Keywords— Oxim Oxygen, Sensor.
III. MARCO TEÓRICO ✓ Los Campos Electromagnéticos (CEM) Son Son un unaa comb combin inac ació iónn de on onda dass eléc eléctr tric icas as y magn magnét étic icas as qu quee se desp despla laza zann simu simult ltán ánea eame ment ntee y se prop propag agan an a la velo veloci cida dadd de la luz. luz. Los Los camp campos os eléc eléctr tric icos os (CE) (CE) tien tienen en su orig origen en en las las carg cargas as qu quee exis existe tenn en la natu natura rale leza za.. Los Los camp campos os magn magnét étic icos os (CM) (CM) en las corrientes eléctricas, o sea, en el movimiento de cargas elé eléctri ctrica cass qu quee pu pued eden en apar apareecer cer cua cuand ndoo se po pone ne en march archaa un aparato eléctrico y fluye la corriente; cuanto mayor sea la intensidad de esta, mayor será la del campo magnético.
Es impo port rtan antte def defini inir los los sigui iguieente ntes con once cept ptos os par para mayor ayor comprensión de los CEM: • Frecuencia (f): se define como el número de cambios comp comple leto toss po porr segu segund ndoo del del camp campoo eléc eléctr tric icoo o magn magnét étic icoo en un I NTRODUCCIÓN I. punto dado y se expresa en Hercio (Hz), kilohercio (KHz), megahercio (MHz), gigahercio (GHz), terahercio (THz). A trav través és del del tiem tiempo po,, el ho homb mbre re siem siempr pree ha bu busc scad adoo la solu soluci ción ón • Longitud de onda (lambda, l): es la distancia entre dos de mejorar el funcionamiento del cuerpo o superar una crestas o dos valles consecutivos de la onda (máximos o enfe enferm rmed edad ad a trav través és de la medi medici cina na,, ciru cirugí gías as y el cons consum umoo de míni mínimo moss). Se expr expreesa en nanó nanóme metr troo (nm (nm), milí milím metro etro (mm (mm), medicamentos, estas son las formas como actualmente se centímetro (cm), metro (m), kilómetro (km). trat tratan an a los paci pacien enttes, es, pero pero a vec veces está stá meto etodo dollog ogía íass no son son • Inte Intens nsid idad ad del del camp campoo eléc eléctr tric icoo (E): (E): corr corres espo pond ndee a la fuer fuerza za muy muy efec efecti tiva vass efec efecti tiva va o trae traenn efec efecto toss secu secund ndar ario ios, s, qu quee pu pued eden en ejerci ejercida da sobre sobre una partíc partícula ula cargad cargadaa indepe independi ndient enteme emente nte de su afec afecta tarr a otro otross órga órgano noss en el cuer cuerpo po,, desc descom ompe pens nsad adoo el bu buen en movimiento en el espacio. Se expresa en volt o kilovolt por funcionamiento de este. metro (V/m o kV/m).2,4 • Inte Intens nsid idad ad de camp campoo magn magnét étic icoo (H): (H): es corr corres espo pond ndie ient ntee con con Esto nos ha llevado a plantearnos si , ¿con el uso de los la fuerza que recibe una carga que se mueve en un entorno cono conoci cimi mien ento toss adqu adquir irid idos os du dura rant ntee la carr carrer era, a, po podr dría íamo moss deja dejar r próximo a una corriente eléctrica o un campo magnético de un lado los tratamientos usados y emplear nuevas est estátic áticoo en el vací vacío. o. Se pu pued edee exp xpre resa sarr en ampe ampere ress po porr metro etro alternativas para tratar una enfermedad?, por esto se tiene (A/m). planeado diseñar un dispositivo que en teoria podria ayudar a • Dens Densid idad ad del del fluj flujoo magn magnét étic icoo o indu inducc cció iónn magn magnét étic icaa (B): (B): es mejo mejorrar los los nive nivelles de oxí oxígeno geno en la sang sangrre, haci aciendo endo uso uso de la intensidad de campo magnético que se genera sobre las principios de campos electromagnéticos, electromagnéticos, ya que estos en teoría cargas que se mueven en un medio no vacío. Se expresa en podrían estimular el flujo del oxígeno en la sangre, haciendo teslas (T), militeslas (mT), microteslas (µT) o gauss(G) y anal analog ogía ía con con un circ circui uito to eléc eléctr tric ico, o, do dond ndee las las vena venass seri serian an los los miligauss (mG); donde 1 G = 100 µT y 1 mG = 0,1 µT. conductores.
2 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS CONVERSIÓN ELECTROMAGNÉTICA http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1561-3 0032014000200007
plaquetas, y una fase líquida, representada por el plasma sanguíneo.
Cuanto más elevada es su frecuencia mayor es la cantidad de energía que transporta la onda. Se clasifican en dos grandes grupos: Radiaciones ionizantes (con capacidad para romper los enlaces entre las moléculas) y radiaciones no ionizantes. La Organización Mundial de la Salud (OMS) subdivide estas últimas en:
La sangre se compone de células y componentes extracelulares. Estas dos fracciones tisulares vienen representadas por:
• Campos electromagnéticos estáticos, no variables en el tiempo.- están presentes en los trenes de levitación magnética, sistemas de resonancia magnética para diagnóstico médico y los sistemas electrolíticos en aplicación industrial experimental. • Campos electromagnéticos de frecuencia extremadamente baja (FEB, o ELF) hasta 300 Hz.- presentes en los equipos relacionados con la generación, transporte o utilización de la energía eléctrica de 50 Hz (frecuencia industrial), líneas de alta y media tensión y los aparatos electrodomésticos (neveras, secadores de pelo, etc.). Campos de frecuencia intermedia (FI), con frecuencias de 300 Hz a 10 MHz y que incluyen las pantallas de ordenador, los dispositivos antirrobo y los sistemas de seguridad. Campos de radiofrecuencia (RF), con frecuencias de 10 MHz a 300 GHz.- ondas de radio, la televisión, las antenas de radares y telefonía móvil, los teléfonos móviles e inalámbricos, los dispositivos Wi-Fi, bluetooth y los hornos de microondas. http://www.osakidetza.euskadi.eus/contenidos/informacion/sal ud_amb_campos_electrom/es_def/adjuntos/cem_es.pdf para los otros parrafos es estee
• Los elementos formes: son elementos semisólidos y corpúsculos representados por células y componentes derivados de células. • El plasma sanguíneo: un fluido traslúcido y amarillento que representa la matriz extracelular líquida en la que están suspendidos los elementos formes. Este representa un medio isotónico para las células sanguíneas. Los elementos formes constituyen alrededor del 45 % de la sangre. Tal magnitud porcentual se conoce con el nombre de hematocrito. El otro 55 % está representado por el plasma sanguíneo. Los elementos formes de la sangre son variados en tamaño, estructura y función, y se agrupan en: • Las células sanguíneas, que son los glóbulos blancos o leucocitos, células que "están de paso" por la sangre para cumplir su función en otros tejidos; • Los derivados celulares, que no son células estrictamente sino fragmentos celulares; están representados por los eritrocitos y las plaquetas; son los únicos componentes sanguíneos que cumplen sus funciones estrictamente dentro del espacio vascular. Hemoglobina La hemoglobina es una heteroproteína de la sangre, de color rojo característico, que se encarga de transportar el oxígeno en la sangre desde los órganos respiratorios hasta los tejidos y células del organismo, donde lo descarga y recoge el dióxido de carbono para transportarlo hasta los pulmones donde es eliminado. También participa en la regulación del pH. ✓
✓ Oxígeno Es un elemento químico que suele presentar la siguiente forma molecular: O2. Es un gas a temperatura ambiente, incoloro e inodoro. La atmósfera terrestre contiene un 20,9% de oxígeno. Participa de forma importante en el ciclo energético de los seres vivos y es esencial en la respiración celular de los organismos aeróbicos. ✓ La sangre La sangre es un tejido conectivo líquido, que circula por capilares, venas y arterias de todos los vertebrados. Su color rojo característico es debido a la presencia del pigmento hemoglobínico contenido en los glóbulos rojos. Transporta oxígeno, alimentos y productos de desecho.Su función principal es la logística de distribución e integración sistémica, cuya contención en los vasos sanguíneos (espacio vascular) admite su distribución (circulación sanguínea) hacia prácticamente todo el organismo.
Es un tipo de tejido conjuntivo especializado, con una matriz coloidal líquida y una constitución compleja. Tiene una fase sólida (elementos formes), que incluye a los eritrocitos (o glóbulos rojos), los leucocitos (o glóbulos blancos) y las
Ilustración 1 Hemoglobina Tiene una estructura cuaternaria, la cual le confiere las propiedades necesarias para realizar su función. Está formada por cuatro subunidades, cada una de las cuales está formada por un anillo férrico rodeado de una cadena peptídica. La molécula de la hemoglobina tiene cuatro cadenas peptídicas que existen en pares. En la hemoglobina normal de un adulto,
3 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS CONVERSIÓN ELECTROMAGNÉTICA dos de estas cadenas son de tipo alfa (α) y dos de tipo beta (β). Cada subunidad puede unirse de forma reversible con una molécula de oxígeno. Cada molécula de hemoglobina puede combinarse con cuatro moléculas de oxígeno como máximo. Cuando la hemoglobina está unida al oxígeno se denomina oxihemoglobina o hemoglobina oxigenada (HbO2), dándole el aspecto rojo intenso característico de la sangre arterial. Cuando pierde el oxígeno, se llama hemoglobina reducida (Hb), presentando el color rojo oscuro o azulado de la sangre venosa. La diferencia entre la oxihemoglobina (HbO2) y la hemoglobina reducida (RHb) es lo que nos va a permitir calcular la saturación de oxígeno (SaO2).
verdes y rojos. El aumento de la acidez (pH decreciente) mueve la curva a la derecha debido a un aumento de la cantidad de iones de hidrógeno que altera la estructura de la molécula de hemoglobina y su capacidad de transporte de oxígeno disminuye. El mismo efecto se produce cuando la presión parcial de dióxido de carbono aumenta y más iones de hidrógeno están disponibles en la sangre. Además, el aumento de temperatura y de la concentración de 2,3-difosfoglicerato (DPG), producto de la glucólisis, ayuda a la descarga de oxígeno de la hemoglobina y la curva se mueve a la derecha. El aumento de las concentraciones de dishemoglobina mueve la curva a la izquierda. Transporte de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre
El oxígeno y el dióxido de carbono se transportan en la sangre de diferentes maneras. El oxígeno se transporta ya sea en estado disuelto o en combinación química con la hemoglobina en las glóbulos rojos de la sangre. Sólo alrededor del 1,5% de oxígeno se disuelve en el plasma sanguíneo y el resto se une a la molécula de hemoglobina. La Ilustración. 3 presenta la estructura de la molécula de hemoglobina. La estructura cuaternaria de la hemoglobina se compone de globina, una proteína compuesta de dos alfa y dos cadenas polipeptídicas beta y cuatro pigmentos no proteicos llamados hemos.
Ilustración 2. Curva de disociación del oxígeno en la hemoglobina La curva de disociación de oxígeno se muestra en la Ilustración 2. y presenta el nivel de saturación de oxígeno de la hemoglobina como una función de la presión parcial de oxígeno (PO2) o, en otras palabras, la afinidad del oxígeno para la hemoglobina. La forma de la curva tiene ventajas fisiológicas. La parte superior plana significa que, a pesar de cambios relativamente altos en PO2 en la respiración externa el nivel de saturación será alto. Normalmente el nivel de PO2 de la sangre oxigenada en las arterias es de unos 100 mmHg. La parte inferior empinada significa que grandes cantidades de oxígeno pueden ser liberadas sin una gran caída en PO2 capilar durante la respiración interna. El PO2 de la sangre desoxigenada en venas es de aproximadamente 40 mmHg. Durante el ejercicio o la mayor actividad metabólica, la presión parcial puede disminuir a cerca de 20 mmHg. Muchos factores externos mueven la curva de disociación o bien hacia la izquierda (mayor afinidad) donde el oxígeno se une con más fuerza a la hemoglobina o a la derecha (menor afinidad) donde el oxígeno se libera más fácilmente. Estos cambios se ilustran en la Ilustración 2.4 con líneas de puntos
Un hemo contiene un átomo de hierro (Fe2+) que está normalmente en el estado de oxidación ferroso para apoyar la unión de oxígeno. El cambio en la forma de la estructura cuaternaria con el nivel de oxigenación altera el espectro de absorción óptica.
Ilustración 3. Hemo, molécula de hemoglobina y glóbulo rojo El oxígeno y la hemoglobina se combinan en una reacción fácilmente reversible para formar oxihemoglobina (HbO2). Después de que la primera molécula de oxígeno se une a un hemo de la molécula de hemoglobina, es más fácil para otras moléculas de oxígeno unirse a los otros hemos. Esto es cierto también para la reacción inversa. La hemoglobina puede unirse a otros compuestos además del oxígeno, como el monóxido de carbono, cianuro, monóxido de
4 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS CONVERSIÓN ELECTROMAGNÉTICA azufre, dióxido de nitrógeno y sulfuro. Todos estos se unen al hierro en el hemo inhibiendo la unión a oxígeno. También el estado férrico (Fe3+), convierte la hemoglobina en metahemoglobina (HbMet), que no puede unirse al oxígeno. El dióxido de carbono es transportado en la sangre de tres maneras: alrededor del 7% se disuelve en el plasma sanguíneo, el 23% se combina con globina formando productos llamados compuestos carbaminos, y el resto como iones de bicarbonato dentro de las células rojas de la sangre.
estación de control de inducción de las bobinas, de dos formas: variando la corriente que se inyecta de tipo DC o variando la frecuencia de la tensión de excitación de cada bobina. El control podrá hacerse de igual forma de manera conjunta. La selección de estas maneras de control debe ser gestionada a partir de una aplicación de software y de la misma forma debe posibilitar su gestión manual. El brazo ingresara en un cilindro, posiblemente de pvc, que le permita estar aislado de choques eléctricos, pues la idea es que la influencia sobre el torrente sanguíneo la realicen los campos electromagnéticos generados y controlados por el dispositivo.
VALOR MÁXIMO DE CORRIENTE QUE SOPORTA UNA PERSONA
Ilustración n+1. Tubo pvc para aislar el brazo.
Ilustración 4. efectos de la corriente en el cuerpo. IV. ELEMENTOS DEL DISPOSITIVO Se debe diseñar un modelo de dispositivo de tratamiento electromagnético que trabajara en coordinación con un medidor de oximetría (cantidad de oxígeno que se intercambia durante la respiración.
Ilustración n. Bobinas generando campo Magnético en el brazo. El dispositivo estará compuesto por tres bobinas arrolladas en núcleos magnéticos de neodimio (o similar). Cada bobina puede ser excitada de manera independiente a través de una
También se tendrá en cuenta el tener un diseño ergonómico para que tanto el operario como el paciente puedan de manera cómoda operar el dispositivo. (Correcta demarcación, advertencias de operación, superficies de contacto suave).. V. FUNCIONAMIENTO DEL DISPOSITIVO
Ilustración n+2. Efectos del campo magnético en la sangre. Como se puede observar en la Ilustración n+2, los campos magnéticos que serán producidos por el dispositivo, en teoría,
5 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS CONVERSIÓN ELECTROMAGNÉTICA deberían incidir en la sangre, ocasionando que se logre tal separación de las células sanguíneas que permita a estas recoger más oxígeno. Entre más cerca esté el brazo al dispositivo, se reducirá la reluctancia y aumentará el nivel del flujo (por esto es necesario el tubo pvc), de esta manera se incrementa las posibilidades de que el dispositivo funcione. Lo anterior se cumple por la Ley de HopKinson para campos magnéticos:
ϕ
=
F mm ℜ
=
N I
β = Aϕ =
l
μ A
=
N I μ A l
En primer lugar se procede a tomar medidas del O2 en la sangre con ayuda de un oxímetro, eso como referencia. A continuación se procede a activar el dispositivo con una solo bobina activa, si no se nota mejora en el oxímetro se procede a variar la corriente o frecuencia. Si sigue sin causar efecto alguno se irán activando una a una las tres bobinas, variando corrientes y frecuencias (del Voltaje). Después de una serie de pruebas, será posible sacar conclusiones acerca del funcionamiento del dispositivo y su viabilidad.
N I μ l
ϕ = Flujo magnético (Wb) Fmm = Fuerza magnetomotriz (A/v) β = Inducción magnética (T) A = Area Transversal (m^2) μ =Permeabilidad magnética N = Número de vueltas I = Corriente (A) A partir de las ecuaciones se puede decir que, con una reluctancia baja se obtiene un mayor flujo, además se puede concluir que si aumenta la corriente, la inducción magnética también incrementara. Es por esto que en el dispositivo se podrá variar la corriente de cada bobina.
Ilustración n+3. Algoritmo básico de operación del dispositivo El dispositivo tendrá el siguiente funcionamiento:
VI. REFERENCIAS [1
http://www.who.int/peh-emf/about/WhatisEMF/es/ lean este:V, toca rehacer la introduccion ya que solo habla de oximetria :’v , el viernes lanoche IMPORTANTEEE!!!!! http://www.who.int/peh-emf/publications/facts/fs299/es/