espirometro final

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ESPIROMETRO OBJETIVOS Diseñar un espirómetro con el MPS3110 Analizar el funcionamiento de fisiologico del cuerpo humano para adquirir la señal de espirometria. Conocer los parámetros de el espirómetro. Analizar el funcionamiento de un espirómetro para adquirir una aproximación al diagnostico sobre el tipo alteraciones vetilatoria (obstructivo, restrictivo) que padecería el paciente MARCO TEORICO La espirometría es una prueba médica básica para el estudio de la función respiratoria; consiste en la medición del volumen de aire exhalado o inhalado en función del tiempo y de la velocidad a la cual el volumen está cambiando en el tiempo (flujo respiratorio)]; es una prueba sencilla y no invasiva. Es una herramienta útil para detectar, seguir y manejar enfermedades respiratorias, brindando amplia información desde el punto de vista funcional, incluyendo la naturaleza del defecto (obstructivo, restrictivo); existen, como en toda prueba, indicaciones y contraindicaciones para la espirometría. La espirometría, como la presión de sangre, es una prueba útil de la salud general; pero en ciertas situaciones será requerido realizar otras pruebas más para encontrar con exactitud el problema respiratorio que padecería el paciente. La espirometría se realiza principalmente en los hospitales, especialmente en sus departamentos de neumología donde existen ambientes acondicionados para este tipo de prueba; también se realiza de manera ambulatoria, principalmente para el seguimiento de algunas enfermedades respiratorias. Están constituidos por un sensor mecánico y/o electrónico, un procesador y una impresora o modo de despliegue de datos con la información de: Mediciones gráficas de curvas volumen-tiempo

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EQUIPO DE BIOMEDICA

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Page 1: Espirometro Final

ESPIROMETRO

OBJETIVOS

Diseñar un espirómetro con el MPS3110 Analizar el funcionamiento de fisiologico del cuerpo humano para adquirir la señal de

espirometria. Conocer los parámetros de el espirómetro. Analizar el funcionamiento de un espirómetro para adquirir una aproximación al

diagnostico sobre el tipo alteraciones vetilatoria (obstructivo, restrictivo) que padecería el paciente

MARCO TEORICO

La espirometría es una prueba médica básica para el estudio de la función respiratoria; consiste en la medición del volumen de aire exhalado o inhalado en función del tiempo y de la velocidad a la cual el volumen está cambiando en el tiempo (flujo respiratorio)]; es una prueba sencilla y no invasiva. Es una herramienta útil para detectar, seguir y manejar enfermedades respiratorias, brindando amplia información desde el punto de vista funcional, incluyendo la naturaleza del defecto (obstructivo, restrictivo); existen, como en toda prueba, indicaciones y contraindicaciones para la espirometría. La espirometría, como la presión de sangre, es una prueba útil de la salud general; pero en ciertas situaciones será requerido realizar otras pruebas más para encontrar con exactitud el problema respiratorio que padecería el paciente.

La espirometría se realiza principalmente en los hospitales, especialmente en sus departamentos de neumología donde existen ambientes acondicionados para este tipo de prueba; también se realiza de manera ambulatoria, principalmente para el seguimiento de algunas enfermedades respiratorias.

Están constituidos por un sensor mecánico y/o electrónico,un procesador y una impresora o modo de despliegue de datos con la información de:

Mediciones gráficas de curvas volumen-tiempo

Mediciones gráficas de flujo-volumen (espirogramas)

FVC (capacidad vital forzada) y FEV1(Volumen espiratorio forzado en el primer segundo)

Información del paciente

Usualmente poseen además valores predictivos considerados normales que servirán como referencia para obtener un porcentaje

Page 2: Espirometro Final

En la actualidad existen recomendaciones para la estandarización de espirómetros, por ejemplo las de la ATS (American Thoracic Society), OSHA (Occupational Safety & Health Administration), NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health) y ERC (European Respiratory Committee). Estas recomendaciones aplican principalmente a la parte física y algunos requerimientos del despliegue de datos.

En el ámbito deportivo internacional, se realiza comúnmente esta prueba como control en la evolución de la capacidad pulmonar de los deportistas, reportándose como una herramienta muy útil para la supervisión de la salud de deportistas de alto rendimiento.

El Sistema Respiratorio

El control de la respiración ocurre en diferentes partes del cuerpo como en la estructura pulmonar y en la cerebral [Johnson, 1991], por lo que además de ser un proceso orgánico vital, se caracteriza por un funcionamiento complejo. La regulación respiratoria es un criterio esencial para medir la fortaleza física, pues ocurre para el intercambio adecuado de gases (transporte de oxígeno del exterior hasta la sangre y del dióxido de carbono en sentido opuesto), control del ritmo respiratorio, protección y liberación de sustancias tóxicas, colaboración junto con el riñón en la regulación del PH, disminución de costos de energía, termorregulación y contribución en la homeostasis (mantenimiento interno aceptable), entre otras.

El control respiratorio en la estructura pulmonar inicia cuando el aire entra al sistema a través de la nariz o la boca. El aire que entra por la nariz es filtrado, calentado a la temperatura corporal y humedecido a su paso por la nariz y cornetes nasales para protección de los alvéolos. El aire inspirado entra en las vías aéreas a través de la nasofaringe y, el respirado por la boca a través de la orofaringe. Luego pasa por la glotis, la laringe y entra al árbol traqueo- bronquial. A partir de la tráquea, el aire puede ser conducido a través de 10 o hasta 23 generaciones o ramificaciones en su tránsito hacia los alvéolos. En los alvéolos se pone en contacto directo con la sangre venosa de los capilares pulmonares.

Elementos del Sistema Respiratorio Humano

Page 3: Espirometro Final

Volúmenes y Capacidades Pulmonares

El volumen de gas en los pulmones, depende en cualquier momento de la mecánica de éstos, al igual que de la pared torácica y de la actividad de los músculos de la inspiración y espiración. El volumen pulmonar puede alterarse por procesos patológicos y fisiológicos.En general los volúmenes pulmonares se expresan a la temperatura del cuerpo y presión ambiental, y saturación del vapor de agua (TCPS).

Existen cuatro volúmenes pulmonares estándar y cuatro capacidades pulmonares estándar que constan de dos o más volúmenes en combinación:

Espirograma del ciclo respiratorio con capacidades y volúmenes estándar

VC (Volumen Corriente o Volumen Tidal.)

Se denomina volumen corriente al volumen de aire movilizado en cada respiración normaly tranquila (eupnea). Es de aproximadamente 500 ml. Equivale al 3% del peso corporal ideal.

VIR (Volumen Inspiratorio de Reserva o Volumen de Reserva Inspiratoria)

El volumen de reserva inspiratoria es el máximo volumen de aire que puede ser inspiradoa partir del volumen corriente, es decir, el volumen que puede inhalarse al final de una inspiración normal; es aproximadamente de 3.1 lts. Equivale aproximadamente al 50% dela capacidad pulmonar total (CPT).

VER (Volumen Espiratorio de Reserva o Volumen de Reserva Espiratoria)

Es el máximo volumen de aire que puede ser espirado durante una espiración forzada máxima, es decir, es el volumen evaluado a partir de finalizar la espiración tranquila. Equivale a cerca del 20% de la capacidad pulmonar total con un volumen de 1.2 lts.

Page 4: Espirometro Final

VR (Volumen Residual)

El volumen residual es el volumen de aire que permanece en el pulmón después de una espiración máxima. El aumento de este valor indica atrapamiento aéreo y su ausencia provocaría que los pulmones se colapsaran. En condiciones normales es de 1.2 lts y equivale al 20% de la capacidad pulmonar total aproximadamente.

CPT (Capacidad Pulmonar Total)

Es la máxima cantidad de aire que albergan los pulmones después de una inspiración forzada, que es de aproximadamente 6 litros. Es la suma del volumen corriente (VC), el volumen inspiratorio de reserva (VIR), el volumen espiratorio de reserva (VER) y el volumen residual (VR).

CPT VC VIR VER VR

CV (Capacidad Vital)

Se denomina capacidad vital al volumen de aire capaz de ser movilizado por los pulmones.

Es la suma del volumen corriente (VC), el volumen de reserva inspiratoria (VIR) y el volumen espiratorio de reserva (VER). Es de aproximadamente 4.8 litros y equivale a cerca del 80% de la capacidad pulmonar total.

CV VC VIR VER

CI (Capacidad Inspiratoria)

La capacidad inspiratoria es la suma del Volumen Corriente o Tidal y el Volumen de Reserva Inspiratoria. En términos de la espiración corresponde al máximo volumen que puede inhalarse después de una espiración normal. Su valor es de aproximadamente 3.6 litros y equivale a cerca del 60% de la capacidad pulmonar total.

CI VC VIR

CRF (Capacidad Residual Funcional)

La capacidad residual funcional es la cantidad de aire que permanece en los pulmones después de una espiración normal. Corresponde a la sumatoria del volumen espiratorio de reserva y el volumen residual. Esta cantidad varia según la postura, la grasa corporal o la actividad física y esta mezcla de gases se renueva constantemente por el volumen ventilatorio.

CRF VER VR

Page 5: Espirometro Final

Espirometría

La espirometría consiste en el análisis de la magnitud de los volúmenes pulmonares y la rapidez de movilización de los mismos bajo circunstancias controladas. La prueba espirométrica o espirográfica consiste en realizar una inspiración máxima seguida de una espiración forzada en una boquilla especial, constituyendo una prueba relativamente simple y reproducible gráficamente. El espirómetro permite obtener el trazado o registro volumen- tiempo y el de flujo volumen de la respiración

El espirómetro ofrece una muy baja resistencia para respirar y, con la colaboración aceptable del paciente, la forma de la curva espirométrica es puramente función de la capacidad pulmonar del mismo, el estado de su pecho y de la resistencia del aire.

A volúmenes pulmonares altos, un aumento en la presión intrapleural resulta en grandes expiraciones de flujo. Sin embargo a volúmenes pulmonares intermedios y bajos, el flujo espiratorio es independiente del esfuerzo a partir de una presión intrapleural alcanzada

Es importante hacer notar que un espirómetro no puede proveer de mediciones referentes a volumen residual (RV), Capacidad Residual Funcional (FRC) o la capacidad pulmonar total sólo por mediciones del volumen espirado. La capacidad funcional residual depende del tamaño corporal incrementando aproximadamente 32-51 ml/cm de altura, sexo, postura de la prueba, determinando así si un factor patológico está afectando el funcionamiento del pulmón considerado normal. Para control de la capacidad residual funcional se recurre a mediciones del nitrógeno espirado, prueba helio inspirado o prueba pletismográfica.

El uso básico de la espirometría es para la detección de enfermedades restrictivas y obstructivas, resultado de un incremento de la resistencia al flujo en las vías respiratorias que puede deberse a:

Deterioro de la estructura alveolar que resulta en un cierre prematuro de las vías aéreas.

Disminución en el diámetro de las vías causado por un broncoespasmo o presencia de secreciones que incrementa la resistencia al flujo.

Bloqueo parcial de las vía traqueo-faríngea que en casos extremos puede deberse aun tumor que disminuya el diámetro de la vía ocasionando un flujo turbulento.

Los resultados de las pruebas espirométricas se utilizan para tomar decisiones en pacientes y pueden tener un efecto importante sobre el estilo y normas de vida así como en el futuro tratamiento de una persona.

Parámetros Espirométricos

Page 6: Espirometro Final

Las principales mediciones que resultan de utilidad en la espirometría son: FVC:

Capacidad Vital Forzada Consiste en inhalar profundamente hasta llenar completamente los pulmones y exhalar con la mayor fuerza y rapidez posible, de manera que el paciente quede sólo con el volumen de reserva en los pulmones. Es expresado mediante las curvas espirométricas.

FEV1: Volumen Espiratorio Forzado en el primer segundo

Es el volumen de aire exhalado en el primer segundo con una espiración forzada después de una inspiración profunda. Figura como un índice altamente representativo de la capacidad ventilatoria y es el indicativo habitual de obstrucción de flujo aéreo. Es un valor dependiente de la edad, talla, sexo y raza.

FEF 25- 75%: Flujo Espiratorio Forzado

Representa la velocidad máxima de flujo espirado y mide el promedio de flujo entre el 25% y el 75% de la Capacidad Vital Forzada. Es independiente del esfuerzo espiratorio y diagnostica alteraciones obstructivas.

FEP o PEF: Flujo Espiratorio Pico o Flujo Espiratorio Máximo (FEM)

Informa de la calidad técnica y del esfuerzo realizado por el paciente durante la prueba. Los resultados pueden afectarse en caso de enfermedades neuromusculares y lesiones obstructivas de tráquea, laringe, bronquios u obstrucción severa de las vías aéreas intratorácicas.

VEF1%: Índice de Tiffenau (VEF1/CVF)

Un concepto importante encontrado frecuentemente en la literatura médica en temas respiratorios y considerado muy útil en la práctica clínica, es el Índice de Tiffenau, que establece una relación del volumen de aire espirado en función del tiempo y, refleja la fracción de la capacidad vital expulsada durante el primer segundo de una espiración forzada precedida de una inspiración también forzada. La determinación del Índice de Tiffenau, expresado usualmente como porcentaje, permite diferenciar de modo sencillo trastornos ventilatorios de origen obstructivo y restrictivo.

Requerimientos Generales en el Diseño de Espirómetros

Diferentes Instituciones Internacionales como la ATS (Sociedad Americana del Tórax), la AARC (Asociación Americana de cuidado Respiratorio), la ERC (Comité Respiratorio Europeo), OSHA (Administración de Salud y Seguridad Ocupacional) y NIOSH (Instituto Nacional para la Salud y Seguridad Ocupacional), han establecido estándares y recomendaciones para el diseño de espirómetros referentes a la resolución (mínimo flujo y volumen detectable) y linealidad del instrumento, así como la gama de valores usuales de tiempo, flujo y volumen.

A continuación se presenta los requerimientos por parte de la ATS que poseen gran validez internacional.

Page 7: Espirometro Final

Del tipo de Prueba:

Recomendaciones de Diseño Espirométrico ATS

PRUEBA PRECISIÓNGAMA DE FLUJO

CV FVC FEV

Desde 0.5 hasta 8 L con precisión de 0.05 L

FEF 25- 75%Desde 0 hasta 12

L/s con precisión de De 0 a 14 L/s

De la Visualización del Espirograma:

Recomendaciones de Visualización de Espirogramas ATS

GRÁFICA EJE DE VOLUMEN EJE DE FLUJO EJE DE TIEMPO

Volumen/Tiempo 5mm-1L - 10mm=1s

Flujo/VolumenRazón 1:2

(1L vol :2 L/s flujo)

Razón de 2:1

(2L/s flujo: 1L vol)-

El diagrama a bloques de un espirómetro de flujo digital se presenta en la Figura.

Éste en resumen consta del sensor de flujo gaseoso (neumotacógrafo), un transductor de presión, el circuito de acoplamiento, un convertidor A/D y un dispositivo computacional que incluye el acoplamiento en hardware, procesamiento digital y el desarrollo de software.

Page 8: Espirometro Final

MATERIALES

Sensor de Presion MPS3110 Potenciometros Trimpod

OPAMP TL072 Condensador cerámicos

Resistencias Tubos

PIC 16f877A LCD 16x2

Page 9: Espirometro Final

SIMULACION

Un amplificador diferencial Este circuito permite obtener en el punto y con referencia a la masa una forma de onda amplificada de la tensión "oscilante" suministrada entre los puntos y por el detector .

Un amplificador Este último circuito permite generar una tensión de "offset" (o de desviación) en el punto de salida de salida del amplificador diferencial de modo que la tensión del salida del amplificador final sea nula cuando el nivel de aire de la columna corresponda al valor cero de la escala de medida. Sirve también para regular el coeficiente de proporcionalidad entre el nivel (o la presión) y la tensión de salida

3

26

74 8

1

U1

OP07A

3

26

74 1 5

U2

UA741

R4

200k

R5

10k

R6

10k

R7200k

R8100k

R10

10k

50%

RV2

10k

R9

100k

R115.6k

SW1

SW-SPDT-MOM

R12

150k

34%

RV322k

0%

RV422k

50%

RV510k

U1(V-)

U1(V+)

U2(V-)

U2(V+)

RV5(3)

+88.8

Volts

R8(2)

0%

RV6

1k

0%

RV7

1k

94%

RV8

1k

0%

RV9

1k

+88.8

Volts

+88.8

Volts

+88.8

Volts

FIG A

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-/CVREF4

RA4/T0CKI/C1OUT6

RA5/AN4/SS/C2OUT7

RE0/AN5/RD8

RE1/AN6/WR9

RE2/AN7/CS10

OSC1/CLKIN13

OSC2/CLKOUT14

RC1/T1OSI/CCP2 16

RC2/CCP1 17

RC3/SCK/SCL 18

RD0/PSP0 19

RD1/PSP1 20

RB7/PGD 40RB6/PGC 39

RB5 38RB4 37

RB3/PGM 36RB2 35RB1 34

RB0/INT 33

RD7/PSP7 30RD6/PSP6 29RD5/PSP5 28RD4/PSP4 27RD3/PSP3 22RD2/PSP2 21

RC7/RX/DT 26RC6/TX/CK 25RC5/SDO 24

RC4/SDI/SDA 23

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI 15

MCLR/Vpp/THV1

U1

PIC16F877A

D7

14D6

13D5

12D4

11D3

10D2

9D1

8D0

7

E6

RW

5RS

4

VSS

1

VDD

2

VEE

3

LCD1LM016L

Page 10: Espirometro Final

FIG BEn la figura B se muestra una medida de FVC

PROGRAMACION

#INCLUDE "C:\Program Files (x86)\PICC\Devices\16f877a.h"#device adc=8#fuses xt,nowdt,nolvp#use delay(clock=4000000)

#INCLUDE "C:\Program Files (x86)\PICC\\Drivers\lcd.c"void main(void){

float d,x,y,z;lcd_init();setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_8);setup_adc_ports(AN0);set_adc_channel(0);delay_ms(30);printf(lcd_putc,"\f ESPIROMETRO");printf(lcd_putc,"\n DIGITAL");delay_ms(1000);

BUCLE: d=read_adc();z=d-25; //Resto el 0.5Vx=((5*z)/255)*2.56*1000; //La constante 2.56 es del espirometro

printf(lcd_putc,"\fFVC=%f mL",x);

delay_ms(200);

if(x>3500){printf(lcd_putc,"\fFVC=%f mL",x); //cuando sobrepasa los 3500ml se muestra

delay_ms(5000); // 5 segundos en la pantalla}

if(x>4000){printf(lcd_putc,"\fFVC=%f mL",x); //cuando sobrepasa los 4000ml se muestra

delay_ms(5000); // 5 segundos en la pantalla}

goto BUCLE;}

Page 11: Espirometro Final

IMPLEMENTACION

Se construye con tubos una boquilla y de hay sale un tubo pequeño donde irá al sensor de presión

FIG C

Se procede a adaptar un tubo pequeño a la eje del MPS3110

FIG D FIG E

Se procede conectarlo según el datasheet hay que tener cuidado de que no hay ninguna fuga de aire para no tener ninguna lectura erronea

Page 12: Espirometro Final

La siguiente figura muestra la parte del amplificador puesto que las señales del MPS3110 son el orden de los milivoltios (mV) por eso se necesita un amplificador diferencial donde su salida será de 0 a 2 voltios con aquel voltaje ya puede ser utilizado en el microcontrolador.

FIG F

La señal amplificada y acoplada a una de las entradas del microcontrolador para su conversión y visualización mediante un LCD 16x2 el estado inicial es 0.00 L

FIG G

Page 13: Espirometro Final

El sistema de espirómetro digital se muestra con todas sus etapas ya descritas antes se muestra en la siguiente figura H

FIG H

CONCLUSIONES

1. Hay muchas causas importantes de mortalidad a las enfermedades respiratorias (neumonía, influenza, tuberculosis, etc.), por tanto es importante las pruebas de función respiratoria.

2. La espirometría, es una prueba sencilla, en comparación con las otras, pero aquí, su uso aún no está generalizado; con este prototipo desarrollado se obtendrán parámetros espirométricos, que brindan información relevante para conocer el estado de salud del paciente.

3. Se tiene que tener en cuenta tener cuidado con en el sensor puesto que no debe haber ninguna fuga de aire porque ocasionaría una medición errónea

4. Se tiene que hacer la prueba normalmente mas de una vez para hacer una buena comparación de los resultados de espirometria.

5. El circuito lo que mide es la FVC en donde se tiene que respirar hondo y soplar con la mayor fuerza posible.

Page 14: Espirometro Final

ANEXO