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Xpeler, espirometría de fácil acceso.

Resumen

La espirometría es una de las principales pruebas hechas para detectar

enfermedades respiratorias a través del estudio rápido de la función pulmonar, es

útil principalmente en la neumología, el desarrollo de las tecnologías ha permitido

que esta prueba logre hacerse con más facilidad empleando aparatos que miden la

función pulmonar, sin embargo, dichos aparatos solo se encuentran al alcance de

algunos hospitales. Por ello este trabajo pretende comprender el funcionamiento de

estos aparatos para hacer un espirómetro con ayuda de Arduino® y MIT App

Inventor, que sirva como apoyo para la detección de estas enfermedades o

anomalías, y que esta permita cercanía y eficacia a quienes más lo necesitan. Este

no pretende ser una prueba precisa, pero sí muy cercana a una prueba más

detallada, con el fin de dar una prueba que más para la detección de una

enfermedad respiratoria sea más una prueba de prevención.

En este trabajo se emplearon diversos recursos tecnológicos para lograr en primer

lugar la creación del espirómetro y en segundo lugar para elaborar un programa que

se capaz de interpretar los datos recibidos y mostrarlos a los usuarios de este

aparato, también el programa se diseñó para llevar un registro de los usuarios y

almacenar los resultados de la prueba para cada uno de ellos.

Palabras clave: espirometría, detección de enfermedades respiratorias, Arduino,

espirómetro, empleo de las tecnologías .

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Espirómetro

Marco Teórico

Introducción

La tecnología muestra su fundamentación a lo largo de la evolución humana en las

necesidades y del entorno que percibimos, entre estas, la salud ha jugado un papel

primordial desde tiempos inmemoriales, cuyo resultado es la prolongación de la

vida; en países como Francia o Canadá se ha logrado que el promedio de vida llega

hasta 88 años, 77 años en México.

Con el fin de detectar afectaciones que tienen que ver con el sistema respiratorio, se

crearon las pruebas de espirometría. La espirometría es un estudio indoloro del

volumen y ritmo del flujo de aire dentro de los pulmones. Este procedimiento se

utiliza con frecuencia para evaluar la función pulmonar en las personas con

enfermedades pulmonares obstructivas o restrictivas tales como asma o fibrosis

quística.

Sistema respiratorio

El sistema respiratorio tiene como función proporcionar oxígeno (O2) y eliminar el

dióxido de carbono (CO2) de las células del cuerpo. Para llevar a cabo este objetivo

son necesarios los cuatro fenómenos siguientes: Movimiento de aire hacia los

pulmones y desde ellos (respiración ventilación). Intercambio de O2 del aire

inspirado por el CO2 de la sangre (respiración externa). Transporte de O2 y CO2

hacia las células y desde ellas (transporte de gases). Intercambio de CO2 por O2

en la cercanía de las células (respiración interna). El sistema respiratorio se

subdivide en dos porciones: conductora y respiratoria. La porción conductora,

situada fuera y dentro de los pulmones, lleva aire del medio externo a estos

órganos. La porción respiratoria, localizada estrictamente dentro de los pulmones,

tiene como función el intercambio real de oxígeno por dióxido de carbono.

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Porción Conductora del sistema respiratorio

La porción conductora está compuesta por: la cavidad nasal, boca, nasofaringe,

faringe, laringe, tráquea, bronquios principales, bronquios secundarios (bronquios

lobares), bronquios terciarios (bronquios segmentarios), bronquiolos y bronquiolos

terminales. Estas estructuras no sólo transportan el aire inspirado sino que también

lo filtran, humedecen y entibian antes que llegue a la porción respiratoria de los

pulmones.

En la porción respiratoria del sistema respiratorio se localizan bronquiolos

respiratorios, conductos y sacos alveolares y alveolos, quienes tienen el objetivo de

transformar el aire en dióxido de carbono a nivel celular.(UNAM, 2018)

Definición de la espirometría

La espirometría es una prueba médica de tamizaje que va a medir varios aspectos

de la función respiratoria y del pulmón. Se lleva a cabo utilizando un espirómetro, un

dispositivo especial que registra la cantidad de aire que un sujeto inhala o exhala así

como la velocidad a la cual dicho aire es desplazado hacia fuera o dentro del

pulmón. Los espirogramas son trazos o registros de la información obtenida con la

prueba. La prueba espirométrica más común requiere que la persona exhale tan

fuerte como pueda, después de haber realizado una inspiración profunda. El

esfuerzo del paciente se denomina maniobra espiratoria forzada.(UNAM, 2018)

Tipos de espirómetros

Existen dos tipos de espirómetros:

1) aquéllos que registran la cantidad de aire exhalado o inhalado en un determinado

intervalo de tiempo (espirómetros de volumen) y

2) aquellos que miden qué tan rápido fluye el aire cuando se desplaza hacia adentro

o hacia afuera del pulmón, conforme se incrementa el volumen de gas inhalado o

exhalado (espirómetros de flujo).

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Ambos tipos se usan para la detección de enfermedades pulmonares. (Los

estándares de los equipos de espirometría se discuten en la unidad 8: Revisión de

los estándares del equipo de espirometría).

Espirómetros de volumen

Los espirómetros de volumen registran la maniobra espiratoria forzada en el

momento en que se produce. Cuando el sujeto respira por una boquilla, el aire se

mueve hacia un cilindro, una campana de plástico o un diafragma de goma, que a

su vez mueve una aguja o pluma que traza o inscribe una curva sobre el papel

gráfico en movimiento. Los espirómetros de sello de agua, los de sello rotador en

seco y los espirómetros de fuelle son las tres clases de espirómetro más

ampliamente utilizadas.

Principales características

1. El trazo registra el volumen con relación al tiempo. El eje “y” (vertical) representa

el volumen en litros y el eje “x” (horizontal) representa el tiempo en segundos.

(Véase figura 1.0)

Figura 1.0

Curva Volumen (Litros) vs Tiempo(Segundos)

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Espirómetros de flujo

Los espirómetros de flujo miden qué tan rápido pasa el flujo de aire a través de un

detector, y de esa manera calculan el volumen por medios electrónicos. Registran la

velocidad del flujo a intervalos muy breves, tales como 30 a 300 veces por segundo,

y usan la información obtenida para reconstruir la velocidad del flujo en cada punto

del tiempo y del volumen. Este proceso se denomina digitalización. Los tipos más

comunes de espirómetros de flujo son los neumotacógrafos, los anemómetros de

alambre caliente y los flujómetros de turbinas.

Características principales

1. Los trazos miden el flujo en relación al volumen. El eje “y” (vertical) o abscisa

representa la velocidad del flujo de aire en litros por segundo, y el eje “x” (horizontal)

representa el volumen en litros (véase figura 1.0. Curva normal de flujo volumen).

2. Los trazos de flujo-volumen son útiles por varias razones:

a. El flujo espiratorio pico (FEP) y el flujo instantáneo a cualquier volumen dado,

pueden ser fácilmente determinados y los patrones de inicios lentos o con titubeo

son más fáciles de reconocer.

b. Es muy fácil detectar un episodio de tos debido a que el flujo cae hasta cero,

cesando el flujo de aire cuando se cierra la glotis.

c. Es fácil detectar un posible artefacto, tal como la oclusión causada por la lengua

del sujeto o por sus dientes, debido a que en estos casos el flujo pico va a ser

variable o reducido.

d. Muchos espirómetros de flujo pueden también imprimir ciclos de flujo-volumen.

Éstos dan información tanto de la inhalación como de la exhalación.

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3. La computadora puede producir un trazo volumen-tiempo a partir de la

información digitalizada de la velocidad de flujo. Sin embargo, estos trazos no son

producidos mecánicamente.

4. Los espirómetros de flujo son habitualmente más ligeros y más fáciles de

transportar que los espirómetros de volumen.

5. Los sensores de flujo desechables para un uso único, disponibles en algunos de

los espirómetros de flujo, van a eliminar el riesgo (extremadamente bajo) de

contaminación .(Ann, Lioce Mata, Perez Padilla & de la Concha, 2018)

Enfermedades médicas que requieran el uso de espirometrías

Una enfermedad respiratoria está definida como cualquier problema en el sistema

respiratorio, lo que impide que realice sus funciones adecuadamente. Existen tres

tipos principales de enfermedad pulmonar:

Enfermedades de las vías respiratorias. Afectan los conductos (vías aéreas o

respiratorias) que transportan el aire y por tanto el oxígeno dentro y fuera de los

pulmones.

Enfermedades del tejido pulmonar. Afectan la estructura del tejido pulmonar. La

cicatrización o la inflamación del tejido hace que los pulmones no se puedan

expandir totalmente (enfermedad pulmonar restrictiva).

Enfermedades de la circulación pulmonar. Afectan los vasos sanguíneos que se

encuentran dentro de los pulmones. Son causadas por coagulación, cicatrización o

inflamación de dichos vasos. Afectan la capacidad de los pulmones para captar

oxígeno y liberar dióxido de carbono. Igualmente pueden afectar la actividad

cardíaca.

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Algunas de las enfermedades en las que el uso de la espirometría es necesario son:

● Enfisema: Enfermedad que provoca la insuficiencia respiratoria, provocando

dificultad al recuperar el aliento.

● Bronquitis Crónica: Enfermedad causal de la inflamación de los bronquios

causando una excesiva producción de mucosidad y con esto la dificultad al

respirar.

● Asma: Enfermedad pulmonar crónica (usualmente de por vida) sin cura que

dificulta la entrada y salida de oxígeno debido a la inflamación constante de

las vías respiratorias, lo cual las vuelve más sensibles.

● Asbestosis: Es una afección pulmonar crónica ocasionada por la continua

exposición a altas concentraciones de fibras de amianto en el aire.

● Bronquitis aguda: Es una forma de inflamación del tracto respiratorio inferior

que afecta (bronquios) de los pulmones. Es temporal y generalmente no

causa dificultades respiratorias permanentes. Es posible que las personas

con sistemas inmunitarios debilitados u otros problemas de salud importantes

desarrollen problemas graves, como neumonía o insuficiencia respiratoria.

● Deficiencia de Alfa-1 Antitripsina (AAT): Es un desorden genético

transmitido de padres a hijos y perjudica al hígado, la piel y los pulmones, lo

cual puede provocar un enfisema.

● Síndrome de Dificultad Respiratoria Aguda (SDRA): Es una enfermedad

de rápido progreso que se presenta generalmente después de un trauma

significativo. La principal complicación en el SDRA es que la acumulación de

líquido en los alvéolos hacen que la respiración sea difícil o imposible.

La razón por la que se decidió desarrollar el proyecto de espirometría es debido a

la falta de instrumentación, de fácil creación, económico en un tema de amplio

estudio como son las espirometrías, su importancia se basa en el proceso

fundamental de la respiración y la posibilidad de detectar principios de graves

padecimientos pulmonares..

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Objetivos:

● Crear un sistema capaz de monitorear y facilitar la lectura de la capacidad

pulmonar vital; integrada por un circuito lector y quien enviará la información

a su receptor en tiempo real(Smartphone Android), vía bluetooth.

● Crear un entorno de sistema capaz de guardar datos para su posterior

análisis por parte de un especialista.

Planteamiento del problema

No existe un aparato de espirometría portátil y de fácil acceso, que ayude a un

enfermo ha llevar un registro de su enfermedad y a un médico a monitorear de

forma más precisa.

Hipótesis

Un espirómetro de fácil creación y económico permite monitorear y facilitar la lectura

de la capacidad pulmonar y llevar un registro que ayude a un enfermo y doctor a

monitorear su estado de salud.

Desarrollo

Paso 1. Realizar la investigación

El precio de un espirómetro vas desde los 2,500 a los 5,000 pesos lo cual lo hace un

aparato no muy accesible disponible sólo en hospitales y en algunos consultorios

médicos bien equipados, es por ello que nos dimos a la tarea de investigar la

estructura y funcionamiento de un espirómetro, focalizando varios tipos de

espirometros, decidimos, en este tipo de espirómetro nos inspiramos para realizar

uno con ayuda de una placa de arduino uno y utilizando como turbina un

caudalímetro.

Para este proyecto conectamos la placa de arduino con ayuda de una protoboard a

una pantalla LCD, a un módulo de bluetooth y al caudalímetro, una vez montado

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nuestro espirómetro procedimos a programar en arduino las funciones de lo

componentes y a configurar el módulo bluetooth para conectarla a una app hecha

por nosotros, en esta app se mandan los valores dados por el caudalímetro para su

almacenamiento en la app junto a una graficación en tiempo real de los valores

obtenidos y muestra estos mismos resultados de forma temporal en la pantalla LCD.

Por otra parte tuvimos que calibrar el caudalímetro para que los datos mandados

correspondan a lo que se quiere medir.

2.Diseño del circuito:

Para el diseño de circuito se fue realizando con respecto a las especificaciones de

cada componente utilizado. Se ensamblan cada componente con su respectiva

conexión al Arduino Uno, se observan las conexiones pertinentes en las tablas

siguientes.

Materiales

Cantidad Concepto Imágenes

1 *Arduino Uno

1 Bluetooth HC-05

1

*Pantalla LCD 16x2

10

1 Smartphone Android con

Acceso a Internet

1 Potenciómetro

1 *Caudalimetro YF-S201

1

Paquete Jumpers

Macho-Macho

1 Paquete Jumpers

Macho-Hembra

j

M

11

Componente Puerto Puerto

Pantalla LCD VSS GND

VDD 5V

VO Potenciómetro

RS --

RW Digital 12

E Digital 11

D0 --

D1 --

D2 --

D3 --

D4 Digital 5

D5 Digital 4

D6 Digital 3

D7 Digital 6

A --

K GND

(Tabla 1)

Componente Puerto Puerto Arduino

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Bluetooth RXD Digital 1

TXD 0

GND GND

VCC Positivo

(Tabla 2)

Componente Puerto Puerto Arduino

Espirómetro GND GND

5V 5V

Out Digital 2

Diseño del circuito

Figura 2.0 Conexión Esquemática Fritzing

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Paso 3 Creación del circuito

Para el ensamble del circuito, el Bluetooth se utiliza para enviar la información

obtenida del espirómetro al Smartphone, la pantalla LCD sirve para mostrar los

datos recopilados en el propio espirómetro, mientras que el potenciómetro solo

modifica la intensidad de luz emitida por la pantalla LCD.

Paso 4: Diseño de la aplicación móvil

Para desarrollar la aplicación móvil se ha empleado la IDE online “App Inventor”,

desarrollado en los lenguajes de Programación: Java, Scheme y Kawa; cuya

versatilidad y ligereza permiten explotar el potencial de nuestro proyecto con menor

tiempo y menos recursos.

Figura 3.0 App funcional de CAELI.apk 1.0.0

Beta Xpeler-04/09/2018

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La aplicación está programada en el entorno de app inventor, esta se comunica con

el dispositivo arduino a través de Bluetooth, donde recibe una cadena de caracteres

(#0000) que se transforman en la información plasmada en la pantalla cómo

gráfica(x,y).

Imagen 4.0 Menú de Anexo en Xpeler Plus Imagen 5.0 Pantalla Principal en Xpeler Plus

Como se observa en esta aplicación, la lectura corre en volumen contra tiempo, se

obtienen los valores y se guardan en archivo.txt para ser añadidos al nombre del

paciente, tiempo de la prueba y fecha; la facilidad para registrar el nombre consta en

únicamente escanear el código QR disponible en los nuevos formatos digitales de

CURP, al igual el nombre puede ser añadido por tipeo o ingresando el CURP del

paciente.

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Permitiendo observar el comportamiento de la respiración del paciente contra el

tiempo registrado, a lo largo del tiempo se integraron diversas funcionalidades, que

facilitarán al médico-aplicador evaluar este proceso de una forma más rápida y

eficiente.

Para realizar la gráfica correspondiente, consta del siguiente proceso:

1.Envío de un caracter “Q”, para iniciar la comunicación Serial

2.Envío de una cadena String a través de Bluetooth en formato #0000

3.Recepción por parte del módulo Bluetooth del móvil

4.Separación de los elementos NaN (Not a Number)

5.Conversión de la cadena String i-1 a Integer

6.Localización del punto mencionado vs el tiempo en Canvas dentro de la

escala y(0-6) x(0-10)

7. Repetición del Proceso 1-7

9. Unión del último punto con el anterior

Paso 5. Pruebas

*Durante las primeras pruebas, se estudió que la vinculación entre el sistema de

envío bluetooth y de recepción y graficación del celular funcionaran de manera

adecuada, con una sincronía de 950 milisegundos.

*Tras esta prueba, se verificó la correcta sincronía entre los datos mostrados en el

teléfono y aquellos mostrados en la pantalla LCD, mencionando siempre que lo

necesario para ello consta de la correcta estructuración del paradigma de

programación y el adecuado cableado entre la pantalla de LCD y la placa

electrónica de Arduino UNO Genuino.

*Finalmente se verifican los elementos que constituyen al Caudalímetro; estos

deben de ser congruentes con los datos de drenados que marcan las convenciones

de Espirometría y flujo de espiraciones-aspiraciones, de igual manera en caso de

que los valores sean mayores o menores; será modificada la constante de

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conversión del trabajo realizado por la turbina del caudalímetro y su sensor de

efecto hall, respectivo a la frecuencia.

Paso 6: Producto final

Imagen 6.0 Circuito Ensamblado Imagen 7.0 Logo de la app Lite

Logo de la app Xpeler con lector de Qr 8.0

Después de haber realizado las pruebas y comprobar el correcto funcionamiento del

espirómetro, este quedó como se puede ver en la imagen 6.0 , como se puede

observar el espirómetro se encuentra funcionando y tiene las siguientes funciones: .

-Lectura del Flujo de Aire

-Recuento del volumen de aire promedio

-Total del volumen de aire promedio

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-Generación de un documento con los datos de análisis

Resultado

Imagen 9.0 Prueba de Espirometría en casa

Su portabilidad, tamaño, ligereza y multiconexion permiten realizar un estudio tan

complejo como la espirometría en casa; como resultado observamos lo que podría

un gran acercamiento futuro a la democratización de las tecnologías que permiten la

prevención y el tratamiento de enfermedades respiratorias para nuestro caso.

Fotos y explicación de cómo quedó el espirómetro

El espirómetro quedó funcionando correctamente y tiene las funciones

anteriormente mencionadas, está listo para ser usado y poder cumplir su misión de

detectar algunas enfermedades respiratorias. El resultado de este proyecto se logra

apreciar en la imagen 8.0, donde el individuo realiza su espirometría con tan solo su

celular y energía.

Conclusiones

En base a lo anterior podemos concluir que las enfermedades respiratorias son un

problema grave en la población y que su detección está limitada a hospitales que

cuenten con un espirómetro o pruebas de este tipo, por lo que esperamos que

nuestro proyecto ayude a crear una gama de productos para la detección de

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enfermedades respiratorias, que sean más accesibles a la población, a un menor

precio y con una precisión si no exacta, pero lo más cercano a la exactitud.

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https://www.lung.org/lung-health-and-diseases/all-diseases.html .

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