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[ESCRIBIR EL NOMBRE DE LA COMPAÑÍA]
Desarrollo de un Ventilador para UCI.
Descripción de funcionamiento
Miguel Llovet Cuadrillero
10/06/2020
En relación al diagrama de bloques y al esquema eléctrico se describen sus partes, su funcionamiento, lo que falta y posibles variantes.
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1. VENTILADOR MECÁNICO PARA UCI, VERSIÓN 3............................................................................. 4
2. DIAGRAMA DE BLOQUES (FICHERO “VENTIL MEC_BLOQUES_050420”). ....................................... 4
2.1 MODO PRESIÓN. .............................................................................................................................. 4
2.1.1 Inspiración sin enriquecimiento de oxígeno. ........................................................................... 4
2.1.2 Inspiración con enriquecimiento de oxígeno. ......................................................................... 4
2.1.3 Espiración ............................................................................................................................... 4
2.1.4 Frecuencia respiratoria ........................................................................................................... 5
2.2 MODO VOLUMEN. ........................................................................................................................... 5
2.3 MODO TRIGGER. ............................................................................................................................. 5
2.4 PEEP. ........................................................................................................................................... 5
3. CUADRO DE MANDOS. .................................................................................................................. 6
3.1 SELECCIÓN DE MODO. ...................................................................................................................... 6
3.2 PROGRAMACIÓN DE PARÁMETROS ....................................................................................................... 7
3.3 ALARMAS. ...................................................................................................................................... 7
4. PLACA DE CONTROL. ...................................................................................................................... 7
4.1 ESQUEMA ELÉCTRICO. ....................................................................................................................... 8
4.1.1 Módulo de control (MC1) ........................................................................................................ 8
4.1.2 Sección de control de gases. Modos de funcionamiento. ....................................................... 8
4.1.3 Programación de parámetros. ................................................................................................ 9
4.1.4 Alarmas. .................................................................................................................................. 9
4.1.5 Otras consideraciones. ............................................................................................................ 9 4.1.5.1 Alimentación de los sensores. .................................................................................................... 10 4.1.5.2 Visualizador gráfico .................................................................................................................... 10 4.1.5.3 Control de las válvulas proporcionales. ...................................................................................... 10 4.1.5.4 Medida del CO2 .......................................................................................................................... 10 4.1.5.5 Alimentación. ............................................................................................................................. 10 4.1.5.6 Oxímetro. ................................................................................................................................... 11 4.1.5.7 Conectores. ................................................................................................................................ 11
5. SOFTWARE. ................................................................................................................................. 11
5.1 INICIACIÓN. .................................................................................................................................. 11
5.1.1 Iniciación MAX6957 .............................................................................................................. 12
5.2 LECTURA DE PERIFÉRICOS. ................................................................................................................ 12
5.2.1 Sensores y EEPROM. ............................................................................................................. 13
5.2.2 Conversores D/A. .................................................................................................................. 13 5.2.2.1 Conversor D/A de consignas ...................................................................................................... 13 5.2.2.2 Conversor D/A de señales de presión y flujos. ........................................................................... 15
5.2.3 Pulsadores, Pilotos y Buzzer. ................................................................................................. 15
5.3 PROGRAMA DE CONTROL. ................................................................................................................ 15
5.3.1 Funcionamiento en modo Presión. ....................................................................................... 16
5.3.2 Funcionamiento en modo Volumen. ..................................................................................... 16
5.3.3 Funcionamiento en modo Trigger. ........................................................................................ 17
6. COMENTARIOS. ........................................................................................................................... 17
6.1 CONTROL DE VP1 Y VP2. ................................................................................................................ 17
6.2 OXÍMETRO. ................................................................................................................................... 17
6.3 VÁLVULAS PROPORCIONALES. ........................................................................................................... 17
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7. TAREAS PENDIENTES. .................................................................................................................. 17
8. ALGUNAS POSIBLES VARIANTES EN EL DISEÑO. ........................................................................... 18
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1. Ventilador mecánico para UCI, versión 3.
Exposición sobre los documentos:
Diagrama de bloques: Ventil mec_Bloques_050420
Esquema eléctrico: Respirador UCI_3.sch
2. Diagrama de bloques (Fichero “Ventil mec_Bloques_050420”).
Están previstos 3 modos de operación para el suministro de gases al paciente:
Modo presión.
Modo Volumen.
Modo Trigger.
Suministro de aire: Tomas del circuito de aire hospitalario.
Suministro de oxígeno: Tomas del circuito hospitalario de oxígeno.
En teoría no serían necesarios filtros para ninguno de los dos gases pues el suministro
hospitalario está ya filtrado. Se han dispuesto en el diagrama para el caso de un traslado con el
paciente intubado y suministro de aire con compresor y de oxígeno por botella.
2.1 Modo presión.
2.1.1 Inspiración sin enriquecimiento de oxígeno.
VP1 regula la presión del aire suministrado al paciente para lo cual el módulo de control (STM)
envía la presión de consigna al circuito de ataque a la VP1. SP1 mide la presión de salida y
envía la señal resultante al circuito de ataque, que la compara con la consigna y modula la
corriente del solenoide de VP1 para igualarlas.
2.1.2 Inspiración con enriquecimiento de oxígeno.
El médico puede indicar a MC un determinado enriquecimiento de oxígeno al gas enviado al
paciente.
El MC envía la consigna adecuada al circuito de ataque a la VP2 en función de las lecturas
recibidas de SF1 y SF2. VP2 será abierta lo suficiente para incorporar el % indicado por el
médico; esto causará una sobrepresión en el flujo de aire que será corregido por el circuito de
ataque a VP1 disminuyendo la aportación equivalente de aire.
2.1.3 Espiración
SF1 envía su señal de lectura al módulo de control. Cuando este detecta que el flujo es cero o
que ha pasado el tiempo máximo destinado a la inspiración, cierra VP1 y VP2 y abre EV2 para
la espiración.
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Gracias a SF1 y SF2 (o a solo SF3), el MC sabe cuanto aire se ha inspirado. Cuando solo queda
1/3 de aire en los pulmones, cierra EV2 y abre EV3. El resto de la espiración pasa a la caja del
sensor de CO2 para ser medida la concentración de CO2 del aire alveolar.
Esta disposición del sensor es necesaria debido a que los sensores de CO2 son muy lentos (15
s), al menos los que he podido encontrar. Un sensor que trabaje en tiempo real evitaría tener
que usar EV3 y la caja. Se intercalaría entre EV2 y el filtro de salida.
Una vez detectado flujo 0 o haya pasado el tiempo destinado a espiración, el MC cierra EV2.
(Si este segundo caso se produce una o mas veces, ¿habría que generar una alarma?).
2.1.4 Frecuencia respiratoria
El médico indica al MC la frecuencia deseada y el MC adopta en función de ella los tiempos de
inspiración y expiración. El espiración durará el doble del de inspiración.
En principio, la inspiración dura 1 seg.
(¿Deberán preverse tiempos muertos entre ciclos de respiración?)
2.2 Modo Volumen.
El médico le indica al MC el volumen de aire que desea le sea suministrado al paciente en cada
inspiración, el cual envía las consignas correspondientes a los circuitos de ataque a VP1 y VP2,
y las va corrigiendo sobre la marcha con ayuda de las lecturas de SF1 y SF2, para completar el
volumen y porcentaje de oxígeno programados.
Las lecturas de importancia predominante en este modo son las enviadas por SF1 y SF2.
En lo demás, este modo es semejante al anterior.
Frecuencia respiratoria: ver modo presión.
2.3 Modo Trigger.
En este caso el ritmo es fijado por el paciente. El equipo se limita a asistir su respiración.
El elemento clave es ahora SF3 para descartar las posibles pérdidas de aire en el resto del
circuito, que podría confundir al sistema sobre el momento en que el paciente comienza la
inspiración. Cuando el MC detecta mediante SF3 esta circunstancia, inicia un ciclo respiratorio
en modo presión.
Si pasa un tiempo límite sin detectar inspiración expontánea, el equipo iniciará un ciclo
respiratorio y producirá una alarma.
Este tiempo límite es calculado por MC en función del historial del ritmo expontáneo.
2.4 PEEP.
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Se puede fijar el volumen final restante en los pulmones programando la presión mínima que
debe alcanzarse en la espiración. El médico comunicará la presión mínima al MC, y este cerrará
EV3 y/o EV2 cuando la presión medida por SP disminuya hasta la consigna introducida.
3. Cuadro de Mandos.
Para que la programación de los parámetros (Presión, volumen, Volumen Tidal, Alarmas, etc.)
sea directa e intuitiva y sin recurrir a navegar por menús, se ha optado por asignar un pulsador
y un piloto para cada parámetro.
A tal efecto el cuadro de mandos dispondrá de:
Un visualizador gráfico.
Un conjunto de pulsadores y pilotos para activar el modo elegido.
Un conjunto de pulsadores y pilotos con un codificador incremental compartido para
programar los parámetros anteriormente citados.
Un conjunto de pilotos, un buzzer y un pulsador para el manejo de alarmas.
3.1 Selección de Modo.
Selec.
Unid.
Presión
Umbral
Trigger
ALARMAS
Aceptación
Sat. O2
% CO2
Fallo Trigger
Fallo Equipo MODO
VISUALIZADOR AJUSTES
V.Tidal
Frec.
% O2
Alarma
% CO2
PEEP
Presión
Alarma
Sat. O2
Presión Volumen Trigger
Brillo
+ -
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Cada modo tendrá asignado un conjunto de pulsador y piloto (verde).
Pulsando el modo deseado el equipo comenzará a trabajar en él. Los modos Presión y
Volumen se autoexcluyen. El modo Trigger está asociado con el modo Presión o Volumen:
El que se haya elegido.
3.2 Programación de parámetros
Cada parámetro (Presión, Volumen, Alarma, etc.) tiene asignado un conjunto de pulsador y
piloto, y un codificador incremental compartido. El visualizador mostrará la consigna del
parámetro en curso de programación.
Accionando el pulsador del parámetro a programar, su piloto entrará en parpadeo y el
visualizador mostrará en parpadeo la consigna.
Con el codificador se incrementará o decrementará la consigna hasta el valor deseado.
Otro nuevo accionamiento del pulsador fijará el valor de la consigna, que dejará de parpadear
en el visualizador. El piloto también dejará de parpadear.
3.3 Alarmas.
Cada alarma tendrá asignado un piloto (rojo). Compartido por todas un buzer y un pulsador de
aceptación.
El accionamiento del pulsador desactivará el buzzer y dejará fijo el piloto hasta que la alarma
desaparezca.
4. Placa de control.
En esta placa de CI se sitúan:
Circuitería de control.
Sensor de presión.
Pulsadores de control, de inserción.
Codificador incremental, de inserción.
Pilotos de control y alarma con separadores de altura suficiente, de inserción.
Visualizador con torretas de apoyo.
Módulos de alimentación de 3,3V y 5V.
Conectores de alimentación (24Vdc), de ataque a electroválvulas y de interconexión
con los sensores de flujo, CO2 y saturación de O2.
Radiadores de los transistores de potencia de ataque a las válvulas proporcionales.
Fuera de la placa:
Interruptor y el piloto de alimentación.
Sensores de flujo.
Sensores de CO2 y de saturación de oxígeno en sangre.
Electroválvulas.
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Válvulas proporcionales.
4.1 Esquema eléctrico.
4.1.1 Módulo de control (MC1)
El circuito está diseñado en torno al módulo de control MC1, que es un Arduino Nano 33 BLE.
Lo que figura en el esquema es un conector (doble tira de pines) en el que se inserta el MC1.
El modelo elegido ha sido por potencia y memoria - no se aprovechan de momento ninguno de
los periféricos que contiene - anticipando que habrá que destinar gran cantidad de ella para el
interfaz hombre-máquina.
4.1.2 Sección de control de gases. Modos de funcionamiento.
En modo de funcionamiento a presión interviene el sensor de presión seguido por el
amplificador de instrumentación U5 a ganancia 5, un filtro paso-bajo, un buffer y 2 transistores
de ataque a la válvula proporcional VP1 (véase diagrama de bloques). Los transistores
proporcionan una ganancia adicional
El sensor de presión está conectado al circuito de aire de inspiración y su salida es digital en
I2C. El MC1 los lee, resta el offset del sensor y envía el resultado al conversor D/A U19, cuya
salida se envía al amplificador de instrumentación U5. En él se compara su señal con la señal
de consigna que el MC1 ha cargado previamente en el conversor D/A U6. La señal de error
acaba en los transistores de ataque a VP1 que regula el paso de aire para mantener constante
la presión deseada.
Si se desea añadir una cierta proporción de oxígeno, se añaden al sensor de flujo SF2 al control
de los gases. La salida de este sensor es digital en I2C y es leída por MC1, que la envía al
conversor D/A U19, que, a su vez, en vía su salida al amplificador de instrumentación U1. Ahí
es comparada con la consigna de % de O2 que el MC1 ha cargado previamente en la sección B
de U6.La señal de error generada se aplica a VP2.
Esto aumenta la presión por encima de su consigna con lo que U5 cerrará VP1 en la medida
suficiente para mantener la presión deseada.
En el modo de Funcionamiento a volumen intervienen SF1 y SF2. SP solo es utilizado para
vigilar que la presión suba por encima de un valor peligroso: MC1 envía la consigna adecuada a
U5 para que pase el flujo de aire deseado por el circuito de inspiración.
Si es necesario añadir un porcentaje de O2, MC1 envía la señal de consigna adecuada a U1, y
disminuye en la misma proporción la de consigna de U5.
En el modo de funcionamiento Trigger se incorpora al control SF3 que es deseable esté
cercano a la boquilla del paciente. Cuando MC1 detecta que la señal enviada por SF3 supera el
umbral marcado, inicia un ciclo respiratorio en el modo elegido. Si el paciente deja de enviar
una señal clara de disparo, MC1 iniciará ciclos de respiración según la frecuencia establecida
por el médico y generará una alarma.
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En las cadenas de ataque a las VP se incluye sendos filtros paso bajo construidos con U2 y U4 y
elementos anejos. Así se suaviza la respuesta de las realimentaciones por la digitalización de
las salidas de los sensores.
El accionamiento de las electroválvulas se realiza mediante U10 y U11 – que están
encadenados en serie - por bus SPI. Ambos integrados sirven tanto para leer como para
accionar elementos.
En la espiración MC1 cierra las VP y abre EV2. Durante el último tercio de la espiración cierra
EV2 y abre EV3 para recoger el gas alveolar y medir su porcentaje de CO2. El sensor está
encerrado en una caja para solucionar la lentitud de su respuesta.
El MC! Monitoriza la presión del aire espirado, y cuando alcanza la presión PEEP cierra también
EV3.
4.1.3 Programación de parámetros.
En el panel de control hay una sección dedicada a ello. Esta sección junto con el visualizador
permite al personal sanitario programar los parámetros de funcionamiento.
Cada parámetro tiene asignado un pulsador y un piloto (Verde). También se ha dispuesto un
codificador óptico incremental común a todos ellos. El biestable U9A indica al MC1 la dirección
de giro.
Para programar un parámetro se acciona el pulsador correspondiente y el piloto comienza a
parpadear junto con su lectura en el visualizador. Esto indica que el equipo está a la espera de
la indicación pertinente. El accionamiento del codificador hará incrementarse o decrementarse
la lectura mostrada en pantalla; mientras, la consigna almacenada anterior sigue vigente.
Una vez alcanzado el valor deseado, un nuevo accionamiento del pulsador sustituirá la
consigna anterior por la nueva. El piloto y la lectura en pantalla pasarán a fijos. El equipo no
permitirá superar los topes permitidos para cada parámetro.
Véase en la representación del panel de control - apartado 3 - los parámetros que se pueden
programar.
El equipo guardará esos ajustes en la EEPROM U8 para poder establecerlos en sucesivas
puestas en marcha del equipo y no tener que partir de cero.
4.1.4 Alarmas.
Se han previsto una serie de alarmas reunidas en otra sección del panel de control.
Cada una de ellas tiene asignado un piloto rojo que se comenzará a parpadear cuando se
produzca esa alarma. Al mismo tiempo se activará un zumbador.
El pulsador que comparten sirve para aceptar la/las alarma/s producida/s: El zumbador se
desactivará y el/los piloto/s quedará/n encendido/s mientras no desaparezca la causa.
4.1.5 Otras consideraciones.
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4.1.5.1 Alimentación de los sensores.
Estudiar si los Conversores D/A y los sensores son ratiométricos y hay que generar una
alimentación mas estable para ellos.
4.1.5.2 Visualizador gráfico
El elegido es 3,5”, el mayor encontrado hasta ahora con interfaz SPI. Sería conveniente utilizar
otro mayor si lo hubiera.
Está previsto poner un conector en la placa de control en el que se insertaría la placa del
visualizador.
Si los sanitarios consideraran que el tamaño es importante para poder presentar y leer mas
cómodamente los parámetros, consignas y las ondas de flujo de gases y no hubiera
visualizadores mayores con SPI, podría estudiarse utilizar un módulo de control Raspberry que
disponen de HDMI: El rediseño sería de cierta entidad para el direccionamiento de sensores y
periféricos.
4.1.5.3 Control de las válvulas proporcionales.
El modelo elegido es de bajo consumo (2,5 W), así que el ataque puede realizarse en
analógico.
Si por cualquier motivo, como el precio, se cambiaran a otros modelos mas voluminosos que
consumieran mas - posiblemente en torno 12 W - podría optarse por un ataque en PWM (U15
y elementos anejos). El inconveniente es la emisión de mas perturbaciones eléctricas, y habría
que cuidar mas el diseño.
Los transistores de potencia elegidos son hometaxiales que son relativamente lentos, pero de
flancos poco abruptos que ayudarían a reducir las emisiones.
4.1.5.4 Medida del CO2
Ver diagrama de bloques.
Si hubiera medidores de CO2 en tiempo real, se podría intercalar en circuito de espiración sin
necesidad de la EV3. Bastaría con leerlo durante el último tercio de la espiración.
En caso de haber solo sensores lentos, la solución consiste en disponer una caja de paso que
alojaría el sensor, y cerrar EV2 y abrir EV3 durante el último tercio de la expiración. Así dicha
caja estaría permanentemente llena de aire alveolar y el sensor tendría tiempo para medir.
En esquema eléctrico se ha previsto una E/S serie para el sensor GSX IR11EM.
4.1.5.5 Alimentación.
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La alimentación de 24Vdc se suministra con una fuente de alimentación fuera del PCB.
+3,3 Vdc y +5 Vdc se obtienen de módulos de alimentación para circuito impreso. Todos ellos
cumplen con la norma IEC 60601-1-2 para aparatos médicos.
Para generar la tensión de -5V basta con emplear una bomba de carga (U12), dado el bajo
consumo en esta tensión.
4.1.5.6 Oxímetro.
Por elegir marca y modelo.
4.1.5.7 Conectores.
Queda por definir alguno.
5. Software.
Ver esquemas eléctricos de Arduino Nano BLE y del ventilador.
Puede haber muchas variantes en el enfoque de desarrollo del programa de control. Uno que,
en principio, parece bueno sería construir un ejecutivo cíclico con un período de, por ejemplo,
20ms, y un tratamiento asíncrono para las interrupciones.
A continuación se exponen las funcionalidades que debe proporcionar el programa y como con
mayor o menor detalle según el estadio actual del desarrollo.
5.1 Iniciación.
Lista no exhaustiva:
1. Establecer para cada pin del microcontrolador con conexión en el conector de E/S del
módulo de control (MC1) (Arduino), fijando su modo (entrada, salida, push-pull,
flotante, etc.).
2. Asignar a cada uno de ellos cuando proceda, la E/S de los periféricos internos del
microcontrolador (Conversores A/D, E/S digitales, Buses serie SPI, I2C, etc.).
3. Acceder a los periféricos de la placa de control y programar el modo de
funcionamiento de sus pines, así como el estado que deben tener mientras finaliza el
arranque del equipo.
4. Acceder a los sensores de flujo y leer sus coeficientes de calibración si procede, y
almacenarlos en la EEPROM.
5. Limpiar la RAM e iniciar las posiciones de memoria destinadas a semáforos, punteros,
coeficientes de calibración de los sensores de flujo si procede, etc..
6. Programar los temporizadores (Ejecutivo cíclico, Respiratorio, Parpadeo pilotos y
visualizador, etc.), registros de E/S de los buses serie, etc..
7. Habilitar interrupciones.
8. Comprobar si la EEPROM tiene ya cargados los parámetros de funcionamiento del
período anterior de funcionamiento (presión de gases para el paciente, % de oxígeno,
frecuencia del ciclo de respiración, etc., y cargarlos en RAM en caso afirmativo, y
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esperar que el médico los modifique y/o escoja el modo de funcionamiento (Presión,
Volumen, Trigger).
9. Quedar en espera de la interrupción del temporizador de ciclo o de una interrupción
asíncrona.
5.1.1 Iniciación MAX6957
Programar la función de los pines de los dos MAX6957 (U10 y U11). Ver en el esquema
eléctrico la función de cada pin.
Los dos integrados están encadenados, así que se enviarán cuatro octetos para cada grupo de
4 pines de cada integrado. Por ejemplo, los cuatro primeros programarán P115, P114, P113,
P112, P015, P014, P013, y P012. En este caso todos ellos como salidas LED.
Cada envío comenzará con la bajada de CS-. Después se enviarán los cuatro octetos con 32
pulsos de SCLK. Finalmente se subirá CS-:
00001011000000000000101100000000
Programación de P119, P118, P117, P116, P019, P018, P017 y P016:
00001100000000000000110000000000
Programación de P123, P122, P121, P120, P023, P022, P021 y P020:
00001101000000000000110100000000
Programación de P127, P126, P125, P124, P027, P026, P025 y P024:
00001110111111110000111011111111
Programación de P131, P130, P129, P128, P031, P030, P029 y P028:
00001111101111110000111110111111
Con resultado:
Salida LED Salida con pullup Entrada con pullup
P115, P114, P113, P112, P015, P014, P013, P012, P119, P118, P117, P116, P019, P018, P017, P016, P123, P122, P121, P120, P023, P022, P021, P020
P131, P031
P127, P126, P125, P124, P027, P026, P025, P024, P130, P129, P128, P030, P029, P028
El resto de parámetros a iniciar (Interrupciones, brillo, etc.) se decidirán en el desarrollo del
programa principal: ¿mecanismo de interrupciones o escaneo de pulsadores?;¿ brillo inicial
global o no?; etc.
5.2 Lectura de periféricos.
Dirección de avance
CS-
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5.2.1 Sensores y EEPROM.
Todos son digitales con salida en I2C.
Los de flujo no disponen de direccionamiento que permita discriminar entre ellos, así que se
ha dispuesto un multiplexor para acceder a ellos.
Como la memoria EEPROM y el sensor de presión sí disponen de direccionamiento, se han
colgado en el canal sobrante (EEPROM: 0; Sensor: 0x28).
Señales internas de Nano BLE/
Conector Nano BLE
Elemento D8 D7 AIN0_A5 AIN7_A4
SF1 0 0
SCL SDA SF2 0 1
SF3 1 0
EEPROM (U8) y Sensor Presión (U17)
1 1
Correspondencia de las señales de direccionamiento, reloj y datos del conector del Nano BLE
con los pines del microcontrolador:
Conector Nano BLE Pin Microcontrolador
D7 GPIO28
D8 GPIO29
SCL GPIO18
SDA GPIO20
Las lecturas de los sensores de flujo serán convertidas a l/min por el MC1 teniendo en cuenta
el offset indicado en sus especificaciones técnicas.
Las lecturas proporcionadas por los sensores son en 14 bits. Los Conversores D/A utilizados
son de 12 Bits, así que en la carga de estos se despreciarán los dos de menor peso.
El único sensor en el cual puede que haya que tener en cuenta todos es en el SF3, pues para el
Modo Trigger sí que es posible que fuera necesario afinar mas para la detección del comienzo
de respiración por parte del paciente.
5.2.2 Conversores D/A.
Conversores dobles de 12bits de acceso por bus SPI.
Los mensajes que acepta son de 16 bits., de los cuales los 4 primeros son el comando de
control y los restantes los datos para el conversor elegido.
5.2.2.1 Conversor D/A de consignas
En Modo Presión y solo aire, la sección A de U6 generará la consigna de presión. Para ello MC1
envía el mensaje:
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0 0 1 1 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
El cuarteto de control indica conversor A (Control de presión); Ganancia 1; Pin SDHN- inactivo.
Salida permitida. El resto es la consigna.
En estas circunstancias con el conversor cargado al máximo – mensaje 0 0 1 1 111111111111 -
la tensión de salida será máxima (+2,048 V, que corresponde a una presión máxima de
51,72 mmHg.
La sección B será cargada con 0 para cerrar VP2:
1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
El cuarteto de control indica conversor B (Control de % de O2); Ganancia 1; Pin SDHN- inactivo,
Salida permitida. Consigna 0.
Si se necesita enriquecer el aire con O2, MC1 calculará las consignas de VP1 y VP2 con los flujos
deseados para aire y O2.
Los cálculos serán realizados a partir de las lecturas de SF1, SF2 y SP; este último para
mantener la presión en el valor deseado. Como el flujo es variable a medida que se van
llenando los pulmones, MC1 irá adaptando dinámicamente las consignas.
En Modo Volumen solo aire, MC1 calcula la consigna a enviar VP1 para fijar el flujo al valor
correspondiente al volumen (por inspiración) indicado por el personal sanitario. El cálculo lo
realiza teniendo en cuenta que el volumen tiene que ser inspirado en 1 seg.
Si se desea enriquecer el aire con O2, MC1 enviará las consignas correspondientes a U6. El SP
será leído para garantizar que la presión no se eleva por encima de un valor de seguridad.
Cuando el volumen que ha entrado en los pulmones es el fijado, para lo cual MC1 integra los
flujos de SF1 y SF2 a lo largo del tiempo de inspiración, MC1 envía consignas cero y las VP1 y
VP2 son cerradas.
Los máximos flujos de salida que pueden medir los sensores son 240 l/s, que evidentemente
nunca se alcanzarán. Los mensajes para consignas máximas serían:
0011111111111111 y 1011111111111111, que evidentemente nunca se producirán.
Mensaje para el conversor correspondiente a la consigna de flujo en SF2 (U6, sección B):
1 0 1 1 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
El pin CS debe mantenerse bajo para la escritura. Cuando suba, el dato pasará a ser convertido
a tensión y presentado a la salida.
Señal Conector Nano BLE Pin Microcontrolador
CS- AIN1_A7 GPIO16_A
SCK SCK GPIO1
SDI MOSI GPIO35
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5.2.2.2 Conversor D/A de señales de presión y flujos.
Se trata del conversor U19. El MC! Carga en él las señales obtenidas de los sensores en lugar
de las consignas.
En Modo Presión solo aire, carga solo la presión en la sección A. En B carga 0.
En Modo Presión con enriquecimiento de oxígeno, carga las señales de los sensores de flujo.
En Modo Volumen solo aire, carga la señal del sensor de flujo de aire.
En Modo Volumen con enriquecimiento de oxígeno, carga las señales de los sensores de flujo.
5.2.3 Pulsadores, Pilotos y Buzzer.
Todos están gestionados mediante los registro serie (Bus SPI) U10 y U11 encadenados entre
ellos.
Se supone que todos los pines han sido configurados en la iniciación del equipo:
Los correspondientes a pulsadores en entrada Schmitt-trigger con resistencias Pullup.
Los correspondientes a pilotos y Buzzer como salida para LED.
5.2.4 Codificador óptico incremental
Su giro produce pulsos. El sentido del giro es indicado por U9A. Estas dos señales son enviadas
a MC1.
En un sentido el MC1 aumentará por pasos el parámetro elegido para su ajuste; en el otro el
parámetro será decrementado. Ver apartado 3.2
5.3 Programa de control.
Deberá disponer de procedimientos para poder:
Gestionar los pulsadores y codificador incremental de ajuste de parámetros.
Gestionar la activación y apagado de pilotos en continuo y parpadeo
Gestionar el visualizador gráfico
Gestionar los sensores (presión, flujo, CO2, Saturación O2)
Gestionar pulsador, pilotos y buzzer de alarmas
Un programa de control para
Gestionar en función del modo elegido (Presión, Volumen, Trigger) las válvulas
proporcionales a través de los conversores D/A, cadenas amplificadoras y transistores
de ataque.
Activación/desactivación de electroválvulas
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Presentar en el visualizador los valores de consigna y actuales de los parámetros
involucrados en el modo de funcionamiento elegido
Adquirir y almacenar los valores de consigna deseados por el personal sanitario
5.3.1 Funcionamiento en modo Presión.
1) Sin enriquecimiento de O2.
La consigna de presión de gases ajustada por el personal sanitario, es enviada por el MC1 a la
sección A del conversor D/A (U6). U5 la compara con la lectura enviada por el sensor de
presión U17, y la señal de error generada es utilizada para activar la VP1 hasta que le señal de
error se hace nula.
Este es un equilibrio dinámico que se adapta a la entrada de aire en los pulmones del paciente.
El caudal depende del momento de la inspiración; al principio será mayor e irá disminuyendo
según se vayan llenando los pulmones. Durante la inspiración, el equipo mantendrá constante
la presión.
La VP2 es mantenida cerrada porque la consigna enviada por MC1 para el ataque a la misma es
0.
2) Con enriquecimiento de O2.
En este caso MC1 lee también a los sensores SF1 y SF2.
Con los coeficientes almacenados en las EEPROM de mismos, el MC1 con la fórmula existente
en la especificación técnica de esos sensores, traduce a l/min. Las lecturas obtenidas. Las
comparará y calculará la consigna que debe enviar a la sección B del conversor D/A para que el
caudal de O2 controlado por VP2 corresponda a la proporción ajustada por el médico.
Mientras, la cadena de ataque de VP1 mantendrá la presión deseada. Si estuviera por encima
de la marcada, cerrará VP1 lo suficiente para mantener la presión de consigna establecida.
Esto se traducirá en una disminución del caudal de aire, y MC1 disminuirá la consigna de O2
para disminuir su aporte proporcionalmente.
En el panel de control hay un botón y piloto para – junto con el visualizador – ajustar la presión
deseada y la frecuencia de respiración. También el PEEP.
5.3.2 Funcionamiento en modo Volumen.
Se trata de suministrar una cierta cantidad de aire a los pulmones – volumen Tidal – en cada
inspiración, y a un caudal fijo determinado por el volumen tidal y el tiempo de inspiración.
El control del caudal se realizará desde las lecturas de SF1 y SF2. SP solo se leerá por seguridad,
para evitar una eventual sobrepresión en los pulmones.
Si solo se quiere suministrar aire al paciente se utilizará SF1. Si se quiere enriquecerlo con O2,
se utilizará además SF2.
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En el panel de control hay elementos para ajustar el volumen Tidal y la frecuencia de
respiración. También el PEEP.
5.3.3 Funcionamiento en modo Trigger.
Se utilizará SF3 para detectar el comienzo de respiración del paciente y desencadenar la
asistencia.
Esta podrá hacerse en modo presión o volumen pulsando el botón correspondiente.
El umbral de disparo podrá ajustarse en el panel de control. Ver apartado 3. Si este es
inestable, el equipo tomará la iniciativa y generará una alarma.
También serán operativos los controles para ajustar el PEEP.
6. Comentarios.
6.1 Control de VP1 y VP2.
Podría ocurrir que la realimentación a partir de las señales de SP, SF1 y SF2 sea excesiva y se
produzca oscilación.
En este caso habría que reducir la ganancia de U1 y U5, actualmente fijada en 5. Si no fuera
suficiente, habría que actuar sobre los transistores de ataque añadiendo sendas resistencias en
los emisores de Q2 y Q4. Por ejemplo 5/0,5W.
6.2 Oxímetro.
En el esquema eléctrico se ha dejado prevista la incorporación de un oxímetro para presentar
su lectura en el visualizador junto con los demás parámetros. Habría que encontrar alguno con
cable, estudiar su interfaz – analógica o digital – y añadir a la placa de control los circuitos de
adaptación, si fueran necesarios.
6.3 Válvulas proporcionales.
Ojo con la presión del aire y oxígeno hospitalarios. Si superan las presiones máximas toleradas
por las válvulas, habrán de añadirse reductores de presión en las entradas de esos gases.
7. Tareas pendientes.
Son muchas:
Consultar a los médicos del foro la idoneidad del diseño y cambiar lo necesario.
Determinar que parámetros deben aparecer y como en el visualizador en cada modo
de funcionamiento: Consignas, valores en tiempo real, formas de onda de presiones
y/o flujo, etc.
Comprar material complicado: Válvulas proporcionales; puede que algunos sensores.
Montar un prototipo. Como casi todos los componentes electrónicos son de montaje
superficial – ya casi no se encuentran de inserción – habrá que diseñar el PCB de la
placa de control y encargar unos pocos para prototipar.
Probar y retocar esquema y valores, y quizás algunos componentes.
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Determinar tubos y racores reglamentarios para aplicaciones médicas.
Carcasa: Provisionalmente podría utilizarse un armario eléctrico pequeño. Cuando
todo funcione, diseñar una definitiva. Sería conveniente que pudiera fabricarse con
impresora 3D o moldeo.
Elaborar el software de control.
Retocar el PCB con las correcciones necesarias detectadas en las pruebas.
Montar y probar un prototipo definitivo.
Homologarlo.
8. Algunas posibles variantes en el diseño.
Podría disponerse un microcontrolador adicional de menores prestaciones con las
siguientes funciones:
o Lectura de los sensores y carga del conversor U19.
o Transferencia de las lecturas al microcontrolador del MC1 para la generación
de consignas.
o Aceptación de órdenes de MC1 relativas a sensores a escanear en cada modo
de funcionamiento.
El fin sería liberar al MC1 de tareas repetitivas que podrían ralentizar inoportunamente
otras tareas necesarias en tiempo real.
Este microcontrolador sería sencillo y pequeño. En PIC y AVR hay modelos que lo
cumplen.
Adopción de un visualizador mayor
El acceso actual es en SPI. Si no hubiera de mayor tamaño en este bus, podría optarse
por utilizar un módulo Raspberry ya que tienen interfaces HDMI.
Una pantalla gráfica táctil podría emular la utilización de botones y pilotos de la
solución actual, que es mas intuitiva y rápida que la navegación por menús y
submenús.
En este caso habría que rediseñar el direccionamiento para el acceso a los periféricos
en placa y a los sensores.
Sensor SF1: está previsto situarlo dentro del equipo. Si fuera necesario hacerlo en la
boquilla del paciente, podría haber problemas en el bus I2C por la distancia.
En este caso sería mejor reemplazarlo por el modelo SFM3100, de salida analógica que
sería leída por MC1 por una de sus entradas analógicas. Un problema a solucionar es
que el MC1 necesita calcular el flujo con la señal del sensor y con los coeficientes de
calibración propios del sensor, que están almacenados en su memoria (del sensor) de
lectura por I2C.
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Ya nos hemos topado otra vez con la distancia. Una solución es leerlos a muy baja
velocidad en la fase de inicialización y guardarlos en la EEPROM de la placa. Habrá que
comprobar que el microcontrolador de Nano BLE permite bajar la velocidad del I2C.
Sensor de CO2: Si existiera algún modelo que mida en tiempo real, se podría suprimir
EV3 y su rama (Ver diagrama de bloques). El sensor se dispondría en la rama de EV2 y
se efectuaría la lectura durante el último tercio de la fase de expiración.
