Laboratorio Bioinstrumentación II. Ingeniería Civil Biomédica, Universidad de Valparaíso, Chile, 23/11/2010 Pág. 1

“Laboratorio Bioinstrumentación II”

Informe realizado por los estudiantes:

Felipe Jaime B, David Villarroel V Estudiantes Ingeniería Civil Biomédica, Facultad de Ciencias, Universidad de Valparaíso

“Diseño y construcción de un

Espirómetro” Resumen

La presente experiencia consiste en el desarrollo de un espirómetro. Se procederá a Diseñar, construir y

analizar las señales obtenidas por medio del transductor, el cual captara los flujos de inspiración y

espiración por medio de una turbina y una válvula al momento que pase aire a través de él. El desarrollo

de la experiencia se analiza por medio de la detección de un tren de pulsos que se obtiene a la salida del

circuito el cual es ingresado a un computador para su posterior procesamiento. Con los pulsos obtenidos

por medio del transductor y el circuito se pueden obtener curvas ventilatorias (flujos, frecuencias,

presiones, etc.) las cuales pueden ser interpretadas por un especialista para ayudarlo al diagnostico de

enfermedades respiratorias. Las curvas pueden ser interpretadas por un especialista para ayudarlo al

diagnostico de enfermedades respiratorias.

Palabras claves: transductor, espirómetro, curvas ventilatorias, adquisición de señales.

Introducción

n esta experiencia se pretende construir por medio de un diseño propio un espirómetro el

cual se basa en el principio de capturar dos haces haz de luz infrarroja tanto de la turbina

como de la válvula de paso, lo que se traducirá en un par de trenes de pulsos, los cuales por

medio de una etapa correspondiente a un circuito de acondicionamiento serán ingresados a un

computador por medio del puerto LPT1 para su posterior procesamiento con un programa de

implementación propia en el Software “MATLAB”.

Materiales

Para el transductor:

Tubo de PVC de 1,5 Pulgadas de diámetro y

15 cms. de largo.

Mini Taladro Dremel y accesorios

Pistola de silicona

Barras de silicona

Latas de aluminio

Huincha aisladora negra

Alambres de cobre

Lijas

Sierra

Para el circuito:

2 resistencias de 270 Ω

4 resistencias de 330 Ω

4 resistencias de 4,7k Ω

2 potenciómetros de 100K Ω

2 LED infrarrojos

2 fototransistores

1 Comparador dual de voltaje LM393N

Protoboard

Cables

Cable de red

Crimpeador

Alicate de punta

2 puntas compensadas

1 punta no compensada

E

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2 banana-caimán

Osciloscopio digital

Fuente de poder

Cautín

Soldadura de estaño

Software “Workbench Multisim” para

simulación del circuito

Datasheets

Para el procesamiento de la señal

Computador con puerto LPT1

Software “MATLAB R2010a”

Software “Parmon”

Metodología

1) Construcción del transductor

Para la confección del transductor se tenían

muchas ideas acerca de cuál iba a ser el

principio por el cual nos guiaríamos para

obtener las señales necesarias entre estas

teníamos:

Transductor por presión

Transductor por temperatura

Transductor de turbina

De las cuales optamos por la última debido a

que tenemos más conocimiento respecto a su

funcionamiento. Figura 1. Esquema representativo del transductor.

El motivo de diseñarlo de esta forma es que: Con la paleta que sube y baja en función del sentido

del flujo de aire podemos representar una inspiración y una espiración (1) y con la turbina,

podemos obtener la velocidad del flujo (2). Considerando que el aspa ocupa el 50% del área

transversal del tubo, se obtiene un balance temporal entre los estado alto y bajo de los pulsos.

Tanto la válvula de paso como la turbina son puestos entre un LED y un fototransistor para que

corte y deje pasar el haz de luz, de esta forma se obtienen las señales de entrada para nuestro

circuito. (Ver figura 2).

2) Construcción del circuito.

Ya que sabemos lo que el transductor entregara, procedemos a la confección del circuito el cual

acondicionara la señal para que esta pueda ser leída por el computador. En los datos anexos,

presentamos el circuito de la figura 3.

U1 y U3 representan el LED y el fototransistor utilizados en la

paleta y en la turbina respectivamente. U2 y U4 representan el

circuito interno del comparador dual LM393N. (Dos

comparadores).

Figura 4.Diagrama de bloque del interior de un LM393N.

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Lo que se obtiene a la salida del primer

comparador es la señal de la paleta que

representa la inspiración y espiración, y del

segundo comparador es la señal de la turbina.

Lo que se puede apreciar de la imagen capturada

del osciloscopio digital.

Figura 5. Señales adquiridas por medio del

transductor y el circuito observadas en el

osciloscopio digital (canal 1: turbina, canal 2:

paleta)

El acondicionamiento que el circuito genera a

las señales provenientes del transductor es que los pulsos rectangulares que están en alto los deja

fijo en 5V y los pulsos bajos los deja en 0V. Esto permite que los pulsos enviados por las salidas del

circuito puedan ser leídos por el puerto LPT1 del computador ya que este toma por tensión de nivel

alto 3,3 o 5 V y por tensión de nivel bajo 0V. (Por precaución, se alimento el circuito con 4,6 V)

(Sistema completo ensamblado ver figura 6).

3) Elaboración del programa para procesar la señal.

El transductor fue confeccionado con el propósito de tener alguna visión del flujo y el volumen

espiratorio como inspiratorio, sin embargo, estas curvas no nacen solas, se necesita de la

elaboración de un programa ( En el presente caso en el software MATLAB se trabajará esta parte)

que genere nuestra curva. Con el transductor recibimos un tren de pulsos (señales discretas) que

solo difieren en la frecuencia. Por lo que es la variable que se necesita extraer. La dificultad de este

procedimiento es la cantidad de giros que genera la turbina y diferenciar la espiración como la

inspiración (aunque también se puede hacer en una sola gráfica, pero para la comprensión del

receptor, se realizarán en gráficos distintos).

El código se presenta en los datos anexos. Para poder tomar los datos del circuito y hacer que los

adquiera un ordenador, existían varias alternativas, pero para este propósito se opta por usar el

puerto paralelo LPT del ordenador y utilizar los pines de entradas para conectarlos al circuito. Se

utilizan los pines 10 y 12.

Una vez anexado el circuito y el ordenador, sólo falta programar, llamando al puerto paralelo con la

función “digitalio” y llamando mis valores de entrada con la función “addline” que serán los pulsos

que se sitúen en los respectivos pines. En datos anexos se aprecia el código y la gráfica del flujo.

(Ver figura 7).

Observaciones

Dentro de las dificultades que tuvimos para realizar esta actividad tuvimos:

La hélice de la turbina no giraba bien (se frenaba) en la inspiración debido a los cortes

hechos en la lata, lo que se soluciono confeccionando una segunda hélice con mucho más

cuidado.

La colocación y alineación de los LED y fototransistores debido al poco espacio donde se

ubicaron dentro del tubo de PVC.

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Varias veces el circuito no funcionaba debido a que se soltaban las piezas cuando lo

dejamos guardado en el laboratorio.

Encontrar un computador en el laboratorio con el puerto LPT1 funcionando correctamente.

La asignación de los pines era tediosa, cuando se insertaba un cable en el pin, se tiene que

verificar cual es el pin que lee el programa (No siempre es el mismo). Por lo que se tiene

que revisar con cuidado.

Existieron complicaciones al hacer los gráficos del flujo debido que el tiempo de cada

pulsación tiende a ser muy pequeño por lo que MATLAB lo interpretaba como infinito.

Existió problemas en la dispersión de una pequeña cantidad de datos que se disparan bien

arriba del eje de las ordenadas.

Conclusión

Es posible generar la señal del flujo gracias que al espirar, en primera instancia, la turbina gira con

mayor frecuencia y a medida que se agota el volumen pulmonar, la turbina gira con menor

velocidad hasta detenerse. Debido a ese principio, se puede concluir que la frecuencia del giro de la

hélice es directamente proporcional a la frecuencia del pulso que se ve interrumpido por cada

intervención generada por el giro de la hélice, por lo que al graficar la frecuencia respecto al

tiempo, obtenemos la forma de la curva del flujo, sin embargo falta un proceso de calibración de la

señal para que los valores sean valores más reales y no desproporcionados a la capacidad pulmonar

de un mesurando. Del mismo modo se puede obtener el volumen integrando consecutivamente entre

dos puntos de la curva de flujo y así obtener una curva de volumen. Sin embargo ocurrieron

problemas en la adquisición de esta curva debido a la indebida comprensión del lenguaje utilizado y

con la utilización del código de MATLAB “cumtrapz” que no generaba una señal graficable

complicando el objetivo.

También podemos concluir que el puerto paralelo es una buena manera de adquirir datos debido a la

inexistencia de problemas en su tarea, sin embargo, existe dificultad de utilizar este método debido

a que solo los computadores antiguos mantienen estos puertos.

Aplicaciones

La principal aplicación de la espirometría es la medición y evaluación acerca de enfermedades

respiratorias. En primer lugar, se trata de evitar errores cometidos por la valoración subjetiva de los

síntomas, que puede llevar a infravalorarlos o a sobrevalorarlos, tanto por parte del propio enfermo

como del médico que lo atiende.

La espirometría es la prueba que mayor información aporta para evaluar la función pulmonar. Mide

la cantidad y velocidad de la salida del aire. En algunas enfermedades obstructivas, como la

enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) o el asma, el aire tarda más tiempo en salir que

en las personas que no tienen obstrucción (es como expulsar el aire a través de un tubo estrecho

puesto en la boca).

Las aplicaciones clínicas de la espirometría son incuestionables y crecientes. Por definición, es un

procedimiento esencial para el diagnóstico de EPOC y posee capacidad pronóstica en todos los

estados de dicha enfermedad. Además, la espirometría también resulta útil para identificar asma o

trastornos respiratorios restrictivos subclínicos.

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Referencias

Guía de espirómetro. Laboratorio de Bioinstrumentación 2 Carlos Castro, Jorge

Fabres.

Principios de electrónica – Malvino 6º edición.

Clases de Bioinstrumentación 2 Profesor Guillermo Avendaño.

Datasheet LM393N Dual Differential Comparator. Fairchild Semiconductor.

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/8/0uwqfq886ztdzxl759w49r6trg3y.pdf

Datasheet LM311N Single Comparator. Fairchild Semiconductor.

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/8/0uwqfq886ztdzxl759w49r6trg3y.pdf

http://www.separ.es/doc/pacientes/enf_resp/Cap16.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Puerto_paralelo