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PROTOTIPO DE UN SUPERVISOR CENTRAL y MONITOR LOCAL DE
MECANICA VENTILATORIA (SMV) PARA UNIDADES DE CUIDADOS
INTENSIVOS (UCI)
Autores:
Alejandro Palomino Amaro, [email protected] , Bachiller de Ingeniería Electrónica PUCP
Bruno Castillón Lévano, [email protected], Egresado de la Maestría de Bioingeniería PUCP
River Quispe Tacas, [email protected] , Egresado de Ingeniería Electrónica PUCP
Carlos Albino, [email protected] , Bachiller de Ingeniería Mecánica de Fluidos UNMSM
Resumen --- El presente trabajo desarrolla un Monitor Grafico para la Mecánica Ventilatoria y
un Supe rvisor Gráfico para monitorizar hasta ocho de estos Monitores ubicados en una red
de área local, utilizando computadoras compatibles.
El Monitor Grafico se instala a un Ventilador Pulmonar (VP) para medir las señales de
presión proximal (medida muy próxima a la boca del paciente) y flujo respiratorio (medido
con el neumotacómetro GISS), las digitaliza y muestra en forma gráfica presión, flujo y
volumen versus tiempo, los lazos de presión versus volumen y flujo versus volumen y
además muestra alarmas visuales y sonoras de presiones y flujos máximos y/o mínimos,
todos estos sobre una Computadora Personal con Sistema Operativo LinuxRT. Cada
Monitor envía las señales respiratorias al Supervisor Central y este las muestra de la misma
manera que un Monitor incluyendo las alarmas mediante selección en un menú; la red de
área local es diseñada solo para el uso del
Supervisor Central, de los Monitores y
Ventiladores Pulmonares conectados a este.
El neumotacómetro GISS desarrollado, que está en trámite de patente, tie ne como
principales características: baja resistencia al flujo
y respuesta lineal comparables con
neumotacómetros comerciales.
Keywords---Ventilador Pulmonar, Monitor Grafico, Señales Respiratorias, Linux, redes de PC,
Interfaces Graficas. .
I. INTRODUCCION
Con el Monitor Gráfico [1] , [2] de un Ventilador Pulmonar (VP) el especialista de salud
observa mas fácil
las señales respiratorias del paciente (estado clínico del paciente) que por
medio de indicadores mecánicos o electrónicos (LCDs pequeños) como los Ventiladores que no
poseen Monitor Gráfico [1].
En los Hospitales del Perú como El Guillermo Almenara, uno de los principales, la mitad
de sus VPs no poseen Monitor Gráfico; el problema es el alto costo para adquirirlos ($3000 a
$5000). El proyecto ofrece un Monitor Gráfico para los VP de uso adulto que carecen de estos y
además de un Sistema para supervisar hasta ocho VPs (de uso adulto) de cualquier marca dentro
de una red local. Las partes del proyecto son el Monitor Local y el Supervisor Central.
El Monitor Local visualiza gráficamente las señales respiratorias del paciente; además
muestra en forma visual y sonora la sobre presión y el sobre flujo. Para obtener el flujo respiratorio
usamos el sensor
llamado “GISS” desarrollado por nosotros, por que los que existen en el
mercado como el de Hamilton no permiten que otros equipos lo usen.
Cada Monitor Local envía las señales respiratorias al Supervisor Central y este los muestra
gráficamente como un Monitor Local pero un Monitor a la vez, además se muestra si en otro
Ventilador ocurrió una sobre presión o sobre flujo.
II. METODOLOGÍA
La mayoría de los modernos VP poseen interfaces y protocolos de comunicación [1][3]
para adquirir y mostrar las señales respiratorias sobre una PC o
Pantalla LCD, que no son
rebelados por sus fabricantes y no son estándares, por lo tanto, se desarrollo un modulo para
adquirir y digitalizar las señales respiratorias.
Además el prototipo debe ofrecer confiabilidad [2] de los datos adquiridos y procesados, la
adquisición de las señales respiratorias es critico pues con el resultado de estos se estarán
tomando decisiones sobre el estado de salud de un paciente; por lo tanto se uso el Sistema
Operativo Linux que nos brinda herramientas (RTLinux) para tareas criticas; manejo de redes y
para el desarrollo de Interfaces Gráficas.
Para la obtener la señal de flujo usamos el sensor de flujo llamado “GISS” desarrollador
por nosotros, por que los que existen en el mercado como el de Hamilton no permiten que otros
equipos lo usen.
El proyecto (Figura 1), esta formado por dos partes: Monitor Local conectado a un VP, y El
Supervisor Central.
Monitor Local
Ventilador
Pulmonar
Red
Local
Hub
Supervisor Central
Figura 1 Esquema general del Proyecto.
A. Monitor Local
Consta de un módulo de adquisición y una PC; muestra en forma gráfica, las señales
respiratorias de presión proximal, flujo respiratorio, volumen, y lazos de volumen-presión y flujovolumen y en forma de dígitos la presión atmosférica, humedad relativa y temperatura del flujo;
además detecta la sobre presión y sobre flujo. Mantiene la comunicación con el Supervisor Central
a través de una red LAN.
1) Módulo de adquisición de las señales respiratorias [4] [5] [6]: El módulo adquiere y
digitaliza las señales respiratorias [7][8][9][10] de presión proximal, flujo respiratorio, humedad
relativa y temperatura de flujo y presión atmosférica (Tabla 1 [11]) que son obtenidas por medio de
sensores conectados a la línea área [3] que va la paciente, utilizamos el ADC (de 12 bits) y los
sensores 163PC01D75 [12] , 163PC01D48 [12] y HIH-3602-A [13] de Honeywell y MPX4115 [14]
de Motorola.
Tabla 1 Resumen de las principales características de las señales a sensar
2) Programas desarrollados:
2.1) Driver: Es un tarea RTLinux [15][16][17][18] con prioridad 2 y con
frecuencia de
muestreo de 100 Hz. Maneja el Módulo de Adquisición a través del puerto paralelo [19], envia los
datos adquiridos a la Interfase Grafica y al Programa de Comunicación. Además si hubiera sobre
presión o sobre flujo lo indica por medio del speaker de la PC.
2.2) Interfase Gráfica: Desarrollado con librerías Xform [20][21], son dos ventanas, una
muestra en forma grafica la presión proximal en cm H2O, flujo respiratorio en Lpm y el volumen en
L (que se obtiene integrando la señal de flujo respiratorio) y además se muestra en dígitos la
temperatura en oC y humedad de flujo en % y la presión atmosférica en atm; en la otra ventana se
muestran los lazos de Volumen-Presión y Flujo-Volumen. Ambas ventanas muestran alarm as
visuales de sobre presión y sobre flujo.
Figura 2 Pantalla gráfica del supervisor local – Ventana 2. Lazos de Volumen Presión y Flujo Volumen.
2.3) Programa de Comunicación entre computadoras: Utiliza sockets [18][21] para crear un
canal de comunicación entre el Monitor Local y el Supervisor Central para el envio de las señales.
El envío de estos datos cada 10ms.
B. Supervisor Central
El Supervisor Central muestra una a la vez lo mismo que un Monitor Local selecciona por
medio de un menú, además mostrara las alarmas de los otros Monitores Locales si ello ocurre.
1) Red Local: La Red Local diseñada es solo para el uso de los Ventiladores Pulmonares;
se utilizada Ethernet 10/100 Mbps, EIA/TIA [22][23] con
protocolo TCP/IP. La red estará
compuesta por ocho Monitores Locales (Computadoras), un Supervisor Central y un Hub.
2) Recepción: Son ocho programas que utilizan sockets y cada una establece
comunicación entre el Supervisor Central y los Monitores Locales conectados a la red. Cada
programa recibe las señales enviados por una PC local y los envía al programa de Procesamiento.
Cada programa recibe los datos cada 10ms de cada VP.
3) Procesamiento: Recibe los datos de los ocho Programas de Recepción, si existe una
sobre presión o sobre flujo lo indica por medio del Speaker de la PC; las envía a la Interfase
Grafica, dependiendo del Ventilador elegido por el usuario. Es una tarea RTLinux con periodo de
10ms, y prioridad 2.
4) Interfaz Gráfica Central: Similar a la Interfaz Gráfica local (dos ventanas) pero con un
menú (ver figura X) para seleccionar el Ventilador que se desea supervisar. Se supervisa un
Monitor Local a la vez. Además muestra en que otro Ventilador ocurrió una sobre presión o sobre
flujo.
Figura 3 Diseño de la interfaz gráfica del Supervisor Central. Se muestra el menú en la parte derecha
C. Diseño del Sensor de flujo GISS [24] [25] [26]
GISS es un sensor para medir flujo volumétrico (Figura X), consta de un codo de 90
grados y una lámina flexible, brinda una respuesta lineal entre la presión diferencial existente ahí y
el flujo de un gas, que se logra mediante la combinación de la resistencia del conducto y la
obstrucción de área variable originada por la lamina al pasar el gas. Además posee dos canillas
para poner un transductor de presión diferencial para medir la diferencia de presión y así medir el
flujo de aire. Es ideal para medir flujo respiratorio pues mide el flujo en ambas direcciones.
Figura 4 Esquema del sensor GISS.
RESULTADOS
1) Se obtuvieron las siguientes ecuaciones utilizando un Sistema Calibración de Flujo:
Presión proximal = 0.017089844* data - 20.58 en cm H2O
Flujo respiratorio = 0.042543* data - 87.108 en LPM
Humedad relativa =0.0392604* data - 26.55 en %
“data” en cada caso representa los señales respiratorias digitalizados (0 a 4096) de presión, flujo
y humedad relativa del flujo por al ADC.
2) Existe un consumo de recursos excesivo cuando se muestres simultáneamente los tres objetos
usados para mostrar el presión flujo y volumen; con esto se estaban perdiendo datos que eran
enviado por el driver; así que se optó por mostrar un objeto cada 30ms (periodo de muestreo), es
decir el mismo objetos se mostrara cada 30ms; además el ojo humano no distingue esta diferencia.
3) El Sistema se llevó al Hospital Guillermo Almenara (GA) del Perú para realizar algunas pruebas.
Primero se observo que seria útil también para los Ventiladores Mecánicos que por sus limitaciones
ya no se usaban; segundo, se conecto a un Ventilador Volumétrico, comparamos si ambos
mostraban los mismo valores, se observo que existía un error de 6%; por tanto se necesita aun
calibrar.
4) Se realizaron pruebas al GISS y al sensor comercial de Hamilton Medical utilizando el Sistema
Calibración de Flujo. El GISS posee un rango de -250 a 250 Lpm y una resistencia de 0.020066 cm
H20/Lpm; la desviación respecto a la línea de tendencia es de 0.9951, valor próximo a 1 lo que
revela la buena linealidad del sensor. El sensor de Hamilton tiene una resistencia de 0.0295 cm
H20/Lpm que es ligeramente mayor que la del GISS, pero ambos cumplen con la norma ASTM F
1100-90 [27], (la resistencia a la expiración en un adulto debe ser menor a 5 cm H2O a 50 Lpm o
0.1 cm H2O/ Lpm), la desviación respecto a la línea de tendencia es de 0.9973 lo que revela que el
GISS esta muy cerca de este valor.
Figura 5 Curva de respuesta del sensor GISS, flujo versus amplitud.
Figura 6 Curva de respuesta del sensor de Hamilton-Medical, presión versus flujo
IV. DISCUSIÓN
Se puede llevar acabo la visualización de las señales en forma grafica utilizando pantallas
de cristal liquido grafico y procesadores, pero su costo desarrollo es alto; la otra manera es
desarrollando sobre PC y desarrollo es mas económico, como ya se dispone de PC se opto por
estas.
V. CON CLUSIONES
1) El proyecto esta diseñado para usarse en VP que se usan en pacientes adultos.
2) Al utilizar Xform se logra que estas no se consuma demasiados recursos del sistema.
3) El uso de software libre representa una alternativa económica y practica para el desarrollo de
equipos médicos de monitoreo.
4) El sensor GISS muestra una linealidad de 0.9951 (próximo a 1) y ocasiona un baja resistencia
(0.020066 cmH20/Lpm).
5) Para no depender de la marca del VP se opto por adquirir las señales por el tubo corrugado que
va hacia el paciente, por lo tanto este es el primer Sistema que integra dentro de una red de local
las diferentes marcas de Ventiladores Pulmonares para ser monitorizados.
6) Se utilizó Red Hat 6.2 que posee el kernel 2.2.14 de Linux que es estable, y el RTLinux 2.3 que
es compatible con este kernel.
8) Las pruebas se realizaron entre dos PC, Pentium III / 1000Mz / 128MB para el Supervisor
Central y la otra de una Celeron / 300Mz / 64MB para el Monitor Gráfico, cada una con un tarjeta
RTL8139 de 10/100Mz y conectadas a un Hub.
9) Las tareas de tiempo real (RTLinux) garantizan que el periodo de adquisición sea 10ms.
10) Se diseñó una red LAN exclusiva solo para los VP para garantiza que la transmisión de los
datos sea segura.
11) Las pruebas realizadas con los Ventiladores del Hospital GA nos permitió saber que
necesitamos de un buen sistema de calibración.
RECONOCIMIENTOS
Este trabajo ha sido desarrollado con el apoyo de la Dirección Académica de Investigación
de la Pontificia Universidad Católica del Perú
Agradecimientos a la unidad de bioingeniería del Hospital Nacional Guillermo Almenara
Irigoyen – EsSALUD por las facilidades prestadas para llevar a cabo las pruebas.
BIBLIOGRAFÍA
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[13] Honeywell. Humidity sensors Reference and application data.
[14] Motorota Hoja de datos sensor MPX4115A
[15] http://aaron.ls.fi.upm.es/~jjamor/linux/rt/charla/node43.html
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Use – Part 1: General Requirements for active Humidification systems” F1100-90, 1996, Annual
Book of ASTM Standard, Vol 13.01.
Proyecto terminado donde se observa el Módulo de Adquisición el Monitoreo Local y el Sensor GISS.
Prueba del Proyecto con un Ventilador Mecánico en el Hospital Guillermo Almenara