SISTEMA RESPIRATORIO II: Transporte de gases respiratorio ...
Detección Del Ciclo Respiratorio Basado en Bioimpedancia
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7/26/2019 Deteccin Del Ciclo Respiratorio Basado en Bioimpedancia
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Ingeniera Mecatrnica
Electrnica
Deteccin de ciclo respiratoriobasado en anlisis de
BIOIMPEDANCIA
20 de mayo del 2015
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7/26/2019 Deteccin Del Ciclo Respiratorio Basado en Bioimpedancia
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Introduccin
La frecuencia respiratoria (FR constituye uno de los par!metros fisiolgicos
m!s importantes a ser considerados en la determinacin primaria del estado
patolgico del paciente y a su "e# es un indicador primordial del funcionamiento
del aparato respiratorio$ La frecuencia respiratoria representa los ciclos de
in%alacin y e&%alacin 'ue una persona reali#a por minuto se suele medir en
estado de reposo y presenta una gran dependencia con la edad del paciente$ La
monitori#acin de la frecuencia respiratoria puede ser lle"ada a ca)o utili#ando
t*cnicas de auscultacin por parte del personal asistencial o por medio de
e'uipamiento )iom*dico destinado para tal fin$ En el primer caso se pueden
presentar imprecisiones en el registro de la "aria)le de inter*s dado 'ue este
m*todo no permite esta)lecer con certe#a el inicio o el final de un ciclo respiratorio
y su relacin con el tiempo$ +or su parte la tecnologa )iom*dica e&istente no slo
se limita a proporcionar informacin con respecto a la acti"idad respiratoria del
paciente sino tam)i*n pro"ee otro tipo de signos "itales cuya monitori#acin co)ra
importancia en unidades de cuidados intensi"os y salas de emergencia$ En casos
en donde se re'uiera e&clusi"amente monitorear la frecuencia respiratoria o lle"ar
a ca)o este procedimiento de forma remota y personal por parte del paciente
mismo y fuera del am)iente %ospitalario la utili#acin de los e'uiposcon"encionales tendera a ser impr!ctica e incon"eniente y generara adem!s
costos ele"ados para el usuario$
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Tabla 1 Edad contra Frecuencia de Respiracin por minuto
Los procedimientos e&istentes para registrar la acti"idad respiratoria incluyen
"ariados principios tales como la deteccin de los cam)ios de temperatura del gas
inspirado y espirado por medio de un termistor introducido en una fosa nasal las
"ariaciones de la resistencia el*ctrica en una galga e&tensiom*trica presente en
un )anda a,ustada alrededor del tra& del paciente y el registro de los potenciales
electromiogr!ficos pro"enientes de los m-sculos intercostales$ Las molestias
pro"ocadas ,unto con la suscepti)ilidad de estos procedimientos a los mo"imientos
del paciente 'ue causan artefactos y por ende resultados indeseados conlle"an a'ue su uso no sea tan e&tendido en el am)iente clnico$ +or su parte el M*todo de
Impedancia .ranstor!cica constituye un procedimiento fundamentado en t*cnicas
de )ioimpedancia el cual se )asa en el principio de 'ue la Impedancia / del
tra& "ara con cada respiracin$ La t*cnica consiste en detectar las "ariaciones
en la impedancia tor!cica producto de los cam)ios de "olumen originados por el
ciclo respiratorio$ onsiderando la Fig$ 1 durante la inspiracin la ca"idad tor!cica
se e&pande y el aire es conducido %acia los pulmones por medio de la tr!'uea
todo lo cual conlle"a a un aumento en el mdulo de la impedancia de este
compartimiento$
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Figura 1 Sistema de electrodos tetra polar. La corriente ingresa al trax a travs de loselectrodos ms externos: Los cambios en la impedancia al fujo de la corriente en el trax son
detectados por los electrodos ms internos.
Desarrollo
Etapas re'ueridas para el desarrollo del proyecto
Etapa 3:
ompro)acin del
funcionamiento del
on"ertidor I y
/mplificador de
Etapa :!lculos
analticos para el dise3o
e implementacin fsica
del /mplificador de
Instrumentacin$
Etapa !: !lculos
analticos para el dise3o
e implementacin fsica
del on"ertidor I$
Etapa ": 4ise3o eimplementacin
fsica de la etapa de
Eliminacin de
ffset$
Etapa #: ompro)acindel funcionamiento del
Filtro +asa 6anda de orden
2 7 20 89# y Filtro +asa
6a,as de orden : 7 10 9#$
Etapa $: 4ise3o eimplementacin fsica del
Filtro +asa 6anda de orden
2 7 20 89# y Filtro +asa
6a,as de orden : 7 10 9#$
Diagrama 1. Diagrama a bloues con todas las etapasdel pro!ecto
Etapa !%: +rue)as
reali#adas instrumentando
al su,eto de prue)as$
Etapa &: +rue)as
reali#adas en el on"ertidor
I y /mplificador de
Instrumentacin "ariando
R;$
Etapa &:
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Diagrama ". #tapas simpli$cadas del %ro!ecto
+ara el dise3o de los filtros de esta pr!ctica se utili# un soft=are online de .e&as
Instruments 'ue cuenta con "arias %erramientas llamado >?ational @E6E?9
.oolsA dic%o programa cuenta con una serie de %erramientas online gratuitas para
reali#ar dise3os electrnicos$ 4ic%as %erramientas fueron presentadas inicialmente
en 1BBB con el o),eti"o de )rindar una r!pida solucin al dise3o de fuentes de
alimentacin$ 4el mismo modo nos permite crear circuitos indi"iduales o m-ltiples
con la posi)ilidad de anali#ar su comportamiento o)tener simulaciones as como
diagramas es'uem!ticos etc$ permitiendo as comparar los dise3os y elegir en'ue me,or nos con"enga$
&lustracin 1. '#(#)*+ Design *enter
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!)* Con+ertidor
V
+
V
IL=V
X
M1
=
Proponemos IL=1mA
V
+
V
R1=
1
[ vp ][10]
1.4147mAp=7.13K
R1=
RG=
49.4 K
G1
RG=
49.4 K
101=5.488K
)* Etapa de aisla,iento)
En la etapa de aislamiento no se necesit de nada de)ido a 'ue no era necesaria
para *sta aplicacin de)ida a 'ue solo se trata)a de un prototipo pero para
alguna aplicacin me,or esta etapa es necesaria$
3)* Etapa del a,pli-icador de instru,entacin)
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+ara esta etapa utili#amos el integrado /4C20 (figura D$1 el cual es un
amplificador de instrumentacin especialmente dise3ado para *sta y otras
aplicaciones como el con"ertidor de I solamente 'ue en *sta parte solamente
se utili#a para amplificar el "olta,e$
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Figura D$1 Es'uemtico del /4C20$
La configuracin utili#ada se puede "er en la figura D$2 donde se decidi utili#ar
una ganancia de 2 por lo 'ue se emple una R; de 50 8$
$
Figura D$2 4iagrama es'uem!tico de cone&iones para el amplificador de
instrumentacin$
a)e mencionar 'ue en la figura D$2 las entradas a las patas no in"ersora e
in"ersora respecti"amente corresponden a la salida del electrodo y el otro a tierra
al igual la referencia "a conectada a tierra
La frmula a utili#ar es la de la figura D$D
Figura D$D Frmula de ganancias$
$)* .iltro Pasa Banda
Especificaciones
fc G 20 89# G 20000 9#
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rden G C
Respuesta del filtro G 6utter=ort%
Hupply oltage G J 12 "olts
Res$ .olerance G E12 (10K
ap$ .olerance G E12 (10K
1
1 a c
0 d c
< 1
+ / M +
I
< .
< 2
+ / M +
I
< .
< D
+ / M +
I
< .
R 1
1 1 0
R 2
2 2 0
R D
1 1 0
R
D 0
R 5
1 1 0
R C
D 0
R B
D 0 0
R 1 0
1 5 0 R 1 1
1 5 0
1
1 n 2
1 n D
1 n
5
1 n C
1 n N
1 n
00 0
0
00
0
Diagrama ,. Diagrama #suemtico del Filtro %asa (anda de - orden
/r$ca 1. /r$ca de la Simulacin del Filtro %asa (anda de - 0rden
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#)* De,odulador
+ara el demodulador se utili# el diagrama mostrado en la figura 5$1 en la cual se
decidi colocar las D resistencias de 108%ms solamente 'ue para el c!lculo del
capacitor se utili# la relacin 'ue dice 'ue
RC< 1
2PiFmax
riginalmente se %a)a decidido poner una frecuencia m!&ima de 10 9# pero
como ocasion pro)lemas lo disminuimos por lo 'ue o)tu"imos un capacitor de
2$2Microfaradios$
< 1
+ / M +
I
< .
R 1
1 0
R 2
1 0
1
2 $ 2 u
4 1
4 1 ? 0 0 2
0
0
0
R D
1 0
1
F R E O G 2 8 9 #
/ M + L G 1
F F G 0
/ G 0
4 2
4 1 ? 0 0 2
Diagrama . *ircuito del Demodulador
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/r$ca ". /r$ca de la Simulacin de la #tapa de Demodulacin
")* .iltro Pasa Ba/as
Especificaciones
fc G 10 9#
rden G :
Respuesta del filtro G 6utter=ort%
Hupply oltage G J 12 "olts
Res$ .olerance G E12 (10K
ap$ .olerance G E12 (10K
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< 1
+ / M +
I
< .
< 2
+ / M +
I
< .
< D
+ / M +
I
< .
<
+ / M +
I
< .
R 1
1 0
R 2
2 2 R D
1 0
R
1 5 R 5
: $ 2
R C
1 0 R N
2 $ :
R :
D $ B 1
1 u 2
1 u D
1 u
1 n
5
1 u
C
1 $ 5 u
N
D $ D u
:
2 2 u
0
0
0
0
0
11 a c
0 d c
1
Diagrama 2. Diagrama #suemtico del Filtro %asa (ajas de 3 orden
/r$ca ,. /r$ca de la Simulacin del Filtro %asa (anda de 3 0rden
Circuito i,ple,entado -0sica,ente con sus respecti+as etapas
En la ilustracin 2 se pueden o)ser"ar D etapas del proyecto encerrada en un
recuadro ro,o se puede o)ser"ar la etapa del on"ertidor I el recuadro a#ul
encierra la etapa de/mplificacin de la Halidade donde se "a a medir la se3al y el
recuadro "erde encierra la etapa de Eliminacin de ffset$
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&lustracin ". #tapa del *onvertidor 45& ! su 6mpli$cacin7 #tapa de 08set
4el mismo modo en la ilustracin D se pueden o)ser"ar cuatro etapas del
proyecto encerrada en un recuadro caf* la etapa del Filtro +asa 6anda 7 20
89# el cuadro "erde encierra la etapa del Filtro +asa 6a,as 7 10 9# el recuadro
a#ul encierra la etapa del 4emoduladory el recuadro amarillo la del /mplificador
de Instrumentacin$
+or -ltimo el recuadro "erde encierra una etapa de /mplificacin para el Filtro
+asa 6a,as 7 10 9# y el recuadro gris la etapa de /mplificacin para el filtro pasa
6anda 7 20 89#$
&lustracin ,. #tapa del Filtro %asa (ajas 9 1 +;7 Filtro %asa (anda 9 "
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Conclusiones
La resolucin del proyecto final %a sido satisfactoria tras compro)ar y acreditar
cada una de las etapas adem!s de todo el circuito en su con,unto$
9a sido una gran e&periencia ya 'ue con el conocimiento "isto durante el cursode electrnica 1 pudimos implementar una aplicacin tan interesante$ La
com)inacin de conceptos m*dicos y electrnicos es muy atrayente a nuestra
"isin ya 'ue es una aplicacin creciente en nuestro medio para un perfil como lo
es el de un ingeniero en mecatrnica$
?os gust )astante poder lle"ar a ca)o el proyecto y aun'ue en ocasiones surgen
dudas o pro)lemas en la lectura de las se3ales se pudieron resol"er gracias a la
participacin acti"a de todos los integrantes del e'uipo$ reemos 'ue una parte
muy importante en el armado y prue)a de un circuito es la paciencia orden y
conocimiento acerca de esteP ya 'ue si no se cuenta con el tiempo de)ido y unespacio adecuado de implementacin se tiende a cometer pe'ue3os errores
%umanos$
Finalmente fue muy interesante o)ser"ar la reaccin de la se3al pasando por
cada etapa desde la inyeccin al cuerpo %umano %asta la salidaP sa)emos 'ue el
osciloscopio representa realmente una %erramienta de suma importancia en
nuestra trayectoria y en esta ocasin fue de gran importancia "erificar cada etapa
con ayuda de este$ La medicin de 6ioimpedancia es muy interesante adem!s es
muy necesario mantener los cuidados e&tras 'ue se de)en tener en la aplicacin
ya 'ue in"olucran a un ser "i"o$