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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
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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.
Bibliografía:
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