En este momento, cuando millones de personas son atacadas por Covid-19 o el virus Corona, la necesidad de atender los casos más graves lleva inmediatamente a dos equipos fundamentales para mantener la vida: el ventilador pulmonar o el respirador. Con la expansión de la enfermedad y la entrada en el mercado de miles de unidades de estos dispositivos, no solo es importante el conocimiento de su principio de operación por parte de quienes cuidan a las víctimas y operan los dispositivos, sino también para cualquier profesional en el campo electrónico que desee hacer mantenimiento Más que eso, los lectores con habilidades adicionales pueden incluso fabricar estos dispositivos, comenzando así una nueva actividad importante. En este artículo nos enfocamos en el principio de operación de este equipo, así como también en brindar información importante para un proyecto eventual.
Hay casos en que un paciente no puede respirar adecuadamente por varias razones. Una es la incapacidad de activar el pulmón para que bombee aire. Otra, como ocurre en el caso del virus corona, es la presencia de secreciones que afectan la llegada del aire de manera adecuada.
Para estos casos, el aire debe ser bombeado para que llegue a los pulmones, lo que conduce a la oxigenación necesaria.
Para este propósito, se utilizan equipos médicos llamados ventiladores pulmonares y concentradores de oxígeno, cuyo propósito es forzar el aire externo a través de la presión para llegar a los pulmones del paciente, y aumentar la concentración de oxígeno, produciendo la oxigenación necesaria, que es responsable para mantener la vida.
Los ventiladores pulmonares o respiradores pueden tener los más diversos grados de complejidad. Pueden ser bombas de presión simples, con algunas funciones de control que evitan el exceso de presión capaz de causar daños, incluso las más sofisticadas que aumentan la concentración de oxígeno y tienen funciones que controlan la oxigenación del paciente, controlando así el nivel de presión de aire. eso es forzado, además de otros.
Recordamos que el aire que respiramos contiene solo alrededor del 20.8%, de los cuales el 78% es nitrógeno, que es inerte y el 2.2% restante de varios otros gases como dióxido de carbono, argón, vapor de agua, etc.
Por lo tanto, en un equipo más simple, en el que bombeamos el aire ambiente en sí, debemos considerar que solo el 20% es oxígeno. En un caso en el que el paciente necesita más oxígeno, el dispositivo también debe poder concentrar el oxígeno y no solo bombearlo, por lo que hay recursos para eso. En ese caso, tenemos concentradores de oxígeno. Así que veamos cómo funcionan.
Como funciona
En el tipo básico y más simple, lo que tenemos es una bomba de aire que retira el aire del entorno y lo hace pasar a través de filtros y válvulas que realizan la dosificación, de modo que la presión excesiva no cause daño al paciente, aplíquelo a través de un tubo al pulmón del paciente. También hay casos más leves en los que se pueden usar máscaras.
Sin embargo, podemos tener tipos más avanzados en los que se pueda obtener y controlar la concentración de oxígeno. En este caso, podemos decir que el dispositivo también es un concentrador de oxígeno.
En la figura 2 se muestra un tipo básico en el que se utilizan filtros para concentrar oxígeno.
En este tipo de equipo, tenemos un motor que acciona un compresor que elimina el aire del ambiente y utiliza válvulas solenoides de 4 vías para aplicarlo a dos filtros. La proporción en la que actúan los filtros determina la concentración de oxígeno y se puede ajustar a valores que alcanzan el 95%.
Los filtros se basan en materiales llamados macroporosos que tienen poros cuyas dimensiones se comparan con las de átomos o moléculas individuales. Por lo tanto, una "red" hecha con estos materiales puede dejar pasar selectivamente a través moléculas de tamaños diferentes, por ejemplo, oxígeno, pero evitando el paso de otros gases. Estos se llaman filtros moleculares.
Luego obtenemos oxígeno con diversos grados de pureza que se pueden llevar al paciente.
Electrónica en acción
En un proyecto más elaborado, con más componentes electrónicos, podemos agregar una funcionalidad que genere más seguridad y mejores efectos.
Se da un ejemplo en el diagrama de bloques de un ventilador que también concentra oxígeno, usando un microcontrolador. (figura 3)
En este proyecto, por ejemplo, en lugar de concentrar filtros, se utilizó una fuente de oxígeno externa para obtener una mezcla con la proporción deseada.
Esta proporción viene dada por la información capturada por sensores en el paciente (oximetría) y llevada a un microcontrolador. Este microcontrolador, además de determinar la proporción de oxígeno a bombear, también actúa sobre los controles de presión y eventualmente activa una alarma si es necesario.
En una variación de este proyecto, podemos obtener la mezcla a través de un filtro, sin la necesidad de un globo de oxígeno externo. Evidentemente, los valores de concentraciones, presiones, oxígeno monitoreado deben obtenerse de la literatura apropiada, con algunos disponibles en Internet, como el trabajo disponible en: http://www.peb.ufrj.br/teses/Tese0024_2005_12_09.pdf
El proyecto de la UFRJ que presenta este trabajo, Andrea Fonseca da Cruz, fue creado originalmente para animales pequeños, pero sirve perfectamente como base para un proyecto avanzado como el siguiente.
Proyecto avanzado
En nuestro artículo ART2111S , en el que tratamos los diseños de equipos médicos con componentes de Texas Instruments, presentamos un ejemplo de un concentrador de oxígeno sofisticado, totalmente respaldado por la compañía.
El diagrama de bloques de este respirador (ventilador) o concentrador de oxígeno se muestra en la figura 4.
En este proyecto, obviamente, el elemento central es el microcontrolador. Al ir al sitio web de Texas y hacer clic en el microcontrolador, encontramos que hay muchas opciones para un diseñador. Puede usar un microcontrolador más simple que tiene conexiones por cable a periféricos, tanto en versiones de baja potencia para un dispositivo portátil como en versiones normales. Las capacidades de procesamiento pueden variar.
Del mismo modo, tenemos opciones de conectividad, como conexiones inalámbricas con sensores o acceso a una red WiFi para enviar datos en tiempo real a un equipo médico.
Imagine que el equipo médico tiene acceso a cada paciente usando el dispositivo en sus teléfonos celulares, recibiendo información en tiempo real e incluso alertas.
En este mismo diagrama también tenemos las opciones de control para los motores usados que pueden ser de las más diversas tecnologías, como motores paso a paso, motores sin escobillas, motores comunes, etc.
Y, por supuesto, todavía tenemos componentes de soporte como los que forman parte de una fuente de alimentación, componentes de protección contra sobretensiones en la red eléctrica, amplificadores operacionales para usar con sensores y efectores y mucho más.
También hay aplicaciones específicas que están disponibles, por ejemplo, los circuitos utilizados en oximetría, medición de temperatura, medición de presión y mucho más.
Vea que la sofisticación del proyecto puede alcanzar altos grados, dependiendo de lo que se desee. Desde una máquina simple con los conceptos básicos y la consiguiente reducción de precios, hasta una máquina sofisticada con todas las características que la tecnología moderna puede proporcionar.
Para los makers
El futuro promete cambios raidicales en nuestra forma de vivir. La desrupción que está causando el Virus Corona está demostrando que, cuando todo pase, el mundo será diferente.
Muchas actividades que hasta entonces eran comunes dejarán de existir. La rápida adopción de la tecnología digital, especialmente Internet, impuesta por la pandemia nos impedirá volver a las costumbres anteriores.
Las tiendas desaparecerán, reemplazadas por compras por Internet, los eventos serán virtuales y muchas personas trabajarán exclusivamente en casa.
Sin embargo, el ser humano no cambiará y cuando esté en problemas seguirá yendo al médico o al hospital. El equipo médico no solo se volverá más sofisticado, sino que también estará conectado, formando parte de un mundo único en el que su médico controla su cuerpo a través de un dispositivo que sirve como interfaz.
Los respiradores o ventiladores, los concentradores de oxígeno conectados son ejemplos de equipos que formarán parte de nuestro mundo futuro. Puede ser el desarrollador, fabricante, vendedor o responsable de mantenerlos.
Nota: vea el artículo Oximetría de pulso – MA106S
