Equipo térmico regulador de temperatura controlado por

Equipo térmico regulador de temperatura
controlado por microcontrolador.
Resumen— Todo procedimiento quirúrgico conlleva riesgo
vital, especialmente pacientes pediátricos que pueden
morir por presentar hipotermia no inducida durante la
cirugía a la que son sometidos. La hipotermia es un
trastorno común en pabellones de cirugía infantil, causada
por la inducción anestésica a la que es sometido el
paciente. La anestesia modifica la fisiología del paciente,
por efecto de los fármacos aplicados, las variaciones
fisiológicas y fisiopatológicas de la enfermedad que lo
afecta.
Debido a diversas condiciones, los neonatos presentan
problemas para regular su temperatura durante las
intervenciones quirúrgicas, por ello se diseñó y desarrolló
un colchón térmico que regula su temperatura y ayuda al
paciente a evitar cuadros de hipotermia, manteniendo así
la superficie de contacto paciente-colchón a una
temperatura adecuada.
El colchón térmico desarrollado, está basado en la Ley de
Joule.
Utiliza una batería de 12[V], la corriente que pasa a través
de cada resistencia calefactora es de 1,2[A] y el tiempo que
tarda en obtener la temperatura deseada es de 10 [min]. A
lo anterior, según la ley de joule, la cantidad de calor que
genera la corriente al pasar a través de la resistencia
calefactora es Q = 2073,6 [cal]. El sistema calienta por
conducción al paciente, basado en la utilización de
resistencias calefactoras ubicadas dentro del colchón. Este
método ayuda a disminuir las pérdidas de calor por la
espalda del paciente. Cuenta con sistemas electrónicos que
controlan y monitorizan la temperatura de la superficie
del colchón. Puede ser utilizado durante cirugías
infantiles, ya que permite total acceso al paciente.
El equipo desarrollado brinda beneficios como, mejor
acceso al neonato, disminución de costos comparados a la
incubadora, portátil, microcontrolado y cuenta con un
sistema de respaldo en caso de fallas y diferentes alarmas
según el problema que presente.
Palabras clave— Colchón térmico, Control de
temperatura, microcontrolador.
Referencia—"El trabajo es el resultado de la Tesis:
Investigación y desarrollo de un colchón térmico regulador
de temperatura, empleando un microcontrolador PIC,
para neonatos sometidos a procedimientos quirúrgicos.
Realizado por Úrsula Bello Retamales y Romy Herrera
Robertson, estudiantes de la carrera de Ingeniería
Biomédica de la Universidad de Valparaíso, Chile.”
I. INTRODUCCIÓN
El paciente es un recién nacido que se encuentra en
estado crítico de salud. Son pacientes con alteraciones
generalmente agudas, que determinan un daño que va
desde la limitación funcional variable de uno o más
parénquimas hasta la muerte.
Los pacientes menores de 12 meses, para el estudio
son llamados neonatos, en particular son propensos a la
pérdida de calor ya que poseen una mayor superficie
corporal en relación con su peso (tres veces la de un
adulto), tienen menos tejido aislante, presentan un
déficit de sustratos y tienen la incapacidad de producir
calofríos, lo que limita la termogénesis.
A causa de una menor termogénesis por ácidos grasos
libres provenientes de la grasa parda, tejido
especializado que representa el 2-3% del peso corporal,
los neonatos generan una escasa producción de calor, lo
que les provoca un alto consumo de oxígeno durante la
cirugía.
Se recomienda mantener el ambiente calefaccionado a
unos 24 [ºC], proteger las zonas expuestas del neonato
como la cabeza, utilizar un calentador por conducción
(colchón térmico, para niños de hasta 10 [Kg]), cubrir
con plásticos al paciente y evitar que éste permanezca
mojado con algún fluido, como por ejemplo, sangre.
Debido a lo anterior, existen diversas tecnologías
utilizadas para prevenir la hipotermia en pacientes
neonatales. El método de prevención elegido para
desarrollar fue el colchón térmico. En un principio, la
elección se debió a su diseño económico, y por las
ventajas que éste ofrece durante procedimientos
quirúrgicos, como por ejemplo que los especialistas
dispongan de libre acceso al paciente.
II. DIVISIÓN EN ETAPAS
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Diseño del Equipo con sus respectivas etapas
(Diagrama en Bloques).
Análisis de cada bloque correspondiente al
diagrama.
Referente al análisis, diseñar el sistema a
implementar como circuito.
Obtenido el diseño correspondiente a cada bloque,
se seleccionan los materiales y componentes a
utilizar.
Para una buena selección se ponen a prueba los
materiales, para probar la efectividad de estos.
Los componentes son seleccionados según las
necesidades del circuito y sometidas a criterio de
pruebas.
Se procede a la construcción del colchón.
Se procede a la construcción del circuito por etapa.
Se comprueba la funcionalidad de cada etapa del
circuito por separados.
Una vez comprobado su correcto funcionamiento se
unen las etapas para seguir realizando pruebas de
efectividad del circuito en totalidad.
Finalizadas las etapas de pruebas para el circuito, se
lleva a cabo en forma paralela la programación para
el PIC según la filosofía del programa.
Se comprueban las funciones del programa
haciendo las conexiones correspondientes entre la
placa de desarrollo y el hardware implementado.

Terminadas las etapas anteriores y corrigiendo los
errores de programación y circuitería; se establecen
finalizadas las etapas de pruebas y el correcto
funcionamiento del equipo diseñado y construido.
y una tuerca que mantenían al perno en la posición
deseada.
III. SELECCIÓN DE MATERIALES
Si bien los colchones térmicos pueden entregar calor
por medio de resistencias, agua o incluso aire, se optó
por diseñar un colchón que trabajase con resistencias
calefactoras de Nicrom de 10[] cada una, por ser un
sistema económico y seguro en cuanto a filtraciones de
agua, aire y sus respectivas presiones dentro del
colchón.
Fig.2: Diagrama de conexión.
C. Microcontrolador
Fig. 1: Medidas del Nicrom.
A. Telas
Las resistencias calefactoras fueron probadas en
diferentes materiales de recubrimiento, con el propósito
de encontrar el material más adecuado para
confeccionar el colchón. Las características que debía
poseer son las siguientes:
 Resistencia a altas temperaturas.
 Impermeables al agua.
 Bajo costo.
 Fácil limpieza.
 Dúctil.
 Posibilidad de ser esterilizado.
El material que cumplía con todos los requisitos
mencionados anteriormente era el Tevinil.
Una vez seleccionado el material a utilizar, se
procedió a coserlo con un sistema de bolsillos, dentro de
los cuales se ubicaron las resistencias de Nicrom.
B. Relleno
El colchón térmico se rellenó con arena, previamente
filtrada, lavada, secada y cernida. La arena posee una
conductividad eléctrica similar a la del aire, fue medida
también con ohmímetros.
El material ideal para rellenar el colchón térmico era
sílice en arenilla, pero fue difícil de conseguir en el
mercado, esta arenilla no presenta riesgo biológico para
el paciente. Otra opción de relleno del colchón era
cerámica pulverizada, similar a la utilizada en la vajilla.
El material de relleno puede ser expuesto a rayos
gamma para su esterilización.
La figura Nº2, muestra la forma de conexión del
Nicrom. Se utilizaron pernos de 1’’ aproximadamente
ubicados al interior del colchón. El perno pasaba a
través del Nicrom dentro del colchón, luego salía por el
orificio realizado través de éste y atravesaba una golilla
Para éste proyecto se utilizó en el PIC 16F877A
fabricado por Microchip, un microcontrolador que
trabaja en conjunto con el sistema de desarrollo USBP,
de la empresa Facter. El PIC 16F877A posee varias
características que hacen de este microcontrolador un
dispositivo muy versátil, eficiente y práctico para ser
empleado en éste diseño.
D. Transductor de temperatura
La medición de la temperatura del paciente es
realizada por un transductor que viene incorporado en el
monitor multiparámetro, utilizado en pabellón, y el
lugar escogido para la monitorización de la temperatura
es el tercio distal del esófago (Core), ya que es el sitio
más específico con respecto a las variaciones centrales
de la temperatura corporal.
Debido a lo anterior sólo se utilizarán transductores
de temperatura ubicados en la superficie del colchón
térmico, para monitorizar la temperatura de éste. El
escogido fue el LM35, un transductor de temperatura
altamente preciso ( + 0.25[ºC] a temperatura ambiente),
que entrega como salida un voltaje proporcional a la
temperatura registrada, a una razón de 10 [mV] por
cada Grado Celsius [ºC], teniendo por lo tanto una
relación lineal entre voltaje y temperatura.
La señal que entrega el LM35 es demasiado pequeña
(del orden de los [mV]), como para ser utilizada en las
siguientes etapas, por lo que se debió hacer uso de un
amplificador operacional para el tratamiento de la señal,
el amplificador seleccionado fue el LM324.
El intervalo de temperatura a medir iba desde los 31
[ºC] hasta los 38 [ºC]. A este rango se le debió agregar
los límites máximo y mínimo. Tomando en cuenta las
temperaturas de importancia para la medición, se
seleccionaron como límite inferior 30 [ºC] y límite
superior 40 [ºC], teniendo así un intervalo de 10 [ºC].
De lo anterior:
Vmínimo = V30 [ºC] = 30 [ºC] (10[mV/ºC] ) = 300 [mV]
Vmáximo = V40 [ºC] = 40 [ºC] (10 [mV/ºC] ) = 400 [mV]
V = (40 [ºC] – 30 [ºC] ) (10 [mV/ºC] )
V = 10 [ºC] (10 [mV/ºC] )
V = 100 [mV]
Por lo tanto se tienen 100 [mV] de intervalo entre
ambas temperaturas.
Luego, la señal debía ser digitalizada para poder ser
procesada por el microcontrolador. Para digitalizar la
señal se utilizó el conversor análogo–digital (propio del
microcontrolador) de 8 bits que equivale a 256 valores
diferentes o niveles (0 – 255).
El conversor análogo–digital trabaja con rango de
voltaje entre 0 – 5 [V], por lo tanto:
5 [V] = 0.019[V] => 20[mV]
256
De la ecuación anterior se puede conocer el “ancho” de
cada uno de los niveles del conversor análogo–digital,
que corresponde a 20 [mV].
Entonces si la señal proporcionada por el LM35 fuese
entregada directamente al conversor análogo–digital, se
tendría lo siguiente:
300 [mV] => nivel Nº 15.
20 [mV]
400 [mV] => nivel Nº 20.
20 [mV]
Cada nivel tiene 20[mV] y son 5 niveles (20 –15) de
diferencia entre cada límite. Entonces:
5 x 20[mV] = 100[mV]
Al amplificar la señal entregada por 10, se utilizaron 50
niveles del conversor análogo–digital, teniendo así una
mejor resolución de 0.2 [ºC], significando un error de
cuantización de + 0.2 [ºC]. Aún así sigue existiendo un
error, sin embargo, no afecta los resultados esperados en
forma significativa. El circuito amplificador de la señal
basado en un LM324 será descrito en el capítulo 4.
2. Error de conversión:
El error máximo permitido del conversor análogo
digital del PIC 16F877A es de 1/2 de LSB (Less
Significant Bit, es decir, el último bit, el menos
significativo puede presentar error ya que puede ser 0 ó
1 y viceversa. Esto conlleva al error de un escalón.
3. Error de medición:
El LM35 proporciona exactitudes de ±0.25[°C] en la
temperatura ambiente y de ±0.75[°C] entre temperaturas
de -55[ºC] a +150[°C]. Contando con un error de
medición de 0.5[ºC].
E. Alimentación
Se debió considerar como factor importante en el diseño y
construcción del equipo, la seguridad electromédica,
donde se deben conocer aspectos fundamentales sobre los
efectos que produce la electricidad en el organismo, la
seguridad que deben poseer los equipos médicos y los
criterios de seguridad que afectan al paciente.
Entonces el colchón térmico es alimentado por una
batería recargable de 12[V] y 45 [Ah] para evitar fugas de
alterna si se usa una fuente AC/DC, hacia el paciente.
De lo anterior y de acuerdo con la norma IEC 60601, el
equipo diseñado como proyecto de tesis corresponde a
un equipo Clase IV ya que utiliza una batería y presenta
un sistema de seguridad que impide que el equipo se
utilice mientras se esta recargando la batería.
IV. CONSTRUCCIÓN DEL COLCHÓN TERMICO
Fig. 3: Niveles de cuantización del conversor A/D.
De lo anterior, se debe tomar en cuenta de que el
resultado final de la conversión no será exacto debido a
errores que se incluyen, éstos pueden ser minimizados
pero no eliminados. Es por ello que a continuación se
detallan los tipos de errores presentes:
1. Error de Cuantización:
Al entregar de forma directa la señal se tiene una
menor resolución y un error aproximado de 2 [ºC], que
puede afectar considerablemente los resultados de
medición y regulación de la temperatura.
La solución a este problema es amplificar 10 veces la
señal entregada por el transductor de temperatura
LM35.
Luego:
300 [mV] x 10 = 3 [V]
400 [mV] x 10 = 4 [V]
3 [V] => nivel 150
20 [mV]
4 [V] => nivel 200
20 [mV]
A. Hardware del Colchón Térmico.
El hardware fue diseñado para llevar a cabo varias
funcionalidades, que permiten al firmware del
microcontrolador regular la temperatura deseada. El
hardware permite amplificar o actuar en base a las
salidas del microcontrolador para entregar la corriente
necesaria para la operación correcta del colchón; posee
protección y alarma para evitar el sobrepaso del límite
de temperatura máxima permitida, además de proteger
las entradas del microcontrolador ante alzas de voltaje
que pudieran ser generadas por el adaptador de señal del
transductor de temperatura. También cuenta con un
sistema que detecta y avisa que el nivel de la batería ha
bajado del mínimo de carga para correcta operación.
Figura Nº4 : Diagrama en bloques
Las funciones y descripciones de los bloques son las
siguientes:
1. Batería: Suministra la energía al sistema, para
evitar conexión directa a la red eléctrica.
2. Transductor de Carga: Permite obtener una lectura
del nivel de carga de la batería, en conjunto con el
bloque adaptador del mismo, para evitar y avisar
que el límite de descarga de la batería ha sido
alcanzado.
3. Regulador: Permite fijar el voltaje de alimentación a
un valor estable, en este caso a 5[V].
4. Microcontrolador: Controla los niveles de
temperatura deseados a través de la lectura de las
mismas actuando sobre el colchón.
5. Amplificador (A): Permite generar una señal de
corriente con la potencia suficiente para alimentar
el colchón, la que es controlada por el
microcontrolador.
6. Referencia: Permite definir un umbral máximo de
temperatura en conjunto con el comparador. En
caso de superar el nivel máximo se activa la alarma.
7. Pantalla LCD: Permite mostrar mensajes y el estado
del equipo al operador.
8. Teclado: Permite interactuar con el equipo, para
elegir el nivel de temperatura deseado, detener
normalmente y en caso de emergencia.
9. Transductor de señal: Permite tener una lectura de
la temperatura, la cual es leída por el
microcontrolador a través del adaptador de señal.
10. Adaptador de señal: Permite ajustar los valores
entregados por el transductor a niveles aptos para la
operación del microcontrolador.
11. Colchón: Entrega calor a la temperatura deseada al
paciente.
12. Paciente: Neonato sobre el colchón.
13. Fusible: Permite proteger tanto al sistema como a la
batería ante eventuales cortocircuitos y/o aumentos
de corriente que puedan dañar algún componente
del sistema.
1. Circuito Actuador: Calentamiento del Colchón
Térmico.
Cumple con la función de proveer corriente a un
nicrom, permitiendo así que la temperatura suba al nivel
deseado, entregando temperaturas en un rango de 31 a
38 [ºC].
2. Circuito de Medición: Captura y adaptación de la
Señal.
Una vez desarrollado el circuito actuador para el
colchón térmico, se necesita un circuito para la lectura
de la temperatura de una etapa, de forma de mantener
un control realimentado continuo sobre la misma.
Para la amplificación se utilizó una configuración básica
del AO LM324., Amplificador no inversor, debido a la
sencillez, confiabilidad y ya que no invierte la señal.
La señal amplificada puede ser utilizada ahora por el
PIC, sin embargo ante posibles fallas o altas
temperaturas que provoquen voltajes mayores, éstos
pueden generar voltajes dañinos (superiores a 5[V]) para
la entrada análoga del PIC, para lo cual:
- Se implementa un circuito limitador de voltaje, el cual
impide el paso de voltajes mayores a 5 [V].
- Teniendo resuelto lo que es seguridad de sobrevoltaje
(como una medida de respaldo para el PIC), la señal es
ingresada al PIC para ser utilizada en la programación.
3. Etapas de Alarmas: Para Temperaturas Altas y
Batería.
Para hacer el sistema de regulación de temperatura del
Colchón Térmico más confiable se realizaron etapas de
alarmas tanto en hardware como en software con el
propósito de contar con un respaldo en caso de falla de
alguno de los dos.
- Alarma para Temperaturas Altas.
 Se realiza una comparación entre la señal de
entrada equivalente a la temperatura de los
transductores respecto a una referencia dada por un
potenciómetro, éste se calibra para tener el máximo
valor permitido de voltaje equivalente al límite de
temperatura alta permitida (38ºC), se toman las
medidas de seguridad en caso de aumento del
máximo permitido en temperatura.
- Alarma para Niveles Bajos de Batería.
 Indica mediante el encendido de un LED cuando la
batería baja al nivel mínimo de voltaje necesario
para correcta operación del circuito.
B. Software del Colchón Térmico.
1. Filosofía de Control.
Al encender el equipo, se despliega en el Display de
cristal líquido el mensaje de bienvenida, luego de 2000
[ms] el software solicita seleccionar uno de los tres
niveles de temperatura programados previamente.
El teclado acepta como entrada las teclas 1, 2, 3, 4 y
5. Las teclas 1, 2 y 3 determinan el nivel de temperatura
del colchón térmico. Si las teclas 1, 2 o 3 son
presionadas, se mostrará en la pantalla el mensaje del
nivel de temperatura seleccionado y se dará inicio a la
conversión de las seis temperaturas entregadas por los
transductores LM35 y su despliegue en el Display de
LCD, además de su regulación entregando ceros
(apagando) o unos (encendiendo) a la salida del puerto
C del PIC 16F877A. De esta forma se enciende o apaga
el colchón térmico de acuerdo al nivel de temperatura
seleccionado.
Los niveles son:
 31.3-32.7[ºC], Nivel bajo.
 34.2-35.7[ºC], Nivel medio.
 37.2-38.7[ºC], Nivel alto.
Además, el programa cuenta con un sistema de
bloqueo que impide seleccionar un nivel de temperatura
si el colchón térmico se encuentra en funcionamiento, es
decir, si ya se ha presionado una tecla. Para cambiar el
nivel de temperatura es necesario utilizar primero la
tecla 5 (“stop”) y luego seleccionar el nuevo nivel de
temperatura. Si la tecla presionada corresponde al
número 4, entonces el programa desactiva el teclado
(suspendiendo las interrupciones externas), deja de
desplegar las temperaturas captadas por los
transductores LM35, entrega ceros a la salida del puerto
C para apagar las resistencias calefactoras del colchón
térmico, y pide que el equipo sea reiniciado de forma
manual, es decir funciona como un “botón de pánico”.
Si durante el funcionamiento del programa se ha
presionado la tecla número 5, significa que se ha
oprimido el botón de “stop”. Este botón detiene lo que
está haciendo el programa, apaga el puerto C (apaga las
resistencias calefactoras del colchón) y muestra el
mensaje de selección de temperatura.
Si se ha presionado la tecla número 1, se ha escogido
el nivel 1 (bajo) de operación, entonces el programa
regula las temperaturas de las resistencias calefactoras
del colchón entre:
S1 = 162 = 31.3[ºC]. Límite inferior de temperatura.
S2 = 167 = 32.7[ºC]. Límite superior de temperatura.
Si se ha presionado la tecla número 2, el programa
regulará en el nivel medio la temperatura de las
resistencias de Nicrom en el colchón térmico. Los
valores entre los que se mueve el nivel de temperatura
medio son los siguientes:
S1 = 177 = 34.2[ºC]. Límite inferior de temperatura.
S2 = 182 = 35.7[ºC]. Límite superior de temperatura.
En cambio si la tecla oprimida ha sido la número 3 el
nivel seleccionado es el alto y la temperatura será
regulada entre:
S1 = 192 = 37.2[ºC]. Límite inferior de temperatura.
S2 = 197 = 38.7[ºC]. Límite superior de temperatura.
Donde S1 y S2 son variables utilizadas como referencia
para el programa, y dependen del nivel de temperatura
seleccionado.
V. CONCLUSIONES
Al término de esta investigación se cuenta con un
colchón térmico fabricado de Tevinil o cuero sintético
resistente, cómodo y económico, se han desarrollado
sistemas que si bien no eran requisitos para el proyecto,
mejoran considerablemente el equipo diseñado.
A continuación se enumeran las características que
posee el colchón térmico desarrollado:
 Por ser éste un prototipo, el colchón se encuentra
relleno de arena de dunas filtrada y no conductora
eléctricamente. Sin embargo, para un modelo
comercial, éste debe ser rellenado con arena
sintética o sílice, ya que éste garantiza su
esterilidad.
 El equipo puede ser utilizado tanto sobre mesas
quirúrgicas durante operaciones o en cunas
radiantes para terapias realizadas a los pacientes.



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
El software diseñado especialmente para el equipo
controla continuamente la temperatura seleccionada
y monitoriza la temperatura de la superficie de
contacto del colchón a través de seis transductores
de temperatura LM35.
Los circuitos de seguridad alertan de un exceso de
temperatura o de una falla en el equipo, asimismo
del descenso por debajo de lo permitido de la carga
de la batería, para el correcto funcionamiento del
equipo.
De existir un exceso de temperatura el equipo
cuenta con un “botón de pánico” que por medio del
software corta la corriente hacia las resistencias
calefactoras del colchón y así poder contar con un
equipo más seguro.
Pueden seleccionarse temperaturas de trabajo entre
32[ºC] y 38[ºC], distribuidas en tres niveles de
temperaturas.
El equipo funciona a baja tensión de alimentación
utilizando para ello una batería de 12[V], que
garantiza la seguridad electromédica.
El colchón es flexible, impermeable a líquidos,
como agua o sangre y puede ser desinfectado
fácilmente