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VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería
Habana 2007
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DISPOSITIVO PARA
TERAPIAS RESPIRATORIAS BASADO EN OSCILACIONES DE
ALTA FRECUENCIA SOBRE LA PARED TORÁCICA
D. Cuartas1, L. Zuleta1, P. Gómez1, F. Correa1, C. Mosquera1, M. Pelaez2
1
Grupo de Investigaciones en Bioingeniería UPB
Grupo de Investigaciones en Ergonomía UPB
2
Universidad Pontificia Bolivariana
Circular 1ra 70-01. Medellín, Colombia. email: [email protected]
RESUMEN
La Fibrosis Quística (FQ) se caracteriza por la
producción anómala de secreciones espesas que obstruyen
los conductos del órgano que las produce. Las continuas
infecciones relacionadas con la proliferación bacteriana que
acompaña al espesamiento de las secreciones
traqueobronquiales, representan la mayor causa de
deterioro en la calidad de vida de estos pacientes.
La terapia con dispositivos es utilizada para remover las
secreciones de los pulmones y reducir la obstrucción en las
vías aéreas, pero los altos costos de estos equipos y los
gastos de importación reducen la posibilidad de acceso de
la población colombiana a esta alternativa terapéutica.
El dispositivo propuesto consiste en una prenda en
forma de chaleco que mediante un sistema mecánico no
antes implementado, genera oscilaciones de alta frecuencia
sobre la pared del tórax, con el cual se espera contar con un
equipo portable, económico y de igual efectividad que los
convencionales.
Se describe la metodología empleada en la consecución
del primer prototipo, buscando la optimización de un
modelo final que represente para estos pacientes un alivio,
tanto en sus condiciones económicas como en las
expectativas de su calidad de vida.
Palabras claves: Diseño de Equipos Biomédicos, Fibrosis
Quística, Oscilaciones de alta frecuencia, Secreciones
Viscosas, Terapias respiratorias.
1. INTRODUCCIÓN
La Fibrosis Quística (FQ) es la enfermedad genética
letal más frecuente en la población caucásica. Es congénita,
hereditaria, crónica, progresiva e incurable hasta el
momento. Se caracteriza por la producción anómala de
secreciones espesas debido a la mala conducción de sal y
agua en las células del organismo, llegando a ser tan
viscosas que obstruyen los conductos del órgano que las
produce. Afecta principalmente los sistemas respiratorio y
digestivo y suele caracterizarse por Enfermedad Pulmonar
Obstructiva Crónica (EPOC), insuficiencia pancreática y
niveles muy elevados de los electrólitos del sudor.
Debido a que en la FQ las secreciones bronquiales son
más espesas de lo habitual, se producen taponamientos que
conllevan a infecciones recurrentes de las vías respiratorias
por la acumulación de gérmenes y bacterias y que en casos
mayores conllevan a la muerte.
La terapia con dispositivos neumáticos o mecánicos,
genera vibraciones de alta frecuencia sobre el tórax con
ciertos niveles de presión sobre el pecho, y permite que las
secreciones adheridas a las vías respiratorias se desprendan
y puedan ser expulsadas con mayor facilidad [5]. Al mismo
tiempo, esta técnica brinda independencia al paciente, quien
ya no necesita de un especialista o acompañante para la
aplicación de las terapias[1][3].
Aunque tradicionalmente las oscilaciones de alta
frecuencia han sido usadas para realizar tratamientos a
pacientes con FQ, se ha presentado un incremento
significativo en su uso para el tratamiento de otras
enfermedades entre las que se encuentran la EPOC
(Enfermedad Pulmonar Obstructiva Crónica), la Esclerosis
Lateral Amiotrófica, la Parálisis Cerebral y otros
desordenes neuromusculares [2][4]. Infortunadamente los
altos costos de estos equipos en el mercado extranjero más
los gastos de importanción, reducen considerablemente su
uso y el conocimiento de dicha terapias.
Se buscó desarrollar un primer prototipo en el cual
pudieran
evaluarse
características
básicas
de
funcionamiento, ergonomía y estabilidad del sistema
mediante la aplicación de oscilaciones de alta frecuencia
sobre la pared torácica (HFCWO),
buscando la
optimización de un modelo final con el que puedan
realizarse pruebas en pacientes.
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2. METODOLOGÍA
Después del análisis y la evaluación de tres posibles
sistemas con funcionamientos neumáticos y magnéticos, se
decidió implementar un sistema totalmente mecánico,
pensando en el sentido de innovación y simplicidad que
permitiera cumplir con las condiciones necesarias para
realizar una terapia efectiva.
2.1 Dispositivo Electro-mecánico
Con un principio de funcionamiento basado en la
vibración generada por un peso girando sobre un eje
excéntrico, se induce presión sobre el usuario al direccionar
la fuerza centrípeta sobre un soporte acoplado a la prenda
de vestir. Ver figura 1.
Fig 2. Diseño CAD del mecanismo que genera las vibraciones
Con el fin de evitar que el usuario tenga que combinar
todos estos parámetros, se dejaron fijos los valores del área
de contacto y la masa excéntrica, permitiendo tan solo el
cambio de excentricidad y la velocidad de giro.
Buscando una presión uniforme en cada una de las
frecuencias, se calcularon excentricidades que cumplieran
dicho fin, así para diferentes frecuencias es posible obtener
una presión similar, y viceversa.
2.1.2
Fig 1. Distribución elementos electro-mecánicos
2.1.1 Componente mecánico
El dispositivo consiste en un pequeño motor eléctrico
que hace girar un peso excéntrico acoplado a un eje,
consiguiendo así una fuerza centrípeta que al direccionarse
en el sentido del tórax, genera presión sobre él.
Para conseguir una presión uniforme en todo el tórax la
prenda debe contar con 4 dispositivos iguales ubicados
cada a uno a 45° del otro medidos sobre el eje central del
cuerpo y operando en fase.
Para calcular las fuerzas y presiones requeridas se
utilizan las leyes de Newton relacionadas con la fuerza
centrípeta, el radio de giro, la masa excéntrica y la
velocidad angular. Una vez conocidas las fuerzas que
genera cada uno de los dispositivos, se calcula la presión en
función del área de aplicación.
Para conseguir una variación de presiones y frecuencias
en la terapia, se hizo necesario el diseño de elementos que
permitieran variar tanto la velocidad como la excentricidad
del peso. El conjunto de estos elementos puede observarse
en la figura 2.
La obtención de presión a partir de la vibración de un
peso excéntrico, cuenta con cuatro parámetros que
condicionan el resultado final: la masa excéntrica, el radio
de giro, la velocidad angular y el área de distribución de la
fuerza.
Componente Electrónico
El desarrollo realizado controla los tiempos de duración
de la terapia y la frecuencia de las oscilaciones que
generarán las presiones deseadas sobre el tórax.
Para la implementación del control se eligió el
microcontrolador de Motorola® MC68HC908GP32, pues
sus especificaciones son adecuadas para tal fin.
Mediante cinco pulsadores la terapia puede ser iniciada,
pausada y terminada, además de permitir la selección de los
valores iniciales y realizar cambios en cualquier momento.
Esta selección se realiza a través de un botón que hace
navegar circularmente y en una sola dirección los valores
predeterminados para cada uno de los parámetros: Tipo de
terapia (manual/automática), Frecuencia (10, 15, 20, 25
Hz) y Presión (1, 2, 3, 4), además cuenta con tres
indicadores luminosos y uno sonoro que informan sobre
estados especiales de la terapia: pausa,
paro o
funcionamiento anormal del dispositivo.
Un display de cristal líquido (LCD) permite visualizar
el menú inicial, los valores de frecuencia y presión, y el
tiempo de duración de la terapia, estipulado en 30 minutos
con pausas cada 10 minutos. Durante esas pausas el
paciente podrá recibir otra ayuda terapéutica que le permita
evacuar las secreciones removidas durante el anterior ciclo
de la terapia oscilatoria.
Antes de iniciar la terapia, los motores se ubican de tal
forma que quedan en fase; un encoder con un par infrarrojo
revisa cada 5 minutos si los motores continúan en fase, de
no ser así, estos se posicionan de nuevo y se reinicia la
terapia.
Los cambios de frecuencia se logran variando la
velocidad del motor eléctrico y los diferentes valores de
presión se obtienen con la variación de la excentricidad del
peso que gira (A, B, C o D), indicada al usuario una vez
ingresa los valores deseados. La relación entre las
frecuencias y las presiones que pueden lograrse se
encuentran en la Tabla 1.
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distribución de los componentes, el orden de su aplicación
y la ventaja de la portabilidad, Figura 4.
Tabla I
Parámetros de ajuste del mecanismo
Frecuencia
(Hz)
10
15
20
25
Presión
(PSI)
0.1
0.2
0.4
0.7
0.1
0.2
0.4
0.7
0.1
0.2
0.4
0.7
0.1
0.2
0.4
0.7
Presión
#
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Excentricidad
C
D
B
C
D
A
B
C
D
A
B
C
El sistema cuenta con protección contra sobre corriente
o corto circuito y contra sobrevoltajes.
2.1.3 Componente de Diseño Industrial
La propuesta se genera a partir de la ergonomía
(relación del diseño usuario – producto – contexto) con el
propósito de responder a las expectativas y necesidades del
paciente.
La prenda que sostuvo el mecanismo, está hecha con
materiales económicos pero resistentes, entre los que se
encuentran el neopreno y el poliuretano como medio para
conseguir una mejor distribución de la vibración a los
puntos terapéuticos de interés y un mayor grado de ajuste y
comodidad al cuerpo, y el velcro como sistema efectivo de
cierre, figura 3.
Fig 3. Modelo CAD de la prenda
En la prenda, diseñada en forma de chaleco, se evaluaron
las principales zonas terapéuticas en las cuales se hace
necesario aplicar valores mayores de vibración: sobre la
clavícula, las laterales del tórax y el rebote costal.
Los diseños CAD de la consola de control, modelada
usando el software Solid Edge®, tuvieron en cuenta la
Fig 4. Diseño CAD del panel de control
3. RESULTADOS
Se realizaron pruebas en vacío con cuatro motores de
baja potencia, en las cuales la señal de control de velocidad
de los motores emitida por el microcontrolador, coincide
con los valores programados para cada una de las
combinaciones de frecuencia y presión que puede
seleccionar el usuario, figura 5. Además se comprobó el
posicionamiento y arranque uno a uno de los cuatro
motores que conforman al mecanismo.
Fig 5a. Visualización de parámetros y tiempo de la terapia
Figura 5b. Visualización Señal PWM para frecuencia = 20Hz
En estas pruebas el control realizó las pausas
programadas de la terapia cada 10 minutos y la finalización
de la misma al cumplirse los 30 minutos.
Para comprobar la efectividad del sistema como
generador de vibraciones, se conectó uno de los cuatro
mecanismos con un peso excéntrico de 300 gr., figura 6,
evidenciándose con ello que el motor al cual se acopló el
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sistema no tenía el suficiente torque de arranque para hacer
mover el mecanismo completo.
4. DISCUSIÓN
Fig 6. Mecanismo completo de generación de vibración
Se decidió probar el mecanismo acoplando un elemento
con un peso mucho menor, dando como resultado el
movimiento del motor y la generación de vibraciones,
aunque con una fuerza de impacto reducida ya que la fuerza
centrípeta está dada por el peso acoplado al motor.
El modelo final de la consola, realizada mediante un
proceso de termoformado, se muestra en la figura 7, en la
cual puede observarse la portabilidad de su diseño.
Aunque con unas condiciones diferentes a las
planteadas inicialmente, se pudo demostrar la efectividad
del sistema como generador de vibraciones, el algoritmo de
control presentó un funcionamiento óptimo y las
variaciones en la velocidad de los motores se realizaron de
acuerdo a la elección del usuario. Las restricciones se
encuentran principalmente en las especificaciones de los
motores elegidos debido a la elevada corriente que
demanda el sistema tanto en el arranque (6.8 A) como
durante el funcionamiento normal, principal aspecto que se
encuentra en etapa de cambio.
La evaluación de los posibles usuarios sobre la prenda y
la consola de control fue muy positiva, resaltando las
características de dimensiones y materiales.
Actualmente se están extendiendo los alcances del
proyecto para hacer las modificaciones necesarias de
elementos y diseño que permitan conseguir un prototipo
funcional definitivo y realizar las primeras pruebas en
personas sanas.
5. CONCLUSIONES
El desarrollo de un equipo que utilice HFCWO en
Colombia, permitiría la disminución en el número de
consultas médicas,
hospitalizaciones,
uso de
medicamentos e inasistencia escolar de los pacientes con
este tipo de afecciones pulmonares, lo que representaría
una mejora considerable en sus condiciones económicas y
calidad de vida.
Con la ejecución de este proyecto se pretende adquirir,
apropiar, transferir y divulgar la tecnología necesaria para
desarrollar en Colombia este tipo de dispositivos, teniendo
como base un componente innovador.
Fig 7. Modelo final consola de control
La figura 8 muestra el prototipo final, compuesto por la
prenda que contiene los cuatro mecanismos y la consola de
control.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Fig 8. Prototipo compuesto por la prenda y la consola de control
R. Arens , D. Gozal, et al. “Comparison of high-frequency chest
compression and conventional chest physiotherapy in hospitalized
patients with cystic fibrosis”. Am J Respir Crit Care Med. S.l.
no.150, pp.1154-1157, 1994.
L. Hansen and W Warwick. “High-frequency chest compression
system to aid in clearance of mucus from the lungs”. Biomed
Instrum Technol. S.l., pp.289-294, 1990.
T. A. Scherer, et al. “Effect of high frequency oral airway and chest
wall oscillation and conventional chest physiotherapy on
expectoration in patients with stable cystic fibrosis”, Chest. vol.113,
No.4 , pp-1019-1027, 1998.
J. Tecklin, “High Frequency Chest Wall Oscillation (HFCWO) for
Neuromuscular Patients with Airway Clearance Needs: A Case for
Reimbursement”. [En línea] USA: Electromed, 2006.
<http://www.electromed-usa.com/pdfs/neuro-case.pdf>
The Vest Airway Clearance System. Information for patients : The
Vest™ Airway Clearance System Model 104. [En línea] s.l. :
Hill-Rom
Services,
2006.
<http://www.thevest.com/products/vest.asp?gs=patients>