1 CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA, AUTOMATIZACIÓN Y CONTROLDISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN DISPOSITIVO DE MEDICIÓN DE FLUJO ESPIRATORIO MAXIMO CON ANDROID PRESENTADOR: Yesenia Orbe Martínez

2 Esquema de la IntervenciónIntroducción Justificación e Importancia Objetivos Generales Anatomía y fisiología del Sistema Respiratorio Espirometría Tarjetas de Adquisición de Datos Desarrollo de Hardware y Software Conclusiones y Recomendaciones Pruebas y Análisis de Resultados Yesenia Orbe M

3 Las personas con un problemas respiratorios puede presentar una infección, una obstrucción o un problema asmático, que generalmente son de origen infeccioso; causados por virus, bacterias e incluso hongos. Los problemas respiratorios son muy comunes en los seres humanos los cuales deben ser monitorizados continuamente, la mayor parte de personas afectadas con problemas respiratorios son los niños y los adultos mayores. Yesenia Orbe M

4 Esquema de la IntervenciónIntroducción Justificación e Importancia Objetivos Generales Anatomía y fisiología del Sistema Respiratorio Espirometría Tarjetas de Adquisición de Datos Desarrollo de Hardware y Software Conclusiones y Recomendaciones Pruebas y Análisis de Resultados Yesenia Orbe M

5 Con el fin de evitar que la persona que sufre de problemas respiratorios visite continuamente al médico tratante se propone diseñar e implementar un medidor de flujo espiratorio máximo el cual permitirá que la persona pueda controlar la cantidad de aire que pueden expeler de los pulmones. Yesenia Orbe M

6 Esquema de la IntervenciónIntroducción Justificación e Importancia Objetivos Generales Anatomía y fisiología del Sistema Respiratorio Espirometría Tarjetas de Adquisición de Datos Desarrollo de Hardware y Software Pruebas y Análisis de Resultados Conclusiones y Recomendaciones Yesenia Orbe M

7 Objetivos Específicos Objetivo General Diseñar e implementar un prototipo de medición de flujo espiratorio máximo basado en el sistema operativo Android. Objetivos Específicos Investigar el funcionamiento de los medidores de flujo espiratorio máximo existentes en el mercado y las tarjetas de adquisición de Android IOIO. Diseñar e implementar el circuito de medidor de flujo espiratorio máximo. Diseñar la interfaz gráfica para la gestión del circuito en Android desde dispositivos móviles. Probar el funcionamiento del dispositivo con personas que presenten obstrucciones respiratoria y personas sanas. Yesenia Orbe M

8 Esquema de la IntervenciónIntroducción Justificación e Importancia Objetivos Generales Anatomía y fisiología del Sistema Respiratorio Espirometría Tarjetas de Adquisición de Datos Desarrollo de Hardware y Software Pruebas y Análisis de Resultados Conclusiones y Recomendaciones Yesenia Orbe M

9 El ser humano realiza 26,000 respiraciones al día, si es adulto, mientras que un recién nacido realiza 51,000 respiraciones al día. Nariz Faringe Laringe Tráquea Bronquios Pulmones Diafragma Yesenia Orbe M

10 VOLUMENES Y CAPACIDADES PULMONARESLa capacidad ventilatoria pulmonar se cuantifica por la medición de los volúmenes pulmonares y la espirometría. En general los volúmenes pulmonares expresan la temperatura del cuerpo y presión ambiental, y saturación del vapor de agua. VC ó VT (Volumen Corriente o Volumen Tidal). VIR (Volumen Inspiratorio de Reserva o Volumen de Reserva Inspiratoria. VER (Volumen Espiratorio de Reserva o Volumen de Reserva Espiratoria. VR (Volumen Residual). CPT (Capacidad Pulmonar Total). CV (Capacidad Vital). CI (Capacidad Inspiratoria). CRF (Capacidad Residual Funcional). Yesenia Orbe M

11 Esquema de la IntervenciónIntroducción Justificación e Importancia Objetivos Generales Anatomía y fisiología del Sistema Respiratorio Espirometría Tarjetas de Adquisición de Datos Desarrollo de Hardware y Software Pruebas y Análisis de Resultados Conclusiones y Recomendaciones Yesenia Orbe M

12 Yesenia Orbe M Medición de flujos Capacidad pulmonar totalVolumen residual durante una espiración forzada en el primer segundo Yesenia Orbe M

13 Edad Los valores espirométricos aumentan proporcionalmente al crecimiento y desarrollo de los pulmones en los niños y adolescentes, alcanzando los máximos valores entre los 20 y 25 años. Talla La persona más alta tienen valores espirométricos mayores. Sexo Los hombres adultos tienen valores mayores que de las mujeres, esta diferencia se produce en el periodo de la pubertad, antes de este periodo no existe diferencia entre niños y niñas. Yesenia Orbe M

14 Requisitos que debe tener un EspirómetroSer simple de usar Ser seguro y efectivo al cumplir con estándares médicos y electrónicos. Poseer una rutina de calibración relativamente simple y estable que permita ajustes del personal médico. Ser robusto y que no requiera altos costos de mantenimiento. Yesenia Orbe M

15 Esquema de la IntervenciónIntroducción Justificación e Importancia Objetivos Generales Anatomía y fisiología del Sistema Respiratorio Espirometría Tarjetas de Adquisición de Datos Desarrollo de Hardware y Software Pruebas y Análisis de Resultados Conclusiones y Recomendaciones Yesenia Orbe M

16 ANDROID Y TARJETAS DE ADQUISICIONEn los últimos años los teléfonos móviles han evolucionado, en sus diversas aplicaciones en el transcurso de los años. Es así como nace Android, el mismo que es un sistema operativo y una plataforma de software, basado en Linux para teléfonos móviles. Android permite programar en un entorno de trabajo (framework) de Java, aplicaciones sobre una máquina virtual Dalvik (una variación de una máquina de Java con compilación en tiempo de ejecución). Yesenia Orbe M

17 Android trabaja por capas, las cuales forman parte del propio Kernel de Linux, donde Android puede acceder a diferentes controladores Yesenia Orbe M

18 Entrada- Salida Digital Pines de Entrada AnálogosTARJETA ARDUINO ADK CARACTERISTICAS ARDUINO ADK Sparkfun IOIO Procesador ATmega 2560 PIC 24FJ256 Velocidad 16 Mhz 32 Mhz Memoria Flash 256 Kbytes Memoria RAM 8 Kbytes 96 Kbytes Pines de Entrada- Salida Digital 56 (14 PWM) 48 (28 PWM) Pines de Entrada Análogos 16 Entrada de Voltaje (6 – 18) V (5 – 15) V Conectores DC Alimentación DC USB tipo A USB Micro tipo B Dimensión 7x3 cm TARJETA SPARKFUN IOIO Yesenia Orbe M

19 SOFTWARE NECESARIO PARA APLICACIONES ANDROIDJava: es un lenguaje de alto nivel de programación que puede ser compilado en cualquier máquina virtual, lo que le hace independiente a la arquitectura del procesador. Eclipse: es un entorno desarrollador de interfaz (IDE), donde se realiza la programación en código de java de una forma más simplificada. Android SDK: es elkit de desarrollo de software para Android, Android ADT plugin: es un complemento de Android, que aporta a eclipse la posibilidad de desarrollar aplicaciones Android dentro de su entorno. Paquete librerías IOIO: con la importación de este archivo hacia eclipse, se tiene acceso al manejo de la tarjeta, lo que significa el enlace de la programación con la tarjeta, logrando así la comunicación de dispositivos móviles con módulos externos. Yesenia Orbe M

20 LIBRERIAS IOIO IOIOLib: Librería para usar la interfaz IOIO para una PC, que permite que la aplicación realizada controle a la tarjeta IOIO. Las bibliotecas contienen un conjunto de interfaces de Java que abarcan las diversas características de la tarjeta IOIO. En el momento de la creación de la aplicación IOIOLib se empaqueta en el archivo .jar o .apk, por lo que la aplicación es independiente y no requiere ninguna instalación adicional de componentes dependientes. Yesenia Orbe M

21 La IOIOLib contiene dos elementos principales como son: API de Core IOIOLib: comprende un API independiente de la plataforma para el control de todas las funciones de la tarjeta IOIO. Marco de aplicaciones IOIOLib: comprende la plataforma y los servicios públicos de tipo de aplicación específica para simplificar la creación de varios tipos comunes de aplicaciones. IOIOLibAndroid: Se puede emplear IOIO en un dispositivo móvil, la misma que funciona en cualquier versión de Android. Adicionalmente la IOIO cuenta con librerías adicionales como son: IOIOLibAccesory: Carga la funcionalidad de Accesorio Abierto de Android. Yesenia Orbe M

22 METODOS DE LA IOIO MainActivity: aquí se definen las variables de la interfaz gráfica del usuario, proporcionando el nombre a cada objeto del que forma la pantalla. También se crean las variables generales del sistema, y hereda de la clase principal IOIOActivity el método onCreate. Looper: es la clase donde se implementan todas las variables propias de la tarjeta como son: entradas analógicas, y por herencia de clase BaseIOIOLooper tiene métodos de lectura de voltaje asignación a pines, señales PWM y acceso a diferentes mecanismos para el control de la tarjeta. Yesenia Orbe M

23 Ciclo de programación en dispositivo móvilYesenia Orbe M

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25 Esquema de la IntervenciónIntroducción Justificación e Importancia Objetivos Generales Anatomía y fisiología del Sistema Respiratorio Espirometría Tarjetas de Adquisición de Datos Desarrollo de Hardware y Software Pruebas y Análisis de Resultados Conclusiones y Recomendaciones Yesenia Orbe M

26 DISEÑO DE HARDWARE El prototipo a diseñar permitirá medir el flujo espiratorio máximo PEF de una persona y mostrará los resultados de la medición en un dispositivo móvil con sistema operativo Android, el dispositivo será portátil abasteciéndose de energía mediante una batería de 9V. La comunicación del dispositivo móvil con el prototipo será utilizando una conexión USB. Yesenia Orbe M

27 REQUERIMIENTOS El prototipo debe constar con una entrada para la conexión con el sensor de medición de flujo espirométrico. La etapa de acondicionamiento de señal debe proveer los respectivos voltajes adecuados de entrada a la tarjeta IOIO. El prototipo debe tener una salida USB que permita la conexión con el dispositivo móvil. El prototipo se diseñará para realizar mediciones a personas con una estatura de hasta 1.79 máximo y con un rango de edades de 10 a 70 años. El prototipo se energizará con una batería de 9V. Dispondrá de una boquilla con las dimensiones adecuadas para que el paciente pueda realizarse la espirometría Yesenia Orbe M

28 DIAGRAMA GENERAL DEL PROTOTIPO DE UN ESPIROMETROYesenia Orbe M

29 ESQUEMA GENERAL DE LA ETAPA DE SENSAMIENTOLa boquilla deberá ser diseñada para que el paciente expulse el flujo de aire, en el que no deben existir fugas al momento de realizar la prueba. El ventilador debe ser una lámina tipo aspa, que gire al momento de expulsar el flujo de aire. Deberá tener un sensor transmisor y receptor de señal, el mismo que debe ser comercial y para aplicaciones médicas. Este sensor entrega la señal a ser procesada en la siguiente etapa. Yesenia Orbe M

30 Material inoxidable y resistenteREQUERIMIENTOS PARA EL DISEÑO DE BOQUILLA Y VENTILADOR Debe ser hermética, es decir que no debe existir fugas de aire al momento de realizar la espiración. Debe tener un diámetro adecuado para la boca del paciente. Debe estar elaborado de un material que sea inoxidable y resistente. La boquilla debe ser desmontable, facilitando la limpieza adecuada Requerimientos Marca Vitalograph Marca Osrom Es hermético Si Diámetro adecuado Material inoxidable y resistente Boquilla desmontable No Yesenia Orbe M

31 ESTRUCTURA MECANICA Yesenia Orbe M

32 Corriente directa continua a 5VREQUERIMIENTOS SENSOR Voltaje de alimentación de 5V. Corriente directa de 50mA. Tiempo de respuesta de 400ms. Disipación de energía de 60W Debe tener un Tx y Rx. Parámetros técnicos Cebek C-7288   Fairchild QRD1113/1114 Corriente directa continua a 5V Si Voltaje de entrada Disipación de energía No Tiempo de respuesta Tx y Rx Yesenia Orbe M

33 El sensor seleccionado es un sensor infrarrojo que tienen la característica de medir radiación electromagnética infrarroja del cuerpo dentro de su campo de visión, dichos cuerpos presentan una cierta cantidad de radiación, imposible de visualizar para el ojo humano, ya que se encuentran en el rango del espectro justo por debajo de la luz visible. En las ciencias médicas y biológicas los sensores infrarrojos ofrecen una solución para ciertos procedimientos por ejemplo: reconocimiento de algunos sentidos del cuerpo humano, medición instantánea de la temperatura del cuerpo, flujo espiratorio entre otras Yesenia Orbe M

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35 REQUERIMIENTOS LA TARJETA DE ADQUISICION DE DATOS Velocidad de 32 MHz Memoria flash de 256 Kbytes. Procesador 24FJ256. Memoria RAM de 96 Kbytes 48 (28 PWM) pines de entradas y salidas Conector USB tipo A. Voltaje de entrada de 5V. 16 pines de Entrada Análogos Parámetros técnicos Arduino ADK Sparkfum IOIO Procesador de 24FJ256 SI Velocidad de 32 Mhz NO Memoria Flash 256 Kbytes Memoria RAM 96 Kbytes 48 (28 PWM) Pines de Entrada- Salida Digital 16 Pines de Entrada Análogos Entrada de Voltaje de (5 – 15) V Conectores DC USB tipo A Yesenia Orbe M

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37 REQUERIMIENTOS LA TARJETA DE ADQUISICION DE DATOS Sistema operativo Android 4.1.2 Conectividad USB 2.0 Pantalla SAMOLED tamaño 4.0” Velocidad 1GHz, procesador Dual Core Memoria externa MicroSD de hasta 32 GB Memoria interna de 8/16 GB. Parámetros técnicos LG L70 Samsung S3 mini III Sistema operativo Android 4.1.2 NO SI Conectividad USB 2.0 Pantalla SAMOLED tamaño 4.0” Velocidad 1GHz, procesador Dual Core Memoria externa MicroSD de hasta 32 GB Memoria interna de 8/16 GB Yesenia Orbe M

38 DISEÑO DE SOFTWARE Para el desarrollo e implementación del software se implementan los siguientes diagramas: Yesenia Orbe M

39 DIAGRAMA DE FLUJO Yesenia Orbe M

40 DIAGRAMA UML Yesenia Orbe M

41 DIAGRAMA DE CASO DE USO Yesenia Orbe M

42 DIAGRAMA DE CLASE Yesenia Orbe M

43 Yesenia Orbe M MUJERES (L/min) EDAD ESTATURA (m) 1.40 1.52 1.65 1.8020 390 423 460 496 30 380 413 448 483 40 370 402 436 470 50 360 391 424 457 60 350 412 445 70 340 369 400 432 HOMBRES (L/min) EDAD ESTATURA (m) 1.52 1.65 1.80 20 554 602 649 30 532 577 622 40 509 552 596 50 486 540 583 60 463 502 542 70 440 477 515 NIÑOS (L/min) ESTATURA (m) AMBOS SEXOS 1.40 307 1.35 280 1.30 254 1.25 227 1.19 200 ADOLESCENTES (L/min) ESTATURA (m) AMBOS SEXOS 1.70 467 1.65 440 1.60 413 1.55 387 1.50 360 Yesenia Orbe M

44 DISEÑO DE LA INTERFAZ GRAFICAYesenia Orbe M

45 Esquema de la IntervenciónIntroducción Justificación e Importancia Objetivos Generales Anatomía y fisiología del Sistema Respiratorio Espirometría Tarjetas de Adquisición de Datos Desarrollo de Hardware y Software Pruebas y Análisis de Resultados Conclusiones y Recomendaciones Yesenia Orbe M

46 En el capítulo presente se realizó pruebas del dispositivo electrónico digital de medición de flujo espiratorio máximo con personas en un Centro de Salud del Distrito de Quito, perteneciente al Ministerio de Salud Pública (MSP). Para las pruebas realizadas se tomaron personas adultas de entre 20 y 65 años de edad, adolecentes de 14 a 19 años y niños de 10 a 12 años, los mismos que presentaron molestias pulmonares y a los cuales se les realizo las pruebas del espirómetro para ver su tipo de afección. Yesenia Orbe M

47 El equipo médico seleccionado es de la marca comercial Vitalograph.Para probar el desempeño del dispositivo diseñado, se realizó una comparación con dispositivos actuales en el mercado que cumplen con estándares y son resultados confiables para ser tomados como patrón. El equipo médico seleccionado es de la marca comercial Vitalograph. Yesenia Orbe M

48 (𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙−𝑃𝑟𝑜𝑡𝑜𝑡𝑖𝑝𝑜) 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 ∗100%Yesenia Orbe M

49 PEF vs EDAD mujeres Yesenia Orbe M

50 Yesenia Orbe M

51 PEF vs EDAD hombres Yesenia Orbe M

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53 Esquema de la IntervenciónIntroducción Justificación e Importancia Objetivos Generales Anatomía y fisiología del Sistema Respiratorio Espirometría Tarjetas de Adquisición de Datos Desarrollo de Hardware y Software Pruebas y Análisis de Resultados Conclusiones y Recomendaciones Yesenia Orbe M

54 Yesenia Orbe M CONCLUSIONESDentro de las opciones que se encuentran en el mercado para realizar las pruebas de espirometría se seleccionó el modelo Vitalograph, obteniendo un error menor al 1% con los resultados de las mediciones entre el prototipo diseñado y el comercial. El medio de comunicación y adquisición de datos entre el dispositivo móvil y el equipo de medición, es la tarjeta Android IOIO, la cual dentro de sus características técnicas posee entradas y salidas analógicas que permiten un ágil procesamiento de las señales adquiridas para el diseño propuesto. Los valores más altos de espirometría se da en pacientes de 18 y 28 años de edad, con una estatura mayor a 1.65, teniendo mayor capacidad vital y su volumen espirado forzado en el primer segundo es el máximo. Por otro lado los valores más bajos de espirometría se da en niños menores de 10 años y personas adultas mayores de los 50 años. Yesenia Orbe M

55 Yesenia Orbe M CONCLUSIONESDe las pruebas realizadas con el prototipo se determinó que en el momento de la medición se necesita que el paciente manipule el dispositivo con cuidado, puesto que cualquier movimiento brusco por parte del paciente puede causar variaciones significativas la señal que emite el mismo, de igual manera se necesita la cooperación mientras se lleva a cabo el examen para tener resultados precisos, un mal sellado alrededor de la boquilla del espirómetro puede ocasionar malos resultados que posterior no se puedan interpretar, el paciente a su vez no debe fumar antes de realizarse examen ya que los resultados variaran significativamente. El espirómetro realizado puede ser un auxiliar en la conservación de la salud, en la prevención y en el diagnóstico temprano de enfermedades respiratorias, ya que las personas más propensas a tener alguna obstrucción respiratoria son los niños y los adultos mayores por su bajo nivel de defensas del cuerpo humano. Yesenia Orbe M

56 Yesenia Orbe M RECOMENDACIONESSe recomienda verificar que exista conectividad entre el dispositivo móvil, prototipo diseñado y la tarjeta Android IOIO antes de empezar la ejecución de la aplicación. Es importante tomar en cuenta que dentro de las especificaciones de hardware la tarjeta posee entradas análogas solo de V es decir que si se hace uso de un sensor que provea más voltaje, la tarjeta no reconocerá estos valores. Para trabajos futuros se recomienda la inclusión de la opción que permita energizar a los circuitos mediante un circuito acoplado de toma de energía continua, debido a que la corriente proporcionada por la batería no abastece para el correcto funcionamiento en periodos largos. Yesenia Orbe M

57 RECOMENDACIONES Debido a que Android es un sistema operativo de código abierto los trabajos futuros estarían enfocados en el desarrollo de aplicaciones en el área de la medicina como herramientas de realidad aumentada, conexión con servidores para la generación y desarrollo de formularios etc., que pueden ser de gran ayuda al trabajo diario de los médicos. Yesenia Orbe M

58 GRACIAS