Luego de 90 días de intenso trabajo, hemos terminado con éxito el Prototipo del Respirador YX . A continuación, en las siguientes fotografías, se presenta el modelo mecánico en su vista frontal y posterior.
Prototipo Respirador – Vista frontalPrototipo – Vista posterior
Luego de ensamblar todas las partes físicas y realizar las pruebas necesarias, el Prototipo Real del Respirador YX quedó como se muestra a continuación.
Fotografía del Prototipo Real en pleno funcionamiento.
A continuación se presenta un video demostrativo del Prototipo Real en funcionamiento.
Próximos pasos a seguir:
Sintonizar el funcionamiento de los modos de operación del Respirador YX en un pulmón artificial.
Si las condiciones lo ameritan, continuar el camino de la Certificación.
Luego de algunas semanas trabajando en la integración de la electrónica e implementando los sistemas de control simulados, a continuación les presentamos el siguiente video, donde se muestra la operación del respirador en la configuración del diagrama de bloques, operando en modo VCV:
El paciente es simulado por un globo, gentileza del Dr. Bugedo de la red UC Christus, quien amablemente nos prestó un circuito respiratorio para que pudiéramos probar.
Ayer, miércoles 20, terminamos el montaje de la placa de control y hoy, 21 de mayo, día de las Glorias Navales, iniciamos la integración de toda la electrónica del ventilador.
Mañana iniciamos las pruebas de laboratorio sobre el sistema neumático, encaminándonos a las pruebas en el pulmón artificial.
Acá les dejamos algunas fotos del proceso.
Montaje del PCB de controlIntegración de la pantalla al PCB de controlVista posterior de la placa de controlVista Frontal de la pantalla.Integración del SistemaElectrónica del respirador, vista posterior.Integración del Sistema
Hoy realizamos el montaje e hicimos funcionar la placa de sensores. A continuación se muestra una secuencia de fotos desde el diseño hasta la construcción de la tarjeta electrónica.
Modelo 3D de la placa de sensores.Aplicando soldadura en pasta.Aplicando soldadura en pasta.Inspección de la soldadura después pasar por la plancha.Placa de Sensores terminada.Preparando arneses de cables para comunicar la placa de sensores.
Actualmente contamos con la placa de sensores operativa y lista para recibir el firmware de lectura de los sensores que hemos desarrollado en las últimas semanas. Mañana seguiremos con el ensamble de la placa de control y esperamos acercarnos a la unidad prototipo.
Nuestro plan inicial era recibir los componentes electrónicos para armar el prototipo, el jueves de la semana pasada. El lunes anterior, salieron 3 encargos desde Estados Unidos y su fecha de llegada era el jueves 14 a las 18.00hrs. Uno de los encargos viajó en vuelo directo y llegó puntual. Los otros dos hicieron escala en Brasil, e inexplicablemente quedaron retenidos allá y volaron recién el sábado. Recibimos los componentes hoy después del medio día.
Para cada prototipo, debemos armar:
02 placas de control de válvulas.
01 placa de poder.
01 placa de sensores.
01 placa de control.
Actualmente contamos con las dos placas de control de válvulas y nos encontramos armando las dos primeras placas de poder. A continuación se presentan algunas fotografías del proceso.
Estación de montaje e inspección por microscopio.Placa de control de cuerpo de válvulas en proceso de montaje.Trabajo en equipo a pesar de la cuarentena.Placa de control de válvulas montada en el cuerpo de válvulas de entrada y válvula de control de espiración.Proceso de montaje de componentes en la placa de poder, previo a ser aplicada la curva de calor (hasta 260º) para soldar los componentes.Verificación de la calidad de la soldadura.Prototipo de la placa de poder.
Actualmente seguimos avanzando en la prueba de estas placas, en el armado de la placa de sensores y la placa de control para llegar a las primeras unidades prototipo. Estamos cerca, muy cerca !
Aplicamos una paleta de colores típica para el estándar médico, en que los parámetros relativos a presión van con amarillo, flujo en verde y volumen en azul. La GUI del ventilador está quedando así…
Durante la semana pasada recibimos los PCB del circuito de control del cuerpo de válvulas y los componentes para ensamblar el cuerpo de válvulas. Junto con lo anterior, refinamos el proceso de producción del cuerpo de válvulas y su empaquetadura ( Figura 1 y 2).
Figura 1. Prototipo de la base del cuerpo de válvulas y sus empaquetaduras de UretanoFigura 2. Cuerpo de Válvulas ensamblado
El sábado 2 de Mayo , se montó la primera prueba neumática del sistema, con un compresor a 60 [psi], conectado a un regulador del 20 [psi]. Luego se conectó una línea al cuerpo de válvulas, que regula la salida al canal de inspiración, y se programaron las rutinas de control y la lectura de los sensores de voltaje de la placa de potencia en una placa Arduino, como se puede ver en el siguiente esquema en la Figura 3.
Figura 3. Prueba Neumática del sistema.
¡El resultado fue un éxito! Logramos controlar la válvula generando ciclos de carga y descarga de las dos vías de la válvula, de forma proporcional, con una velocidad de respuesta en el orden de los milisegundos, validando así todo el diseño y las estrategias de control para el respirador, además del funcionamiento de las partes neumáticas. A continuación se muestra un video de la operación de apertura y cierre de la válvula.
Prueba Cuerpo de Válvulas en escenario real: Linea de 60psi, regulada a 20psi para terminar en presión atmosférica.
¿Qué sigue?
Montar el control de las 4 válvulas en la placa de control integrada (las despachan este martes desde China).
Montar los sensores en su PCB (los despachan el jueves).
Conectar todo a la placa de control final, que también es despachado esta semana.
El diseño de nuestro prototipo de Respirador de Emergencia requiere de varias piezas específicas. Nuestro objetivo principal al buscarlas ha sido contar con piezas de la mejor calidad, de tecnología de avanzada y provenientes de compañías de prestigio mundial, para lograr así un producto final de calidad y confiable, con plazos de entrega razonables.
Muchas de estas piezas las hemos conseguido fuera de Chile, en países como EEUU, Alemania y China. Algunas de ellas ya existían previamente y otras están siendo desarrolladas específicamente para nuestro prototipo.
A continuación se detalla el estado de Disponibilidad actual de las distintas piezas y partes para el ensamble de las unidades prototipo:
Parte
Origen
Estatus
ETA
Partes FESTO
Alemania
Recibido
OK
Sensores de Alta Presion
EE.UU.
Recibido
OK
Sensores de Baja Presion
EE.UU.
Recibido
OK
Sensores de Flujo
EE.UU.
Recibido
OK
Sensor de Oxígeno Pedido 1
EE.UU.
Desconocido
Ultimo update 13 abril cuando llegó a Correos de Chile.
Sensor de Oxígeno Pedido 2
EE.UU.
En tránsito
05-05
Fuente de Poder 350V para Válvulas
EE.UU.
Recibido
OK
PCB de Válvulas
China
En fabricación
14-05 (acá estamos con un problema y vamos a tener que aplicar plan B)
Uno de los elementos más importantes del respirador son las Válvulas. Estas regulan la dosificación de aire y oxígeno, junto con la Válvula de inspiración. En nuestro diseño, se optó por utilizar Válvulas proporcionales en lugar de solenoides, para asegurar un flujo continuo hacia el paciente. Dentro de las válvulas proporcionales, optamos por las válvulas VEMP de de la compañía alemana Festo ( www.festo.com ).
Se eligió la válvula VEMP ya que que controla muy finamente la velocidad del flujo de aire en equipos de terapia con oxígeno, asegurando así una entrega precisa y confiable de dosis de oxígeno durante la inhalación al paciente. Beneficios adicionales de esta válvula son que es pequeña, liviana, silenciosa al operar, consume muy poca energía y tiene una larga vida útil.
Es importante detallar tres características de la válvula VEMP :
1. La válvula VEMP no acumula calor, ya que mantiene su estado actual sin utilizar energía e incluso para realizar cambios de velocidad de flujo utiliza muy poca energía. Por otra parte, al ser poco pesada ( 20 grs) , le permite ser instalada en equipos portátiles .
2. Funcionamiento proporcional : la válvula VEMP, en conjunto con sensores de presión y flujo, permite un control extremadamente preciso y proporcional del control de flujo de gas y presión desde 0 a 30 l / min. Por otra parte, con una velocidad de respuesta de 15 ms, puede reaccionar muy rápido, siendo ideal para terapias de oxigenación y ventilación. El punto de operación de flujo se determina usando un voltaje DC (hasta 350 VDC), es decir, no requiere de señal de modulación por ancho de pulsos controlado.
3. Funcionamiento silencioso : la tecnología Piezo usa un sistema totalmente distinto al sistema mecánico de las válvulas solenoides, siendo silencioso en su operación.
En el diseño del equipo se espera utilizar 7 válvulas VEMP :
un cuerpo de dos válvulas para controlar el aire.
un cuerpo de una válvulas para controlar el oxígeno
un cuerpo de 4 válvulas para componer la válvula de Inspiración.
Por último es importante mencionar que la compañía alemana FESTO, presente en más de 176 países en el mundo, es un proveedor líder en tecnología automatizada cuya misión es maximizar la productividad y competitividad de sus clientes.
Electrónica de Potencia para el control de las Válvulas
La electrónica de potencia, corresponde a toda la electrónica que permite accionar las válvulas VEMP de forma segura, siguiendo las especificaciones del fabricante. ( Figura 1 )
Figura 1. Diagrama de bloques de la electrónica del respirador
A diferencia de las válvulas solenoides tradicionales, las válvulas VEMP tienen un modelo eléctrico que no es resistivo, si no que capacitivo, en donde cada línea de la válvula se modela como un condensador de 35 [nF], lo que impacta en la estrategia de control que se debe seguir para lograr alcanzar el voltaje de operación deseado.
Si bien el hecho de que sea proporcional, es decir, que el nivel de apertura de la válvula es proporcional al voltaje aplicado, simplifica mucho la estrategia de control del ventilador y supone un desafío de diseño electrónico para proporcionar un voltaje variable desde 0 [V] a los 350 [V] máximo que requiere la válvula para lograr una apertura completa.
En nuestro diseño, la electrónica de potencia se divide en dos bloques, el primero de ellos es una fuente switching del tipo Boost-Up, que eleva el voltaje de 12 [Vdc] a 350 [Vdc]. El segundo bloque corresponde a la electrónica de control de la válvula. La idea es que para lograr un voltaje de referencia (que nos da la apertura de la válvula), se generó un circuito de carga y otro de descarga de la válvula, que se accionan dependiendo de la diferencia que exista con el voltaje de referencia. El esquemático del bloque es el siguiente (Figura 2).
Figura 2.
La simulación del circuito nos permite anticipar el comportamiento que tendrá la válvula frente a distintas condiciones de operación. A modo de ejemplo, se presenta esta simulación de una baja desde el 100% de apertura a un 10% de apertura.
Figura 3. Simulación circuito de carga y descarga de una válvula VEMP
El tiempo de respuesta de la válvula está en el orden de los 10 [ms].
Cada válvula tiene dos canales de control. Para esta aplicación se requiere contar con cuatro válvulas VEMP, por lo que la electrónica de potencia debe manejar ocho circuitos.
Modelo 3D
El diseño del cuerpo de válvulas se hizo de tal forma que fuese lo más compacto posible, con las consideraciones necesarias para el manejo de pistas con alto voltaje. La tarjeta electrónica tiene una disposición similar a la que se observa en las siguientes imágenes. ( Figuras 4 – 9 )
Figura 4. Placa de control de válvulas VEMP – vista isométricaFigura 5. Placa de control de válvulas VEMP – vista superiorFigura 6. Placa de control de válvulas VEMP – vista inferior
De esta forma, se conectan las 4 válvulas en paralelo a la tarjeta electrónica, y la base del cuerpo de válvulas.
Figura 7. Despiece del cuerpo de válvulasFigura 8. Vista superior con placa de electrónica de potencia integradaFigura 9. Cuerpo de válvulas ensamblado
Festo Chile confirmó el envío de las piezas para el armado del prototipo.
Los sensores de flujo y presión llegaron a Chile. El sensor de oxígeno está en camino.
El día viernes 17 de Abril, , la empresa INDURA confirmó el préstamo de un tanque de oxígeno y otro de aire para poder probar nuestros prototipos. ¡Toda nuestra gratitud hacia ellos!
El día domingo 12 de Abril , se nos invitó a postular con nuestro proyecto a la convocatoria “Un Respiro para Chile” en Socialab. Sin embargo, fue descartado durante la semana, debido a que aún no está listo el prototipo. A pesar de esto, seguimos adelante, ya que tenemos la certeza de que nuestro enfoque de diseño es el correcto.
Si bien la electrónica debería haber estado lista el viernes pasado, surgió un pequeño retraso ya que se subestimó el tiempo que iba a tomar el diseño de la fuente de energía de las válvulas VEMP. Se espera enviar a fabricar las placas durante la semana, las cuales deberían estar listas en 24 horas, pero es incierto el tiempo en que demorarán en llegar a Chile.
La interfaz de usuario va avanzando. Se incorporó al equipo a María José Iglesias, diseñadora gráfica de amplia experiencia, quien nos ayudará con la gráfica de la pantalla, pensando en su usabilidad.
Respecto a la impresión 3D, se realizó una prueba de estrés a la válvula de espiración, operándola por 72 horas continuas, con ciclos de apertura y cierre de completos de 0.6 segundos, lo que significó 432.000 ciclos. El resultado de la prueba fue satisfactorio. No se evidenciaron problemas de desgaste en el hilo de motor ni en la estructura de la válvula.
El diseño industrial está avanzando. En la Figura 1 y Figura 2 se puede distinguir la disposición que tendrán las partes más importantes.
Respecto al software de control, se está trabajando en las rutinas de bajo nivel para la lectura de los sensores y control de los motores stepper. La dificultad está en lograr una codificación muy liviana para asegurar que la base de tiempo para el sistema de control sea la más rápida posible.
El día Lunes 20 de Abril 2020, se actualizará nuestra carta gantt.
Algunas imágenes 3D sobre el interior del Respirador
