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
Quisiéramos agradecer especialmente a los señores Marcelo Torres, Gerente General de INDURA S.A. y Víctor Varela, Gerente de Negocio Médico de la misma empresa, por facilitarnos un tanque de aire y otro de Oxígeno para poder realizar las pruebas de nuestro prototipo de Respirador de Emergencia.
Gracias a este tipo de acciones, nos es posible seguir adelante para llegar a desarrollar un equipo realmente escalable y seguro.
Es importante destacar que la interfaz de usuario es muy importante en este tipo de dispositivos. Por esta razón hemos puesto los principales parámetros y gráficos en la pantalla. La especificación conceptual de la pantalla se detalla en la Figura 1.
Figura 1. Especificación de la pantalla.
En esta pantalla, el médico tendrá acceso a los valores de presión, volumen y flujo, además de acceso a los gráficos, que le permitirán evaluar el estado del paciente. Por otra parte, el primer diseño conceptual sobre la plataforma Raspbery Pi, quedó como lo señala la Figura 2.
Figura 2 – Primer demo de la interfaz de usuario.
Sobre este diseño se está trabajando en incorporar las pantallas de configuración de parámetros y alertas.
Ayer publicamos la carta gantt del proyecto. La pueden ver en la sección del mismo nombre en la barra de menú.
También publicamos las especificaciones técnicas de nuestro respirador. Como es un dispositivo en desarrollo, dichas especificaciones pueden ir cambiando.
IMPORTANTE : El contenido de este post es el resultado de la comprensión del funcionamiento del sistema respiratorio y algunos principios de ventilación mecánica durante las últimas 3 semanas. Es importante destacar el gran aporte que significaron los datos entregados por los médicos, a quienes hacemos referencia en la Reseña. Los posts siguientes con el tag “Simulación”, serán avances incrementales.
La simulación de los sistemas de control sobre una representación matemática del cuerpo humano, nos entrega una herramienta fundamental para minimizar el proceso de iteración del diseño.
En base a este modelo, ha sido posible dimensionar las especificaciones de válvulas y sensores, lo que permitirá evaluar el efecto que otras decisiones pueden tener sobre el funcionamiento de los sistemas de control.
Modelo del Cuerpo Humano con Asistencia Mecánica Completa
En medicina intensiva, se utiliza la ecuación del movimiento del sistema respiratorio para representar matemáticamente el funcionamiento de dicho sistema. En simples palabras, es una ecuación que equilibra presiones y flujo. Las características físicas de los tejidos pulmonares y las vías aéreas del paciente, se representan en base a dos parámetros denominados resistencia y elastancia. Ellas, en conjunto con la presión muscular, que permite el movimiento del diafragma, nos describen el funcionamiento del Sistema Respiratorio Humano ( Figura 1 ). El modelo fue tomado de un ejemplo de Simulink para sistemas físicos de aire húmedo.
Figura 1. Funcionamiento del Sistema Respiratorio Humano.
Básicamente, el Sistema Respiratorio se modela como un pistón, el cual, por un lado (izquierdo) tiene toda la mecánica del cuerpo para generar la diferencia de presión para hacer fluir el aire. La fuerza del movimiento muscular está representada por la carga C, que en el caso de un paciente sedado, es igual a 0.
En el lado izquierdo está modelada la tráquea por donde ingresa el flujo de aire al pistón (pulmones), donde la resistencia y elastancia, representadas por un amortiguador (oposición a la velocidad) y un resorte (oposición a la posición), producen la mecánica de espiración. El modelo también considera las mangueras que conectan el paciente de con el ventilador.
Para un flujo constante, en un paciente sedado, el movimiento respiratorio del modelo se ve de la siguiente forma, detallado en la Figura 2.
Figura 2. Resultado simulación del Sistema Respiratorio para paciente entubado. Flujo de entrada constante 30 L/min.
El modelo de cuerpo humano entubado, considerando mangueras e intercambio de calor y humedad con el ambiente queda de la siguiente forma, detallada en la Figura 3.
Figura 3. Modelo de Cuerpo Humano entubado.
Estanque de Entrada – Control de Presión y FiO2%
Este bloque, fue simulado considerando una línea de entrada de aire y oxígeno para generar la mezcla que se indique en el tratamiento de ventilación. La presión de entrada, se consideró en 55 [psi] para cada una, pero las válvulas de control operan entre 1 y 1.7 [bar] (alrededor de 14.5 y 24.6[psi]), por lo que será necesario instalar un regulador y un sensor de presión en la entrada del equipo para asegurar esta condición de operación. ( Figura 4 ).
Figura 4. Modelo de las lineas de entrada, cuerpo de válvulas, el estaque y sistema de control de presión y FiO2%
A continuación, se diseñó el controlador de carga para que la presión en el tanque estuviera en el rango de operación, en torno a los 20 psi y se modeló el sensor de oxígeno para determinar la fracción de oxígeno en la inspiración (FiO2 %). ( Figura 5 – Figura 6).
Figura 5.Figura 6.
En la simulación, se configura una mezcla de 30% y luego se cambia la referencia a un 55%. La velocidad de cambio en la mezcla se debe a que el sistema conserva la presión en el estanque y solo ingresa más mezcla al estanque en la etapa inspiratoria, que es cuando se inyecta la mezcla al paciente. Durante la espiración, la válvula de salida del estanque debe permanecer cerrada, lo que impide al controlador llegar más rápido a la referencia. es importante mencionar que es posible mejorar la sintonización del controlador PID de la presión.
Control de Inspiración por Volumen/Flujo
El primer método de ventilación mecánica que se diseñó fue el Control por flujo. Éste método es similar al Control por volumen, en el que el médico debe configurar el volumen de mezcla con que necesita ventilar al paciente en [Litros], el período del ciclo respiratorio en [respiraciones/min] y la relación inspiración y espiración, como una fracción [I : E]. De de esta forma, se pude calcular el flujo en [L/min] con que se desea ventilar al paciente.
El control del flujo de inspiración lo realiza un cuerpo de válvulas proporcionales que tiene la capacidad de entregar más de 100 [L/min], la cual es accionada por un sistema de control sobre el flujo y la presión. ( Figura 7- Figura 8 ).
Figura 7. Modelo del sistema de control del canal de inspiraciónFigura 8. Modelo del cuerpo de válvulas del canal inspiratorio
Este sistema de control, disminuye el flujo hacia el pulmón, cuando la presión llega al límite configurado por el médico. En el segundo 9 de la simulación, se cambia la presión límite. Se baja de 14 a 10 [cm H2O]. ( Figura 8 – Figura 9 )
Figura 8. Presión en el canal de inspiración y señales de controlFigura 9. Flujo en el canal de inspiración y señales de control
En este caso, la salida del controlador PIDde la presión realimenta la referencia de la señal de flujo, es decir, que si existe una diferencia entre la presión medida y la presión de referencia, ésta disminuirá la referencia del flujo, haciendo que el control de flujo haga bajar el flujo que entra al pulmón.
Control de Espiración
El control del Canal de Espiración consiste en permitir que los médicos puedan configurar una presión residual en los pulmones cuando el paciente termina de exhalar. Esta presión se llama PEEP y se fija como una referencia al sistema de control de la válvula de espiración.
Figura 10. Control de presión PEEP en el canal de espiración
En la simulación, se cambia la referencia de PEEP de 0 a 3 [cm H2O], en el segundo 14 de la simulación, donde la presión de salida converge muy rápido a la presión PEEP especificada. ( Figura 10 )
Modelo del Esfuerzo de Inspiración
Una especificación muy importante para evitar daños al pulmón durante la terapia de ventilación, es la detección de esfuerzos inspiratorios por parte del paciente, que corresponde al impulso del paciente por respirar por sus propios medios, mientras está conectado a ventilación mecánica. Cuando esto sucede durante al terapia por ventilador, se produce un fenómeno llamado Disincronía ( Figura 11 – Figura 12) , que, en simples palabras, ocurre cuando el paciente intenta inspirar pero el ventilador está en fase de espiración, o al revés.
Figura 11. Disincronía respiratoria producto del esfuerzo de inspiración del pacienteFigura 12. Deformación en las curvas de flujo y presión por disincronía respiratoria.
¿Qué sigue?
En esta línea de trabajo, los pasos a seguir en la modelación del sistema serían los siguientes :
Actualmente se está trabajando en un algoritmo de detección temprana de esfuerzo inspiratorio del paciente que permita sincronizar la frecuencia respiratoria y la relación I:E al esfuerzo del paciente, pensando en el mecanismo que ayudará a los médicos a despertar al paciente y de esta forma evitar el daño pulmonar que la disincronía puede causar.
Modelar el control por presión PCV.
Modelar el control semi asistido SIMV.
Modelar las características de los tubos y fittings seleccionados para la fabricación del prototipo y sintonizar los parámetros de los controladores PID bajo estas condiciones de operación.
¿Necesitas más información?
Para obtener información más detallada puedes escribirnos a respirador@yx.cl .
La Válvula de Espiración controla la presión de salida del flujo de aire del paciente ( Figura 1 ) . Trabaja a muy poca presión y es necesario que tenga poca carga. Se decidió imprimir esta pieza en 3D para tener la flexibilidad de diseño y disponibilidad para el proceso de producción ( Figura 2). La actuación sobre la válvula será por medio de un motor stepper de 200 pasos por revolución.
Es importante recordar que un paciente COVID-19 puede estar 14 días conectado a ventilación mecánica, por lo que las partes deben soportar al menos 1,2 millones de ciclos de funcionamiento.
Modelo Inicial
El diseño incial permitía controlar el flujo y la presión de la espiración de manera proporcional, algo muy deseable para los sistemas de control automático.
Figura 1. Diseño Válvula de Espiración – Versión inicial.Figura 2. Válvula impresa.
Se realizaron algunas pruebas con este diseño, sin embargo, no fue posible determinar con certeza la vida útil de la válvula producto del desgaste entre sus piezas.
Segunda Iteración
Dado lo anterior, se buscó una solución que diera la proporcionalidad en el control, pero que también permitiera asegurar un desgaste mínimo y la menor pérdida de flujo posible. Por esta razón, se cambió el diseño por el detallado en la Figura 3 , en donde el aire entra por la punta del cono y sale por un ducto lateral en la parte superior. El eje del motor stepper desplaza la válvula por medio de un hilo.
Figura 3. Diseño Válvula de Espiración.Figura 4. Válvula 2 – Vista 3D.Figura 5. Válvula 2 – Despiece.
Proceso de impresión 3D
Es importante mencionar que el proceso de impresión toma 8 horas y se imprimen todas las piezas juntas.
Figura 6. Captura software de impresión.Figura 7. Proceso de impresión de la válvula de espiración.Figura 8. Salida de la impresión.
El proceso de curado con luz UV de la resina impresa, toma cerca de 1 hora y permite darle a cada pieza, la dureza necesaria para soportar la carga de trabajo.
Figura 9. Proceso de curado de la pieza impresa.
La válvula ensamblada queda de la siguiente forma, detallada en la Figura 10.
Figura 10. Válvula ensamblada .Figura 11. Montaje en motor stepper.Figura 12. Montaje en motor stepper – otra vista.
El próximo paso es realizar pruebas de estrés a la válvula y determinar si será capaz de resistir los 1.2 millones de ciclos que requiere el diseño.
