CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

INGENIERÍA BIOMÉDICA

Presentado por

BELLO CATARINO MARY CRUZ MATRkULA: 9 1322008

22 de MAYO del 2000.

ÍNDICE

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El presente trabajo muestra un sistema que permite el control de la presión intracanal en el oído externo de una persona. Se sabe que la utilidad y comprensión de un sistema se logra de manera óptima cuando se reciben indicaciones preliminares acerca del carácter y propósito del mismo, por ello, se establecen conocimientos previos del proyecto "presurizador intracanal", dándose cabida en los antecedentes.

Para darle un mayor seguimiento en el disefio y funcionamiento del presurizador intracanal, se describe y se muestra en diagramas la circuitería del sistema: neumático y electrónico, del mismo. Además, se eluciden los criterios de la utilización de determinados circuitos, así como las características técnicas de los mismos.

Se proporciona un pequeño manual del funcionamiento del presurizador intracanal para aquellas personas que tengan acceso al prototipo y les sea más fácil se manipulación.

Confío pues, que este sistema les sea útil, no sólo como realización y diseño de un presurizador intracanal, sino como un reporte a quien se le consulta cuando se haga otro proyecto con temas afines.

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ANTECEDENTES

Oído medio

Anntornía

El oído medio está constituido por una cavidad llena de aire de forma irregular, se localiza en el extremo final del conducto auditivo justo detrás de la membrana timpánica. En un adulto esta cavidad mide aproximadamente 15X15X2 a 6mm y con un volumen de entre 1 a 2cc; dentro de la cual se encuentran tres huesecillos, denominados martillo, yunque y estribo, unidos entre sí en forma articulada. Uno de los extremos del martillo se encuentra adherido al timpano, mientras que la base del estribo está unida mediante un anillo flexible a las paredes de la ventana oval, orificio que constituye l a vía de entrada del sonido al oído interno. ( Ver fig. 1).

Finalmente, la cavidad del oído medio se comunica con el exterior a través de la trompa de Eustaquio, la cual es un conducto que llega hasta las vías respiratorias y que permite igualar la presión del aire a ambos lados del timpano.

El timpano es una membrana delgada y tensa que vibra en respuesta a las ondas sonoras. L a velocidad a l a que vibra el timpano es función de la frecuencia del sonido incidente. Para que el tímpano vibre libremente, y por tanto funcione de forma apropiada, es necesario que la presión sea igual a ambos lados del timpano. Esto explica por que la audición disminuye cuando los oídos estan obstruidos o cuando se tiene una infección en el oído medio.

Un timpano retraído se debe a que dentro de l a caja del oído medio la presión es negativa, respecto a l a del medio ambiente. Esta negatividad es l a responsable de la retracción timpánica y de la horizontalidad del martillo ( primer huesecillo ).

El paciente con una alteración del oído medio puede presentar uno o varios de los siguientes síntomas: sensación de plenitud o de presión en el oído, dolor constante o intermitente, leve o intenso, otorrea, disminución de la audición, acufenos y vértigo. Los síntomas pueden ser consecuencia de infección, traumatismos o alteración de la relación de presiones, secundaria a l a obstrucción de l a trompa de Eustaquio. El aspecto del conducto auditivo externo y de la membrana timpánica a menudo constituyen elementos importantes para el diagnóstico.

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L a función del oído medio puede evaluarse con otoscopía neumática, pruebas de Weber y de Rinne, timpanometría, además de la valoración clínica. Las enfermedades persistentes por trastornos en la membrana timpánica y oído medio son: Traumatismos Barotitis media; Miringitis infecciosa; Otitis media aguda; Otitis media secretora; Mastoiditis aguda; Otitis media crónica Otosclerosis; Tumores.

Fig.1. Anatomía del oído.

Principios elementales de la medición electroacústica del oído medio

L a medición directa de las propiedades de impedancia acústica del oído medio permite determinar la integridad y movilidad del timpano, oscículos, músculos inter-aurales, y de los elementos que conforman al oído medio, así como el espacio aéreo de la cavidad timpánica.

El instrumento más utilizado para medir la función del oído medio es el timpanómetro. El timpanómetro realiza la comparación entre dos señales; tono de prueba, presentado a l a entrada del conducto auditivo, cuando éste se encuentra herméticamente sellado y la señal resultante medida en el interior del canal. L a señal resultante es la combinación del tono de prueba y la señal que se refleja en la cara externa de la membrana timpáníca, cuando el tono de prueba choca contra el timpano.

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Dependiendo de las características del tono del prueba arremetido al timpano, una cierta cantidad de éste será transmitida hacia el oído medio y otra cantidad será reflejada hacia el canal auditivo; en pocas palabras, de acuerdo a la rigidez del tímpano una determinada cantidad de energía sonora será reflejada hacia el canal auditivo. La frecuencia de la señal reflejada está determinada por la frecuencia del tono de prueba, en tanto la amplitud y fase están determinadas por las propiedades mecánicas del tímpano.

Propagación del sonido y acoplamiento de impedancias.

Los sonidos, formados por oscilaciones de las moléculas del aire, son conducidos a través del conducto auditivo hasta el timpano. Los cambios de presión en la pared externa de la membrana timpánica asociados a la señal sonora, hacen que dicha membrana vibre siguiendo las oscilaciones de dicha señal. Las vibraciones del tímpano se transmiten a lo largo de la cadena de huesecillos, la cual opera como un sistema de palancas, de forma tal que la base del estribo vibra en la ventana oval. La membrana de la ventana oval se encuentra en contacto con el fluido contenido en el oído interno; por lo tanto, el timpano y la cadena de huesecillos actúan como un mecanismo para transformar las vibraciones del aire en vibraciones del fluido.

Ahora bien, para lograr que la transferencia de energía del aire hacia un fluido sea máxima, debe acoplarse la impedancia ac-ústica característica del aire y la del fluido, puesto que esta última es mucho mayor que la primera. El equivalente mecánico de un transformador (el acoplador de impedancias eléctricas) es, precisamente, una palanca; por ende, la cadena de huesecillos actúa como acoplador de impedancias. Además, la relación entre las superficies del timpano y de la base del estribo (en la ventana oval) introduce un efecto de acoplamiento adicional, lográndose un transformador acoplador de impedancia, con lo cual se minimizan las pérdidas por reflexión. El máximo acoplamiento se obtiene en el rango de frecuencias medias, en torno a 1 kHz. [31.

Un oído rígido no permite una eficiente transferencia de energía sonora hacia la cóclea, y en consecuencia, refleja una gran cantidad de éSta hacia la fuente. En términos electroacústicos, la impedancia del sistema auditivo se puede entender como su rigidez, de esta forma una gran rigidez se puede entender como una alta impedancia o a la inversa una baja admitancia. Por todo esto, se observa que existen términos recíprocos en relación al oído que pueden ser definidos como:

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Impedancia: Es la dificultad que presenta el timpano de transferir el flujo de energía. Admitancia: Es la facilidad que presenta el timpano de transmitir el flujo de energía.

De acuerdo a los dos términos antes mencionados podemos realizar la siguiente comparación:

1

IMPEDANCIA ADMITANCIA

Energía relajada (React uncia)

Energía acumulada (Suceptancia)

Rigidez Masa Complianza Masa-recíproca

Energía disipada en fricción Flujo de energía en un elemento resistivo

Timpanometría

Es la medida de la capacidad del timpano y cadena oscicular para transmitir la energía de una onda sonora hacia el oído interno. El timpano en condiciones normales, está sujeto a cambios de presión de aire, determinando su rigidez ( impedancia ) y complianza (admitancia).

El oído medio es una estructura anatómica que posee ciertas características físicas universales. Tiene un determinado peso o masa, y elasticidad. En otras palabras, puede decirse que presenta cierta rigidez o en recíprocamente, complianza. Consecuentemente, cuando una fuerza entra en contacto con el timpano atraves de los elementos que se conforman en el oído medio, éste ofrece una oposición en respuesta a la fuerza. Cuando el timpano responde a la fuerza presentada, el movimiento de sus componentes disipa algo de energía. ÉSto puede ser expresado como una pérdida de energía debido a la fricción.

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Las características de masa, rigidez y fricción, influyen en cómo la energía sonora puede ser transferida desde el oído externo al oído interno. La combinación de estas tres características constituyen la oposición a la transferencia de energía desde el canal auditivo a la cóclea. Esta dificultad de transferir la energía sonora es una expresión de la impedancia acústica del oído medio.

La mayor transferencia de energía de un medio a otro depende directamente de la impedancia de los dos medios. La energía no puede fluir de un medio de alta impedancia a uno de baja impedancia. Existe una pérdida moderada de energía en el paso de un medio de baja impedancia a uno de alta impedancia. Cuando existe discrepancia de impedancia entre dos medios, se interpone un acoplador para mejorar la transferencia de energía. Esta es la función del oído medio y sirve como un transformador acoplador de impedancias para equiparar mejor la baja impedancia del aire con la alta impedancia del fluido en la cóclea.

Las patologías del oído medio alteran este acoplamiento de impedancias. Una patología que derive en rigidez incrementa la impedancia, obteniendo como resultado una gran cantidad de energía acústica reflejada del tímpano, mientras que a la inversa se almacena energía en la masa del sistema y presenta un severo flujo en el elemento resistivo, marcando una baja impedancia. En un oído rígido, la energía reflejada estará desfasada 180". La diferencia básica entre las patologías es la alteración de la rigidez del sistema.

La impedancia acústica mide la función del oído medio mediante la timpanometría, valorando si la impedancia del oído medio se encuentra fuera del rango normal. La amplitud del timpanograma provee un índice de la magnitud de la impedancia.

La medición de la impedancia o de la admitancia acústica se refiere a la determinación de la magnitud absoluta de cada una de esas dos expresiones recíprocas de la transferencia de energía. En mediciones electroacústicas, éstas se derivan a partir de la energía electroacústica cuando el timpano se mantiene en una posición rígida debido a una presión de aire positiva o negativa y se compara con la presión atmosférica o con alguna otra presión. (Como se ilustra en la fig. 2).

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TIMPANOGRAMA

E N E R G Í A

-400 I I I

B

\

\ L

-300 -200 -100 O 100

A L

1

200 '

300 400

U N I D A D E S

A R B I

T R A R I A S

PRESIóN DE AIRE mmHzO

Fig. 2. Representación de la energía acústica atraues del oído como una función de la presión de aire en el canal auditivo externo. El punto máxfmo de presión de aire sometida (A) muestra el mínimo de energía y el punto (B) es el máximo. La dfererzcia entre (A) y (B) es el índice de la impedancia acústica en el tímpano.

La impedancia de un oído medio normal cambia en forma sistemática y predecible, debido a que la presión del aire varía atraves de la superficie de la membrana timpánica.

La energía acústica en el interior del conducto auditivo es máxima cuando la presión de aire en cada lado del timpano es la misma, y se decrementa cuando existe un gradiente de presión entre ambas caras. Cuando el timpano se hace rígido por una alta presión positiva o negativa en el canal, la impedancia del oído se incrementa y la reflexión del tono de prueba fiera del timpano hacia el canal auditivo es máxima. Si se desacoplara el oído medio del canal auditivo, la prueba de timpanometría sólo reflejaría la impedancia del canal auditivo.

Conforme la presión del aire que actúa sobre el timpano se reduce, la rigidez producida se decrementa y la energía alcanza el punto máximo, ésto es a presión atmosférica en un oído normal. ÉSto se denomina impedancia acústica estática o admitancia o complianza del oído medio; se determina comparando la presión de aire atraves del timpano con respecto a la del punto de máxima energía.

Debido a lo ya mencionado, se puede ver que la presión de aire juega un papel importante en la medición de la impedancia o complianza del oído medio en pruebas de timpanometría, por lo cual, se debe ser capaz de mantener un buen control de la presión, para ésto y para fines de diseño, es necesario conocer la etapa del timpanómetro que se encarga del funcionamiento de control de presión, la etapa que se encarga de ésto en el equipo de timpanometría es el presurizador intracanal, y por ello, llegamos al siguiente objetivo:

OBJETIVO

Diseño y construcción de un sistema que alcance presiones de +400mmH20 y -400mmH20, en el interior del canal auditivo.

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DESCRIPCIóN DEL PROBLEMA

Es de gran importancia identificar las partes involucradas en un presurizador intracanal (fig. 3), por lo cual, se describen dos partes importantes del mismo, como son:

0 Identificación del sistema neumático para generar presión ( +400mmH20 y

0 Identificación del sistema electrónico para controlar la presión necesaria hacia -400mmH20 ).

el canal auditivo.

Diagrama a bloques del sistema.

SISTEMA ELECTRONIC0

SISTEMA NEUMATICO ~ : SENSOR

:o AMPLIFICACION

CIRCUITO DE CONTROL

MECANISMO CONDUCTIVO

, ...........................

, :.+:. ~

............................

O D 0 MEDIO

Fig. 3. Diagrama a bloques del presurizador intracanal.

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En el mundo de la tecnología médica ya existen dispositivos de timpanometría, pero desgraciadamente, no todas las personas pueden disponer de la realización de un estudio con ayuda de este sistema debido al alto costo que este representa, de ahí la importancia de este proyecto, radicando en el diseño de un equipo que minimice su costo económico, aunque para ello se deba realizar por partes y una de ellas es la conformada por el sistema de presurizador intracanal.

Para comprender mejor el funcionamiento del timpanómetro, es importante describir las partes del presurizador intracanal, así como su conformación instrumental, debido a que es menester considerarla en la obtención de buenas mediciones y estudios del paciente, de ahí su finalidad.

Debido a la excelencia académica de esta Universidad, es tradición la elaboración de proyectos terminales pensando en continuidad, por ello, es l a decisión de realizar el proyecto de un presurizador intracanal. Además, de cumplir el proyecto con los requisitos de la institución, tiene como fin el apoyo a la investigación que se efectúa en el laboratorio de audiología.

Todo será basado en el bagaje ingenieril adquirido, así como aportes de los asesores que han trabajado en este tipo de estudios, para cumplir con el objetivo claramente marcado inicialmente.

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METODOLOGIA

CRITERIOS DE DISEÑO

Sistema Neumático

Se abocó a seleccionar el sistema neumático que generará una presión de & 400mmH20.

Se requirió de dos bombas de acuario ( Elite Sol), una de ellas se utilizó en forma normal, mientras otra se acondicionó para obtener vacío ó presión negativa. La selección de tan apreciado modelo de bomba, fue debido, que al generar el vacío, proporcionara la presión negativa requerida. Este tipo de bombas trabajan con fuente de línea de 120V, frecuencia de ~OHZ, el consumo de energía es de 4.0Watts, el suministro mínimo de aire es de 2000 cc/min y la presión es de 2814 mmH2O.

Como se sabe, la presión producida por tales bombas es en forma intermitente (glóbulos de aire), así que, se ideó un amortiguador de aire, empleando para ello frascos Herlen Meyer de 250 ml, funcionando como un filtro Pasa-Bajas.

Para controlar la rapidez de la variación de presión, se consideraron mangueras de conducción de aire de un diámetro pequeño de 5mm y como válvulas de control se adecuaron obturadoradores de equipo de venoclisis ( Flebotek - quirúrgico ) .

Sistema Electrónico

Sensor

El planteamiento para la solución diseño del sistema electrónico radica primero en considerar un sensor apto para manipular las condiciones de presión requeridas ( +400mmH20 y -400mmH20 ), así se estimó el uso del sensor MPX 2010 Motorola ( O - 10 kPa ). Es un sensor de presión en base a silicio tipo piezoresistivo, de celda de deformación ("strain gauge"), la película de red de resistencias se encuentra integrada en un chip. Provee un voltaje de salida lineal y directamente proporcional a la presión aplicada.

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Caracteristicas:

0 Compensación de temperatura de O o C - +850C. 0 Escala de calibración a 25mV. 0 Strain gauge de base de silicio. 0 f 1% (Max) Linealidad. 0 Diferencial.

En la equiparación de niveles de voltaje con respecto a la presión intracanal demandada, se consideró una columna graduada en mmH20 y para coadyuvar la medición, se diseñó un pre-amplificador de instrumentación con ganancia de 10, se consideraron presiones de hasta f 500mmH20, ( Ver tabla 1; y gráfica 1 ). Después, se realizaron pruebas repetitivas únicamente en los rangos de f 400mmH20, con el fin de obtener un voltaje promedio representativo de los mismos, obteniéndose para +400 y -400mmH20 de 114 y -114mV. Respectivamente (Ver tabla 2).

Amplificación

El acceder a un voltaje tan pequeño proporcionado por el amplificador de instrumentación, no permite un buen control del mismo, en consecuencia, se agregó un amplificador con ganancia de 50 (Ver tabla 3). El amplificador operacional empleado fue el LM4250; este circuito es extremadamente versátil y programable, no requiere compensación de frecuencia, presenta una entrada de corriente de 3nA, además, es posible anular el offset de voltaje, tiene protección contra corto-circuito, y opera con un voltaje de _+ 1V a k 18V.

Detectores de presión ( positiva y negativa )

Se pensó en una etapa de comparación, detectando el momento en que el sistema alcanza la presión de f 400mmH20, para este fin son utilizados los circuitos LM311; por su alto rendimiento en aplicaciones como detectores de nivel de voltaje, responden con rapidez a los cambios en sus entradas, son versátiles, y su salida está diseñada para no presentar rebotes entre Vsat.

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Circuito de control

Posteriormente, se creó un circuito lógico, para controlar el funcionamiento en forma conmutable entre las propias bombas de presión. Llegando así, a la construcción del circuito que apoyaría al encendido de las bombas con su respectivo voltaje de alimentación de 120V, ocupando para ello el triac 2N6071A, por soportar hasta 4 Amperes RMS y 200V. Al integrar todo este sistema ya expuesto, se presento el inconveniente, de que se tenía una polarización en la fuente de línea de 120V, por tal motivo, se estimó el uso de un cable de alimentación con polaridad del mismo, además, el siguiente percance, fue que se debería aislar la fuente de línea de 120V con respecto a la fuente de alimentación del sistema electrónico, por consiguiente, se decidió en recurrir a un circuito optoacoplador MOC3031 con detector de cruce por cero, soportando como máximo 150V y 4 amperes RMS.

Ahora, ya determinada la conmutación de las bombas y alcanzando los respectivos valores de presión, se enfocó en realizar el circuito que accedería al encendido del sistema, contando con l a opción única de que una vez encendido el sistema, realizara un barrido de +400mmH20 a -400mmH20, regresara a OmmH20 ( condiciones iniciales ) y se apagara automáticamente el sistema. Se verificaron diversos circuitos que permitieran l a manipulación de dicho trabajo, y se concluyó por la construcción de un detector de cruce por cero, con una histéresis cerca de 50mV; en conjunto con un flip-flop J-K que desempeñara la función de un flip-flop tipo D, éste, por carecer de uno que realizara cambios en flanco de bajada.

Al explorar otro sistema de marca conocida, se encontró con la existencia de una alarma, cuando en dicho sistema persiste alguna fuga de aire; procediendo en lo sucesivo, al diseño de una etapa que indicará cuándo existe una fuga de presión en el sistema. Se incursionó en la aplicación de amplificadores que detectaran el momento del escape de aire, pero se desertó por ser demasiado complejo, en convención, la disyuntiva a seguir, es la adaptación de un contador, teniendo como función, establecer un determinado tiempo para que el sistema concluya con su tarea, de no ser así, un led se iluminará, señalando que en el sistema se encuentra una fuga, debido a una inadecuada colocación del tubo de prueba. Si no hay fuga de aire presente, el led no se encenderá.

Para propósitos de limpiar datos en el sistema, así como para detener al mismo cuando no se requiera, se dispuso de un botón de reset.

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Durante la evolución del sistema, se coadyuvó con leds, indicando:

1. Función de la bomba de presión positiva. (Verificar pág. 19 ). 2. Función de la bomba de presión negativa. (Verificar pág. 19 ). 3. Reloj para el flip-flop J-K en la etapa de encendido del sistema.

(Verificar pág. 22 ). 4. Salida del flip-flop J-K en la etapa de encendido del sistema.

(Verificar pág. 22 ). 5. La bomba de presión positiva deja de trabajar, una vez concluida la prueba

realizada por el sistema. (Verificar pág. 24 ). 6. Reloj del contador en la etapa de alarma de fuga. (Verificar pág. 25 ). 7, 8, 9,lO. Conteo en binario. (Verificar pág. 25 ). 11. Existencia de fuga de aire en el sistema. (Verificar pág. 25 ).

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DESCRIPCI~N DEL SISTEMA NEUMÁTICO

afm

Amplificador

Fig. 4. Sistema Neumático

El sistema neumático comprende el funcionamiento de las bombas de presión. (Fig. 4).La bomba 1 (presión positiva) y la bomba 2 (presión negativa), se alimentan de la fuente de línea de 120v; además, para su control, están asistidas por medio del sistema electrónico que se explicará posteriormente.

Las dos bombas cuentan con un reservorio, donde se acumula el aire proveniente de las bombas. La presión ejercida, es dirigida al paciente por medio de un tubo de prueba, y se detecta mediante un sensor de presión.

Funcionamiento

Al momento de encender la fuente. La bomba 1 inicia su cometido mientras la bomba 2 se mantiene apagada, cuando el sistema electrónico sensa +400mmH20, la bomba 2 comienza su actividad y ahora la bomba 1 se mantiene apagada. Cuando las dos bombas se encuentren apagadas, la presión detectada será la de condiciones ambientales. Nunca se encontrará la situación en que las bombas estén trabajando a la par.

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DESCRIPCI~N DEL SISTEMA ELECTR~NICO

12 v 4 12 v

3

- -

10 k a

5Y + - 1 2 v 1 8.2ka

Fig. 5. Circuitería para el sensor de presión.

Sensor

La primera etapa del sistema electrónico es la pre-amplificación del transductor ( fig. 5 ). Aquí, debemos considerar la baja interferencia, ya que su salida deberá ser amplificada a través de la siguiente etapa de amplificación, y cualquier interferencia o ruido será amplificada junto con la señal.

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial básico aunado a un amplificador aislado. Es de alta exactitud y muy versátil, puede amplificar fielmente señales de bajo nivel en presencia de ruido intenso en modo común.

La ganancia del pre-amplificador es de 10, y puede eliminarse el offset por medio de la resistencia variable de 5Ksz. En tanto que la ganancia puede ser modificada mediante la resistencia variable de 1Ksz.

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10 kn

I 500 kn

2

Fig. 6. Etapa de amplificación.

Amplificación

Esta etapa de amplificación es necesaria para aumentar nuestra sena1 procedente de la etapa de preamplificación y así tener un mejor control de nuestros valores de presión.

Se utiliza un amplificador no inversor, esto es, el voltaje de salida, tiene la misma polaridad que el voltaje de entrada Ei.

Las resistencias que nos permiten tener l a ganancia deseada son las resistencias de 10ka y la de 5 0 0 b . La ganancia amplificada es de 50 para nuestros fines prácticos.

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Comparador a + 400 mmH20 12 v t

Ei

1 - M7

3 1 i/

it -* - 1 2 v 1

I 10 kn

m Comparador a - 400 mmHzO

-

vo 3

-vo 2

Fig. 7 Detectores de nivel de presión.

Detectores de presión ( positiva y negativa )

Estos comparadores son detectores de nivel de voltaje, para monitorear un voltaje de entrada e indicar cuando este voltaje esté por arriba ( +400mmH20 = 5 . 7 ~ ) o por abajo ( -400mmH20 = -5.7~) de los límites prescritos.

20

La operación del circuito es como sigue. Suponga, que para el comparador de presión de +400mmH20, Ei = 6v. Dado que Ei es mayor que el límite preestablecido para presión positiva, el voltaje de salida de este comparador se irá a Ov, si fuese Ei por debajo del voltaje establecido se establecería en 5v.

Ahora, suponga que en el comparador de presión de -400mmH20, Ei = -6v. Dado que Ei es mayor que el límite preestablecido para presión negativa, el voltaje de salida en este comparador será de Ov, por el contrario, si fuese Ei menor al límite prescrito, el voltaje de salida será de 5 v. De esta manera es posible mantener la presión de r f : 400mmH20 dentro de los límites seguros del paciente ( fig. 8 ).

Por último, las resistencias conectadas a las salidas de los comparadores, restringen el voltaje de salida dentro de +5 V y O V, los cuales son niveles tipicos de las señales digitales, que es propicio para este fin.

VOLTAJE DE SALIDA

5 v

5v

ov

bomba 1

bom6a 2

r PRESIóN +400mmH20 -400mmH20

Fig. 8. Diagrama de tiempo de la etapa de detección de Presión.

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1 ; Comparador 1 i : 12 J

Retardo

Vcc 4 PR

5 v

Fig. 9 Circuitería lógica para el control de las bombas.

Circuito de control

Esta es la etapa de control de circuito lógico, donde se detecta la transición de los comparadores, generando una señal con la que se activa el funcionamiento de cada una de las bombas, utilizando un flip-flop J-K ( fig. 9 ). La parte de circuitos integrados ( OR, NOT y NAND), sólo ayudaran para realizar un pequeño retardo de reloj, proveniente de la señal de los comparadores , para obtener un mejor control de la información que adquiera el flip-flop.

El funcionamiento del circuito es el siguiente. En condiciones iniciales, el flip-flop tendrá a la salida Q = O, ahora, suponga que el comparador 1 ( +400mmH20 ) a detectado un sobre voltaje del límite preestablecido, lo que ocasionará que la salida del flip-flop sea Q = 1 y O = O. Si ahora, se percibe que en el comparador 2 ( -400mmH20 ) se ha sobrepasado el voltaje prescrito, las condiciones de la salida del flip-flop cambiaran a Q = O y Q = 1.

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RELOJ

ZOMPARADOR 1 1 ; i

ZOMPARADOR 2

BOMBA 1 i i-1

B O m A 2

Fig. 10. Diagrama de tiempo de la etapa de control de las bombas.

Gracias al retardo provocado, el reloj inicia después de detectar un cambio en los comparadores, y se presentaran cambios a la salida del flip-flop sólo en los flancos de bajada ( fig. 10 ).

La salida Q del flip-flop corresponderá al funcionamiento de la bomba 2, en tanto que O señalará la activación de la bomba 1. De esta manera, se logra el control de las bombas. En cuanto trabaja la bomba 1, la bomba 2 mantiene apagada y viceversa.

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2

6 F BOMBA 2

I T

BOMBA 1

115V

GND

Fig. 11. Circuito de acoplación del sistema con lafuente de línea de 120v

Esta etapa permite funcionar las bombas de Presión Positiva y de Presión Negativa conectadas a la fuente de alimentación de línea de 120v.

Para tal fin, es utilizado un optoacoplador, que permite aislar la fuente proveniente de 120v, así como del resto del circuito ya expuesto, que se alimenta con 12v y 5v, por seguridad.

El funcionamiento es el siguiente. Cuando en la entrada del optoacoplador detecte el estado lógico 1, proveniente del flip-flop en Q = 1, activara la bomba 2, por el contrario, si detecta el estado lógico Q = O, desactivará a la misma. En forma análoga pasará con la bomba 1, sólo que la entrada de su optoacoplador será mediante el estado en O del flip-flop.

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Ei

- I

RETARDO RESET .............................................. .””..........”.

: m 1 3 ” u”

................................................................. [ i ‘J

Fig. 12. Circuito para activar el sistema.

Así llegamos a la etapa que permite iniciar el funcionamiento del sistema, (fig. 12) así como el control para realizar una sola prueba. ( primero alcanza +400mmH20, en seguida, llega a -400mmH20 y regresa a cero).

En este modelo simplificado, se diseñó primero un detector de cruce por cero, donde las resistencias de lb y 1 O O b agregan cerca de 50mV de histéresis para minimizar los efectos de ruido, de modo que la terminal 2 en esencia está en OV. El voltaje de salida ( Vo ), se muestra en el diagrama de tiempos de la misma etapa (fig. 13), así como el voltaje ( Ei) presentado a la entrada. En la salida se encuentran OV, para los medios ciclos positivos de voltaje Ei, proveniente la señal del circuito amplificador de la etapa de amplificación. La salida está a +5V para los medios ciclos negativos de voltaje Ei. Aquí también se restringe el voltaje de salida a niveles tipicos de las señales digitales. De modo que se convierte el voltaje cambiante de presión en niveles digitales.

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El interruptor de push bottom es el que macará la señal de inicio del sistema, donde su acción de interrupción produce transiciones de voltaje conforme el interruptor oscila ( hace y deja de hacer contacto ) antes de quedar en reposo en un mismo nivel. Como es casi imposible obtener una transición de voltaje "limpia" debido al fenómeno de oscilación "rebote" de contacto, se utiliza un registro básico de compuertas NAND para evitar que la presencia de una oscilación de contacto tenga efectos sobre la salida. Cuando el interruptor se encuentra en reposo la salida de voltaje es cero, pero en cuanto se oprime el push bottom, el voltaje de salida es 1.

I

400 mmH20

Ei

-400 mmHzO

Push Bottom

vo

Fig. 13. Diagrama de tiempo de la etapa de activación del sistema.

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El flip-flop J-K es utilizado como un flip-flop tipo D, éste flip-flop, mantiene o almacena la señal de entrada, hasta un cambio de transición en flanco de bajada del reloj. Cuando existe un 1 en la entrada a la salida producirá un 1 y cuando en la entrada es un cero, se esperará un cero a la salida.

El funcionamiento del circuito es el siguiente ( fig. 13 ). En condiciones iniciales el voltaje ( Ei ) de la entrada del comparador es cero, puesto que no se está ejerciendo presión de aire porque las bombas no se encuentran trabajando, y el voltaje de salida ( Vo ) es cero por lo antes mencionado, obteniendo en el flip- flop a la entrada J = 1 y en la salida Q = O.

En el momento que el push bottom es oprimido, el reloj del flip-flop lo detecta y deja pasar la señal presente ( J = 1 ), poniendo Q = 1, en ese instante se activarán las bombas y en el primer semi-ciclo ( positivo ) de Ei, Vo seguirá mostrando un voltaje de cero. Ahora, cuando se ha iniciado el segundo semi-ciclo ( negativo ) en Ei, el voltaje Vo será un uno y el valor de la entrada del flip-flop ( J) cambiará de estado lógico a cero hasta un tiempo después, debido al retardo inducido. ÉSto permitirá que Q siga en estado lógico uno no importando que el reloj detecte el cambio del segundo semi-ciclo ( negativo ), permaneciendo el reloj en estado lógico uno, pero en el momento del término de éste semi-ciclo y llegar a cero, Vo regresa a un voltaje cero, el reloj percibe esta alteración y cambia su estado lógico a cero. Como J = O en el flanco de bajada del reloj, el estado lógico Q cambiará a cero. De esta manera, las bombas dejaran de funcionar.

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8 O+,

I 1

390 kn i 680 kn 4 I +

5v

470 n

3

Fig. 14. Circuito detector de fuga de presión de aire.

En esta etapa de detección de fuga de presión de aire en el sistema ( fig. 14 ), el circuito es sólo un contador de tiempo.

El circuito N555 funciona como un generador de pulsos a una frecuencia de oscilación de 1Hz. La salida de éste se encuentra conectada al circuito contador en binario ( 74192 ). Mediante un arreglo de compuertas lógicas AND la señal de salida se conecta a la entrada del flip-flop J-K. El reloj del flip-flop se sincroniza con la salida del oscilador, en tanto que Q se encuentra conectada a un led como indicador de que persiste una fuga de aire.

El circuito funciona de la siguiente manera: Cuando se inicia la activación del sistema, el generador comienza a trabajar, y empieza un conteo de 8 segundos, si en ese lapso de tiempo se termina de realizar la prueba se mandará una señal proveniente del flip-flop de la etapa de activación del sistema hacia las respectivas habilitaciones de los circuitos de esta etapa, ocasionando que estos se desactiven y no se finalice el conteo. En su forma contraria, si hay una fuga de aire, la señal antes mencionada permitirá que se acomplete el conteo y se encienda un led para advertir que existe fuga de aire.

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ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL INSTRUMENTO

O Fuente de Alimentación del sistema neumático de: 120 VAC 60 Hz. O Fuente de Alimentación del sistema electrónico: k 12 V y 5 V. O Rango de Presión: k 400 mmH20. O Voltaje en los límites del rango de presión: k 5.7 V O Control de presión de aire: manual.

Calibración

La calibración se realiza mediante la resitencia variable POT A de la etapa de preamplificación. Ajustándola a un valor de 20 mV.

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MANUAL DE USUARIO

1.

2.

3. 4. 5. 6.

7. 8.

9. 10.

Verifique que esté conectada la manguera proveniente del sistema neumático al sensor de presión. Verifique que estén conectados los alambres del cable de la fuente de línea y los cables de las bombas al sistema. Conecte las fuentes de alimentación de & 12 V y 5 V. Calibre el sistema. Conecte el cable principal del sistema a la fuente de línea de 120 V. Encienda el interruptor de encendido del sistema. Oprima START para iniciar la prueba. Si presenta fuga de presión de aire, oprima RESET para limpiar datos y poder reiniciar la prueba. Si no desea concluir la prueba oprima RESET. Si desea realizar otra prueba, regrese al paso 7.

NOTA: Se debe ajustar el control de las bombas a cada instante, debido a la mala adecuación de las válvulas.

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DISCUSI~N

En el transcurso del desarrollo y conformación del sistema "presurizador intracanal ", se fueron presentando diversos inconvenientes de los cuales se eliminaron algunos y los restantes se siguen presentando en el sistema, los efectos son los siguientes:

Desde la etapa de amplificación se comenzó a detectar ruido en la tarjeta de ensamble del sistema, es decir, al momento de tocar, o mover la tarjeta así como los componentes del mismo en su estado de activación, los valores o la señal entregada no era la esperada, para detectar algunas fallas de este tipo se invirtió demasiado tiempo, concluyendo además, que algunas de las bases utilizadas son la causa del origen del ruido, pero ést0 puede ser eliminado si integramos los componentes del sistema en una tarjeta impresa, por otro lado, se debe de diseñar la fuente propia del sistema ( k 12v y 5V ), mermando la mala colocación de las puntas de la fuente ( TEK ) y la movilidad de las mismas.

En el resultado final del sistema ( control de las bombas ), existe la falla de que a veces realiza lo cometido, ésto como ya se ha descrito puede ser por ruido. El otro inconveniente es el control de la presión en el sistema neumático, al utilizar en calidad de válvulas a los Obturadores del equipo de venoclisis como controladores de velocidad de presión y selle en las mangueras del sistema, porque dichos Obturadores no sellan bien después de realizar muchas pruebas en la terminación y desarrollo de construcción del presurizador intracanal, además que no son muy prácticos para manipular. Lo recomendable es cambiar los Obturadores, si el presupuesto lo permite, por Válvulas tipo Check.

En la etapa de detección de fuga, se utilizó un contador de tiempo, pero esto puede ser reemplazado por amplificadores en cada nivel de voltaje o en ciertos niveles de voltaje, para detectar el momento en que se presenta la fuga de aire y si se desea digitalizarla, se tendrá mayor manipulación de la misma.

Se hubiese podido llegar a un final más cercano que lo alcanzado, pero desafortunadamente las cosas no fueron lo deseado y se gastó tiempo valioso para generar lo faltante.

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GLOSARIO

acufeno - Pérdida en los oídos.

barotrauma - Daño del oído por un súbito cambio de presión.

complianza - El inverso de la rigidez.

impedancia - Es la oposición que ofrece un medio a la transmisión de energía acústica.

miringitis - Inflamación aguda o crónica del timpano.

otitis media - Inflamación del oído medio, que termina lo más a menudo por supuración con perforación del tímpano.

o t m e a - Flujo por el oído, generalmente purulento.

otosclerosis - Esclerosis del oído caracterizada por una ostificación del laberinto y que se manifiesta por sordera y vértigos.

prueba de Rinne - Se investiga en los casos de lesión de la caja del timpano. Se coloca un diapasón vibrante sobre la apófisis mastoides y, cuando deja de percibirse, se aplica al meato auditivo; si tampoco se perciben las vibraciones, es que hay lesión de la caja; entonces se dice que el Rinne es negativo. En estado normal, el Rinne es positivo, es decir, que el diapasón es percibido por más tiempo a nivel del meato auditivo que aplicado sobre la apófisis mastoides.

prueba de Weber - Está fundada en el hecho normal de que si se apoya en el vértice, a nivel de la línea media, el pie de un diapasón vibrante, las vibraciones se perciben con igual intensidad en ambos lados; si ahora se tapa un oído con el dedo, el sonido del diapasón será mucho más intenso en el lado de la oclusión. Toda afección que reproduzca este hecho experimental, es decir, que establezca un obstáculo en el aparato de transmisión ( tapón de cerumen, cuerpo extraño, proceso inflamatorio, etc.), aumentará el sonido del diapasón en el lado enfermo se dice entonces que el < Weber > es < positivo > o lateralizado en el lado enfermo. Por el contrario, si existe una afección unilateral del oído interno o de las vías acústicas, diremos que el < Weber > está lateralizado en el lado sano o en el menos enfermo, es decir, que es < negativo >.

timpanograma - Despliega el cambio de energía del oído medio.

h’mpanometria - Es la medida de cambios de la energía acústica en la membrana timpánica como resultado de los cambios de presión del aire en el canal auditivo.

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APENDICE A

PRESIÓN mrnH20

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 O

-50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 -500

VOLTAJE mV

141.8 127.6 113.7 99.5 85.8 71.1 56.7 42.3 29.8 15.4

O -10.9 -24.1 -38.5 -54.4 -68.3 -83.5 -98.5 -112.5 -127.3 -141.2

Tabla l . Voltajes de salida del transductor

EVENTOS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 c

VOLTAJE mV Presión a

-400mmH20 +400mmH20 Presión a

114.1 -113.9 114.2 -113.7 114.2 -113.8 113.7

114.2 -113.7 114.0 -113.8 113.9 -113.9

-113.9 114.0 -113.9 113.8 -113.8 113.9 -113.9 113.9 -113.9 113.8 -113.8 114.0 -113.9

Tabla 2. vol taje de sa7ida e n los rangos de k400rnrnH20.

-400 -5.7

Tabla 3. Valores de voltaje en el rango de f400rnmH20 con ganancia de 50.

3 3

'4

APÉNDICE B

. . . .

36

- 3 1?V

l h "

71 I?

. . ..

7404

G"

LISTA DE COMPONENTES

CIRCUITOS INTEGRADOS CI:Ol Amp. Operacional TL084. CI:02 Amp. Programable LM4250. C103 Comparador LM311. C104 Comparador LM311. C105 Compuerta Lógica TTL 7404. C106 Compuerta Lógica TTL 7432. CI:07 Compuerta Lógica TTL 7409. CI:08 Flip-Flop J-K 7406. C109 Optoacolpador MOC3031. C110 Optoacolpador MOC3031. C111 Comparador LM311. CI:12 Compuerta Lógica TTL 7404. C113 Compuerta Lógica TTL 7432. CI:14 Flip-Flop J-K 7406. CI:15 Compuerta Lógica TTL 7400. C116 Temporizador NE555. CI:17 Contador TTL 74192. CI:18 Flip-Flop J-K 7406. C119 Compuerta Lógica TTL 7409. C120 Compuerta Lógica TTL 7404. C121 Compuerta Lógica TTL 7400.

CAPACITORES C1: 0.01pF. C2: 0.01pF. C3: 0.01pF. C4: 0.1pF. C5: O.lpF. C6: O.1p.F.

VARIOS Q1 TRIAC 2N6071A. Q2 TRIAC 2N6071A. Dl LED D2 Diodo 1N914. D3 Diodo 1N914. SW1 Push Button de START. SW2 Push Button de RESET.

RESISTENCIAS R01: l o b . R02: 1 O O k s z . R03: 100kQ. R04: l o b . R05: 1 0 k ~ . R06: 1 0 k ~ . R07 1Oksz. R08: l O k s z . R09: 10MQ. R10: 100kQ. R11: 100kQ. R12: 10kQ. R13: 1OOksz . R14: l o b . R15: 120Q. R16: 1800. R 1 7 l b . R18: 39~2. R19: 1200. R20: 180Q. R21: lb. R22: 3 9 ~ . R23: IkQ. R24: 100kQ. R25: 500Q. R26: 680ksz. R27: 390kQ. R28: 470Q. R29: 10kQ. R30: 10kQ. POT A: 20m. POT B: 1m. POT C: 500Ksz. POT D: 10m. POT E: 5KQ. POT F: 1 0 K ~ . POT G: ~ K Q .

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PRESURIZADOR INTRACANAL

Sistema Electrónico

\ Sistema Neumático

\ Bomba de presión Negativa

/ Válvulas

De control

I Bomba de presión Filtros positiva

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SISTEMA ELECTRóNICO

Sensor

\ Fuente de

alimentación ( + 1 2 V y - l 2 V )

/

Fuente Alimen. tación ( 5 V f

Leds

guía ’ de

d e

Circuito de control O

BIBLIOGRAFIA

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