Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE INCUBADORA CONTROLADO POR LÓGICA DIFUSA I. Zaragoza, Y. Gómez, .A. Cabrera, G. Trujano, C. Campos, S. Montoya, A. García, S. Jiménez, I. Chairez, B. Aguilar, I. Valencia, K. Mendoza, C. Rodríguez, E. Bautista, G. Gálvez. Instituto Politécnico Nacional Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología Av. Acueducto s/n Barrio La Laguna, Ticomán C.P. 07340, México, D.F. [email protected]

RESUMEN Una incubadora proporciona un microambiente favorable para neonatos que necesitan cuidados especiales. Por tal motivo, nos dimos a la tarea de diseñar un prototipo de incubadora que cubre las necesidades mínimas de instrumentación del área de cuneros en hospitales de servicio general. Para conseguir este propósito, se realizó una revisión de los requerimientos establecidos en la Norma Oficial Mexicana NOM-066-SSA-1993, y basados en lo anterior se construyeron cada uno de los elementos del prototipo, los cuales enumeramos a continuación: 1.-Chasis: fabricado de lámina metálica mediante el proceso de doblado por tensión. 2.-Capacete: construido de polipropileno, permite la observabilidad y posee cuatro ventanillas de acceso. 3.-Plataforma: colocada sobre el sistema contenedor de agua, construida de varias capas de corcho forradas de polipropileno. 4.-Contenedor de agua: colocado dentro del chasis, fabricado de plástico. 5.-Sistema de entrada de aire: controlado por un ventilador colocado en un extremo del contenedor de agua. 6.-Sistema calefactor del aire: constituido por una resistencia eléctrica, colocado dentro del contenedor de agua, en un compartimiento especialmente diseñado para esta. 7.-Sistema de extracción de aire: es una red de conductos y un ventilador como extractor. 8.-Sensores de temperatura: diseñados mediante el componente LM35 complementado con el amplificador operacional TL074 y ubicados en cuatro posiciones estratégicas para lograr un sensado uniforme. Con estas herramientas, se obtuvieron las condiciones necesarias para obtener los parámetros de prueba a los que se sujeta el diseño de un controlador difuso de temperatura en condiciones reales de operación.

1. INTRODUCCIÓN En la actualidad el avance de la tecnología médica se ha desarrollado considerablemente, un ejemplo de estas nuevas aplicaciones es en el desarrollo de unidades de apoyo de vida

neonatal (incubadoras). Las incubadoras son aparatos diseñados para producir las condiciones ambientales apropiadas específicas para cada paciente y usados durante el cuidado de infantes de alto riesgo, ya que cuando el neonato está sujeto a condiciones ambientales no controladas, su temperatura corporal tiende a descender a causa de la inmadurez de su sistema nervioso termorregulatorio [1],[2]. Se necesita que la construcción de un equipo parta de un buen diseño con la finalidad de cumplir con las condiciones requeridas. En el caso del diseño de una incubadora se deben de considerar cuatro factores principales: a) Que mantenga la temperatura y condiciones de humedad adecuadas. b) Que cumpla con las condiciones de seguridad para el neonato. c) Que sus materiales y construcción sean resistentes al uso. d) Que su manejo sea sencillo. El prototipo diseñado trata de apegarse lo más posible a los requerimientos que se establecen en la Norma Oficial Mexicana NOM-066-SSA1-1993 [3], que establece las especificaciones sanitarias de las incubadoras para neonatos. Sin embargo, no es el objetivo central de este trabajo cumplir con todos y cada uno de los lineamientos establecidos en dicha norma, sino adecuar dichas especificaciones para conseguir las condiciones adecuadas que permiten la implementación de nuevas técnicas de control, como lo es la lógica difusa, y ampliar la línea de investigación dirigida a esta área. Palabras Clave: Incubadora, lógica difusa, temperatura, diseño, construcción, prototipo.

2. METODOLOGÍA La metodología para el diseño y construcción del prototipo se fundamenta en los siguientes puntos: 1. Revisión de la Norma Oficial Mexicana NOM-066-SSA11993 2. Diseño y construcción del chasis. 3. Diseño y construcción del capacete. 4. Diseño y construcción de la plataforma para colchón. 4a. Selección de un colchón. 5. Diseño y construcción de un contenedor de agua.

950-7132-57-5 (c) 2001, Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo 00281

6. Sistema de entrada de aire. 6a. Adquisición y adaptación de un ventilador. 7. Sistema de regulación térmica. 7a. Elección de un elemento calefactor. 8. Diseño y construcción de un sistema de extracción de aire. 9. Diseño e implementación de los sensores de temperatura. 9a. Ubicación de los sensores. 10. Implementación de la estrategia de control [4], [5].

3. RESULTADOS CHASIS El chasis es la base metálica de la incubadora donde se alojan el sistema de calentamiento, sistema de flujo de aire, contenedor de agua y circuitería de la incubadora. Para la construcción de la base metálica de la incubadora se eligió el proceso de doblado por tensión, ya que resultó ser el método más accesible a los recursos con que se cuentan y facilita la soldadura de las piezas que forman esta parte de nuestro diseño. En cuanto a los materiales para la construcción del chasis, se utilizó lámina de acero inoxidable de 2mm de grosor. Su elección se debe a que es lo suficientemente resistente al estrés físico normal aumentando la vida útil del equipo. También este tipo de material tiene un alto grado de resistencia al calor por lo que las temperaturas a las que opera la incubadora no provocarán ningún tipo de deformación, además ayuda a mantener un nivel de asepsia mínimo y es lo suficientemente ligera cómo para no aumentar considerablemente el peso de la incubadora, a fin de que sea fácilmente transportada. Las dimensiones (90,5 cm x 42,5 cm x 27,0 cm) se eligieron tomando en cuenta: el tamaño promedio de un neonato, el equipo interno cómo contenedor, circuitería, sistema calefactor y sistema de circulación de aire.

42,0 cm x 40,5 cm ) el cual se coloca sobre la superficie metálica y cumple con las siguientes características: a) Protege al recién nacido del aire que circula por el medio ambiente. b) Es abatible y está construido de un material que permite observar al recién nacido fuera de la cubierta, sin dificultad. c) Dispone de accesos que permiten una fácil manipulación del recién nacido, 4 ventanillas, 2 al frente y 2 en la parte posterior para introducir los brazos. El diseño se muestra en la siguiente foto.

Foto 2. Capacete

PLATAFORMA Y COLCHÓN La plataforma ( 80,0 cm x 35,0 cm x 2,0 cm ) se coloca sobre el sistema contenedor de agua formando un espacio entre el chasis y este. En nuestro caso utilizamos varias capas de corcho (material aislante) forradas de acrílico con el fin de proveer una superficie sólida para la cama acolchonada sobre la que se colocará al neonato y además permita, mediante dos orificios (16,0 cm x 16,5 cm y 17,0 cm x 9,3 cm ), el paso del aire caliente y húmedo que fluye desde el chasis hacia el espacio donde se encuentra el neonato.

Foto 3. Plataforma para el colchón y chasis.

Foto 1. Chasis.

CAPACETE En lo que respecta al capacete o cubierta de la incubadora, actualmente los materiales que se emplean en las partes plásticas de una incubadora son principalmente resinas, las cuales son manufacturadas principalmente por un proceso de colado. Para nuestro diseño se empleó polipropileno como material de construcción, formando un prisma rectangular (90,0 cm x

En lo que se refiere al colchón ( 81,0 cm x 35,5 cm x 5,0 cm ), se construyó con una pieza de hule espuma recubierta por una capa plástica, ya que la norma establece que este debe soportar al recién nacido sin ningún riesgo para el mismo, estar fabricado de material antialérgico y contar con espacio suficiente bajo la plataforma para colocar una porta chasis con su placa radiografía. CONTENEDOR DE AGUA El sistema de humidificación de la incubadora se basa en hacer fluir aire caliente, por medio de un ventilador, sobre la superficie del agua que se encuentra en un contenedor (68,5 cm x 23,0 cm x 17,0 cm ). Dicho sistema de circulación va dentro del chasis. Este contenedor de agua está fabricado con plástico. El contenedor fue diseñado para que asegure la eficiencia necesaria en el control térmico de la incubadora.

Foto 4. Contenedor de agua

SISTEMA DE ENTRADA DE AIRE El sistema de circulación de aire es controlado por un ventilador de 5,0 cm de radio, alimentado con 12,0 V C.D., y con 0.25 HP, de velocidad regulada por voltaje; el cuál se encarga de desplazar el flujo de aire a través de el contenedor de agua y de una resistencia eléctrica para ser humidificado y calentado. Finalmente se conduce a través de los dos orificios de la plataforma hacia el capacete. ELEMENTO CALEFACTOR El elemento calefactor para este sistema es una resistencia eléctrica controlada por voltaje, con potencia máxima de 3,5 kW la cuál se coloca en el compartimiento posterior al contenedor de agua para que en el momento de la calefacción el aire ya se encuentre humidificado evitando variaciones en la temperatura.

Foto 6. Sensores de temperatura

UBICACIÓN DE LOS SENSORES Se utilizaron cuatro sensores para la instrumentación, de los cuales, tres son para determinar la temperatura en el interior del capacete y el cuarto para determinar la temperatura cutánea del neonato. El primero de ellos, se colocó 10,0 cm por debajo de la altura máxima del capacete y es utilizado como referencia de control; el segundo fue colocado por arriba del colchón y este será el que tendrá contacto directo con el neonato; el tercer y cuarto sensor se colocaron a la salida y a la entrada del flujo de aire, respectivamente, para tener un panorama general de la distribución de temperatura en el interior del capacete, todo lo anterior en base a la normatividad citada.

SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE AIRE Con la intención de eliminar la acumulación de CO2 espirado por el neonato dentro del capacete, se diseñó un sistema de extracción de aire dentro del chasis; se construyó por medio de una red de conductos de tubos PVC y un extractor de aire.

Fig. 1. Ubicación de los sensores

Foto 5. Sistema de extracción de aire.

SENSORES DE TEMPERATURA El sensado de la temperatura se realizó en cuatro posiciones estratégicas, como se mostrará posteriormente, empleando el transductor LM35, el cual tiene un comportamiento lineal y sensibilidad de 10,0 mV/ºC complementado por el amplificador operacional TL074 debido a sus características de operación (entrada tipo JFET, tiempo de respuesta de 0,1 ms etc.)[6]. El registro de la temperatura es llevado a cabo por medio de un sistema mínimo basado en el microprocesador 6802, elegido por su facilidad de programación, accesibilidad y costo de los dispositivos; de está tarjeta se obtiene un desplegado digital que conmuta a través de cada uno de los cuatro sensores utilizados.

SISTEMA DE CONTROL Se desarrolló un controlador de temperatura basado en lógica difusa, el cual tiene como variables de entrada el error entre la temperatura deseada y la sensada, el cambio en el error y la integral del error. Como variable de salida se tiene a la potencia aplicada al ventilador, sobre la que se ejecuta la acción de control[7]. Se determinó del rango de las variables la partición de las mismas en términos lingüísticos; se asignó una función de membresía triangular por cada término lingüístico, excepto en los extremos, para conocer al conjunto de valores que puede tomar la variable en el universo difuso (proceso de fuzificación); se estableció un conjunto de 125 reglas base IF-THEN, que representan el conocimiento heurístico del sistema; se realizó el proceso de inferencia y finalmente se realizó el proceso de defuzificación mediante el método de centro promedio, para finalmente otorgar la acción de control a ejecutar[8][9].

5. CONCLUSIONES

Fig. 2. Sistema de control

Se logró diseñar y construir un prototipo de incubadora, el cual, cumple con las características especificadas por la norma. Aún así, el diseño actual se continua modificando con la intención de mejorar las característica y condiciones ambientales para que cumpla enteramente las normatividades aplicables. Las pruebas de desempeño de la incubadora con la aplicación del control difuso han proporcionado resultados satisfactorios, sin embargo, el sensado y reconocimiento de fallas así como el monitoreo de nuevas variables es un propósito que se desarrolla actualmente y se presentará en trabajos posteriores.

4. DISCUSIÓN Gracias al proceso de diseño y construcción se cuenta con un prototipo capaz de proporcionar las condiciones ambientales apropiadas para el desarrollo del neonato; esto puede observarse en la gráfica obtenida del sensor de control en las pruebas realizadas, las cuales muestran un establecimiento de la temperatura a los 37 ± 0,4 °C rango permitido por la norma. Foto 7. Incubadora

REFERENCIAS. [1] J. G. Webster, “Medical instrumentation. Application

Gráfica 1. Sensor de temperatura 1

Es de resaltar, que el diseño debe apegarse en modo más efectivo a la norma que rige las condiciones de una incubadora, tal es el caso de la implementación de una doble pared para el capacete, con lo que se asegura una menos transferencia de calor generado por la incubadora hacia el medio externo que la rodea; por otra parte, existen factores de seguridad para el neonato que deben ser tomados en cuenta, uno de ello es la implementación de un sistema mecánico de inclinación de la plataforma; características en las cuales se está trabajando. Por otra parte, las dimensiones y el peso del prototipo entran dentro del rango comercial que actualmente se emplea en unidades de terapia intensiva neonatal[4], asegurando que las dimensiones son las adecuadas para su operación dentro de estas salas, lo cual evitará cualquier modificación a las condiciones de espacio asignado en los hospitales.

and Design”, Ed. John Wiley & Sons Inc., USA 1998, 607-609. [2] J. G. Webster, “Encyclopedia Of Medical Devices and Instrumentation”, Ed. John Wiley & Sons Inc., USA 1988, 1643-1656. [3] Pagina electrónica de la Secretaria de Salud y Asistencia; www.ssa.gob.mx. [4] Catálogo ATOM 2000. [5] Catálogo Dräger serie 8000. [6] R. Boylestad, “Electrónica Teoría de circuitos” Ed. Prentice Hall, México 1989. [7] O. Infante et al., “Control de temperatura para incubadora de neonatos con alarmas y comunicación para control supervisorio”, Revista Mexicana de Ingeniería Biomédica, vol. 13 no. 2. Año 1992, pag. 387-395. [8] Passino K.M. “Fuzzy Control” Ed. Addison – Wesley EE.UU. 1998. [9] Ross Tímothy “Fuzzy Logic with Engineering Applications” Ed. McGraw Hill EE.UU. 1995.

DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN INCUBATOR PROTOTYPE CONTROLLED BY FUZZY LOGIC ABSTRACT An incubator provides an appropriate microenvironment to neonatal infants who need special cares. For this reason, an incubator prototype was designed which covers the minimal instrumentation requirements in general hospitals nurseries. To achieve this purpose, the Official Mexican Norm NOM-066-SSA-1993 was reviewed, and based on this fact, each one of the elements of the prototype were built, as listed below: 1) Chassis: Built from steel layer using a folding process. 2) Acrylic Shell: Manufactured from propylene, this allows the infant to be observed and has four access windows. 3) Platform. Placed over the water container, it’s constructed of several layers of cork, wrapped with acrylic. 4) Water Container. Located inside the chassis, made out of plastic. 5) Air entrance system: Controlled by a fan placed in one end of the water container. 6) Air heating system: Constituted of an electric resistance, located inside the water container in a compartment especially designed for it. 7) Air extraction system: It’s a net of plastic tubes and a fan that works as an extractor. 8) Temperature sensors: Designed with the LM35 sensor device, complemented with the TL074 operational amplifier, located at four strategic places to achieve a uniform sensing. With these tools, we obtained the necessary conditions to obtain the optimal parameters to design a fuzzy temperature controller in real operating conditions.