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Determinación de Humedad en una incubadora neonatal

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fer peralta

on 5 June 2015

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Transcript of Determinación de Humedad en una incubadora neonatal

Determinación de Humedad en una incubadora neonatal
Mecanismos de producción de calor
* El sensor tiene como entrada la HR del ambiente de medición y como salida, voltajes en función de dicha HR.

* Si el dispositivo es alimentado con 3.3 [Vdc], permite obtener una salida prácticamente lineal, según la siguiente función de transferencia:


Vsal=Val*[0.00636*(sensorHR)+0.1515]

Conclusiones
Mecanismos de pérdida de calor
El calor del cuerpo se pierde por radiación, convección, conducción y evaporación.

Introducción
* Las incubadoras son dispositivos médicos utilizados para generar un ambiente en el que se controlan diferentes variables fisiológicas para el correcto desarrollo de los recién nacidos que necesiten cuidados especiales.


* Proveen un ambiente calefaccionado para reducir las pérdidas de calor del cuerpo por conducción, convección, radiación y evaporación; siendo este último el proceso por el cual pierden la mayor cantidad de calor.


* Además del control de la temperatura, se incluye un control de humedad, ya que una adecuada humidificación reduce las pérdidas de calor por evaporación.


* En este proyecto nos encargaremos del diseño de un dispositivo de medición de humedad relativa dentro de una incubadora neonatal.





Las incubadoras neonatales proporcionan un entorno controlado para recién nacidos que necesitan cuidados especiales.

En los primeros días de vida, las pérdidas evaporativas diarias de los neonatos prematuros pueden llegar al 20% de la masa corporal. Tales pérdidas pueden ser reducidas incrementando la humedad dentro de la incubadora.

HUMEDAD:
Se denomina humedad al agua que impregna un cuerpo o al vapor presente en la atmósfera.

La humedad del aire es un factor que sirve para evaluar la comodidad térmica del cuerpo vivo que se mueve en cierto ambiente. Sirve para evaluar la capacidad del aire para evaporar la humedad de la piel, debida a la transpiración fundamentalmente.

TERMORREGULACIÓN:
El ser humano es un animal homeotermo que en condiciones fisiológicas normales mantiene una temperatura corporal constante y dentro de unos límites muy estrechos, entre 36,6 ± 0,38ºC, a pesar de las amplias oscilaciones de la temperatura ambiental.

* Mecanismos de producción de calor.
* Mecanismos de pérdida de calor.


Bajo condiciones normales, la temperatura uterina es de 37.9 °C y fluctúa poco.

Al nacer, la transición del ambiente intrauterino al extrauterino crea un cambio térmico significativo que desafía la habilidad de termorregulación del recién nacido (RN).


Debido a la inmadurez de cada órgano, los prematuros son vulnerables tanto al enfriamiento como al sobrecalentamiento; tienen una tasa metabólica mayor que los lactantes y adultos.

En el prematuro, la cantidad de calor que se puede perder por el mecanismo de evaporación es particularmente importante. Esto ocurre en forma de pérdidas insensibles de agua (PTEA).


La barrera que produce el estrato corneo, es la mayor resistencia a la difusión del agua. En el RN de muy bajo peso, el estrato córneo está pobremente desarrollado y es funcionalmente deficiente.

Las consecuencias fisiológicas de altas pérdidas de agua incluyen: deshidratación, desequilibrio electrolítico, trauma del estrato corneo superficial y potencial absorción percutánea de tóxicos.

Por esta razón, es de suma importancia la medición de la humedad relativa dentro de una incubadora neonatal, para lograr mantener el aporte de humedad necesario para la correcta maduración del neonato.

OBJETIVOS:
* Ejercitar el diseño de sistemas de medición basados en transductores, partiendo de un problema específico.
* Conocer la importancia de la humedad dentro de una incubadora neonatal.
* Familiarizarse con los sensores que existen en el mercado.
* Seleccionar el mejor sensor en base a un criterio.
PLANTEO DEL PROBLEMA
MARCO TEÓRICO
Pérdidas por Radiación
: Es la transferencia de calor entre dos objetos sólidos que no están en contacto. En el caso de un recién nacido en una incubadora, cuando éste se encuentre cerca de un pared, ventana o corriente de aire acondicionado, perderá calor por radiación, independientemente de cuán calentada esté la incubadora.
Pérdidas por Convección:
implica la pérdida de calor a través del movimiento del aire que pasa por la superficie de la piel. Las principales fuentes de pérdida de calor son las corrientes de aire provenientes de ventanas, puertas, corredores, aires acondicionados y ventiladores. Ocurre cuando se abren las puertas de la incubadora.
Pérdidas por conducción
Es la transferencia de calor entre dos cuerpos que están en contacto directo, es decir, la transferencia de calor entre la superficie corporal del RN y la superficie sólida del objeto en contacto; las principales fuentes de pérdida de calor son: colchón frío, básculas, etc.

Pérdidas por evaporación
produce la pérdida de calor a través de la energía gastada en la conversión de agua en estado líquido a gaseoso. Las pérdidas por evaporación pueden ser insensibles (por la piel y la respiración) y sensibles por sudoración. En el RN, las pérdidas por insensibles por evaporación están incrementadas respecto a las pérdidas por evaporación sensibles y son de mayor repercusión en el RN pre término.
INCUBADORAS NEONATALES
Las incubadoras neonatales basan su estrategia de funcionamiento básico en dos aspectos centrales:

* Bloquear los caminos de pérdida de calor y humedad
* Asegurar las fuentes de suministro de calor y humedad

En este sentido, las incubadoras neonatales se pueden definir como sistemas de termorregulación que operan sobre el control y/o programación de tres variables centrales:
* Patrones de velocidad del aire
* Humedad
* Calor intercambiado

Se busca conseguir lo que se conoce como Ambiente Térmico Neutro (ATN), que es el que permite al recién nacido mantener su temperatura corporal con un mínimo consumo de oxígeno y menor gasto metabólico.

Las incubadoras proveen calor mediante convección (aire caliente), disminuyendo el gradiente de temperatura entre el ambiente y el RN
La recomendación en el manejo del RN, además de alcanzar el ambiente térmico neutro, es el control de la humedad relativa.


La humidificación, es el proceso de agregar humedad de manera artificial sobre la que se encuentra en el ambiente.


El método más común de humidificación es el sistema integrado pasivo, que consiste en un reservorio de agua ubicado en la bandeja del colchón sobre el cual pasa el flujo de aire. La humedad se evapora hacia el flujo del aire que circula en la incubadora.


El nivel óptimo de humedad a usar debe ser determinado y evaluado por la edad gestacional, madurez de la piel, capacidad para mantener la temperatura corporal y su condición general.

DISEÑO
Parámetros de diseño propuestos. Definiciones.
Rango de medición:
Proponemos 20 a 100% de HR de rango útil.

Resolución:
Es la mínima variación de la magnitud medida que da lugar a una variación perceptible de la indicación correspondiente. En nuestro caso, esta mínima diferencia entre dos medidas será de 5% de HR.

Exactitud:
Se determina mediante la diferencia entre el valor medido y un valor verdadero de un mensurando (Psicrómetro en este caso). Este valor estará determinado por el sensor elegido.

Repetibilidad:
Precisión bajo condiciones de repetibilidad ( incluye el mismo procedimiento de medida, el mismo operador, el mismo sistema de medida, las mismas condiciones de operación y el mismo lugar, así como mediciones repetidas del mismo objeto) Valor determinado según el sensor elegido.

Tiempo de respuesta:
tiempo para lograr la estabilidad. Consideramos como límite un valor no mayor a 10 segundos.

Tamaño.
Relativo a las dimensiones del dispositivo. En este caso serán variables, según la elección de los componentes que lo integran y posibilidad de compactación de los mismos.
SENSORES
Los sensores que analizamos fueron:

* HIH-5030/5031 - Honeywell




* Humichip II D100101





*Humichip HCSD A321




*HH10D I2C. HOPE MICROELECTRONICS
TABLA COMPARATIVA DE LOS SENSORES

Diagrama de bloques
Haciendo unos primeros cálculos en ambos extremos, mínimos y máximos (hipotéticos) de humedad, obtenemos:

Vsal [0%HR] = 0.5 [V]

Vsal [100%HR] = 2.6 [V]

Dado que nuestro rango de trabajo útil lo definimos a partir del 20 %HR aproximadamente, al 100% HR, calculamos el voltaje de salida para este nuevo extremo mínimo:
* La actividad de la musculatura esquelética tiene una gran importancia en el aumento de la producción de calor.

* La forma más importante de producción de calor metabólico en respuesta al frío, en los adultos son los escalofríos.

* Otro mecanismo es el debido al aumento del metabolismo celular por efecto de la noradrenalina y la estimulación simpática.

* Durante el período fetal, el feto vive en un ambiente de estabilidad térmica. El sistema de termorregulación no es requerido en la etapa intrauterina. En el momento del nacimiento es cuando el ser humano tiene que poner en marcha el sistema termorregulador.

* El recién nacido tiene menor capacidad de termorregulación por:
• Mayor superficie corporal en relación a su peso.
• Incapacidad de temblar y limitaciones en aumentar la actividad espontánea.
• Depósitos limitados de grasa (parda) de rápido metabolismo.
• Frecuentes limitaciones para aumentar el consumo de oxigeno (situaciones de hipoxemia).
• Aportes calóricos insuficientes.

* En el recién nacido la actividad muscular voluntaria es limitada y la actividad muscular involuntaria es inadecuada, debido a que son incapaces de desarrollar escalofríos o adoptar una postura protectora ante el frío; por ello, depende de la grasa parda para la termogénesis.







Vsal [20%HR] = 0.92 [V]
Tomamos este extremo como nuestro nuevo origen de medición, y posteriormente adicionamos una etapa de corrección de offset.
* Fijamos una salida máxima de 5 [V] mediante el agregado de una etapa de ajuste de ganancia, para acondicionar esta señal de salida (analógica) como nueva señal de entrada del conversor Analógico-Digital (CAD) (con valores típicos de entrada entre 0 - 5 [V]).


* Finalmente en la etapa de procesamiento y display, deberemos, primeramente realizar una transducción de voltajes a unidades de HR para posteriormente informar estos valores de forma visual, a través de un display; así como también mediante el sonido de una alarma en casos limites.


Una vez realizada lo anterior, se deberá determinar tanto el display, como así también el tipo de alarma sonora que mejor se adapte a la exhibición de los resultados de forma clara para el operario.
recordando el diagrama de bloques....
Disposición del circuito en el software de simulación Multisim
Al no contar con el sensor elegido, imitamos su comportamiento mediante una rampa con offset como lo especifica su hoja de datos, de 0.5 [V].
Luego acotamos al 20%HR, restando ese máximo de 2.6 [V] obtenido de cálculos en un principio al valor en los 20%HR, es decir, 0.92 [V], lo que resulta en un nuevo máximo de 1.68 [V] para el 100% HR.

Corregimos el offset mediante un divisor de voltaje, partiendo de 5[V].
Finalmente realizamos la etapa de ganancia necesaria, de forma de elevar los 1.68 [V] hacia los 5[V], necesario para el CAD. Se realizó con un operacional en configuración no inversora
Cabe destacar que este circuito servirá como entrada a los bloques CAD y Procesamiento de Señal – Display, no implementados en este trabajo.


Para calibrar nuestro equipo procederemos de la siguiente manera
:

1. En primer lugar se genera la humedad en el recinto, y controlamos su valor con el psicrómetro. De esta forma procedemos a fijar los 0V una vez alcanzados los 20% de HR, y el fondo de escala a 5V de 100% de HR. Esto lo logramos, corrigiendo el offset y ajustando la ganancia en el circuito.

2. Comenzamos a tomar mediciones de la humedad relativa en aumentos del 5% para verificar el funcionamiento lineal del sensor

3. Repetimos el paso 2 varias veces

4. Realizamos curvas ascendentes y descendentes para verificar histéresis.

5. Para comprobar el máximo error de calibración, realizamos mediciones con aumentos del 5% y al mismo tiempo registramos el valor de psicrómetro colocado en la incubadora. Si el error es significativo (mayor al 5% de HR) procedemos al recalculo de la etapa de acondicionamiento de señal.

* Mediante la propuesta de este proyecto de diseño, hemos logrado conocer la importancia de la humedad dentro de las incubadoras neonatales.

* Conocer los sistemas de humidificación actuales nos sirvió para informarnos del tema y comprender los mecanismos existentes y formar un criterio para poder realizar nuestro diseño.

* consideramos que la etapa de diseño fue la más enriquecedora dado que aquí utilizamos los conceptos y experiencias adquiridas hasta ahora en el cursado de la asignatura.
SENSOR
CORRECCIÓN
DE OFFSET
AJUSTE DE
GANANCIA
CAD
PROCESAMIENTO DE SEÑAL/DISPLAY
SENSOR
CORRECCIÓN
DE OFFSET
AJUSTE DE
GANANCIA
CAD
PROCESAMIENTO
DE SEÑAL/DISPLAY
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