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RESUMEN
El Espirómetro es uno de los dispositivos de mayor uso en lo que se refiere a la medición de volúmenes y capacidades pulmonares. El espirómetro es un instrumento portátil, fácil de usar y en nuestro proyecto tiene la ventaja de tener interfaz con la computadora para poder visualizar los resultados tanto de monitorización como de diagnóstico, al mismo tiempo de ser un examen rápido, preciso y exacto.
Este proyecto está constituido por un sensor de presión diferencial MPX10D, un neumotacografo de Lily el cual presenta una malla metálica resistiva a la mitad de dicho cilindro, también cuenta con diseños de amplificadores operacionales con configuraciones de restador e inversora para las etapas de obtención de datos de los sensores y amplificación respectivamente, se diseñara un control de temperatura mediante una resistencia calefactora para evitar la condensación del neumotacografo manteniéndolo a temperatura corporal(37 - 38 C), también se hace uso de la traficación de determinadas curvas las cuales son visualizadas en la computadora para poder obtener los resultados con las siguientes características:
Mediciones graficas de curva volumen – tiempoMediciones graficas de flujo- volumenCapacidad vital forzada
Para el funcionamiento del Espirómetro se diseñó una fuente simétrica de 12 [V] con un consumo de 1 [A].
El Espirómetro es un instrumento ideal para valorar la mecánica respiratoria debido a que permite el análisis de las gráficas obtenidas y una valoración con respecto a enfermedades respiratorias. Es un dispositivo de bajo costo y de gran utilidad para el diagnóstico respiratorio, cualquier paciente del que se sospeche alguna patología respiratoria de tipo obstructivo puede ser sometido al examen del Espirómetro siguiendo siempre las indicaciones adecuadas y una higiene del instrumento adecuado.
María Luisa Arnez Martínez
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Ingeniería Biomédica
1. Antecedentes
Para la determinación de una enfermedad respiratoria resulta de interés conocer la presión intrapulmonar y la diferencia de presión que existe entre este y el medio ambiente, es decir, su capacidad y esfuerzo. Un procedimiento para medir la diferencia de presión en el organismo es medir el flujo entrante al sistema respiratorio. Otra técnica es la medición directa de volúmenes.
De acuerdo a la señal sensada, los espirómetros se clasifican en espirómetros de flujo y espirómetros de volumen. Los espirómetros de flujo miden directamente el flujo ventilatorio y mediante integración el volumen. En cambio los espirómetros de volumen obtienen el volumen ventilatorio directamente y por diferenciación el flujo. Para lograr un procesamiento eléctrico con mayores beneficios se utiliza el espirómetro de flujo, que es el que se implementó en el presente proyecto.
El espirómetro de flujo es una herramienta que ayuda a determinar en qué medida están abiertas sus vías respiratorias, en vez de adivinar solo como se siente, además de que proporciona un diagnóstico de la presencia de patologías obstructivas.
El espirómetro es un dispositivo portátil que mide el flujo de aire, o tasa de flujo espiratorio máximo (TFEM). Se puede usar para:
Determinar la gravedad de problemas respiratorios en patologías obstructivas.Controla la respuesta al tratamiento de alguna patología respiratoria Monitorizar el avance en el tratamiento y brindar información para los cambios
en su terapiaMonitorizar las capacidades y volúmenes respiratorios en pacientes que no
presenten contraindicaciones aconsejadas por un doctor experto en el área.Visualizar las diferentes graficas útiles para un seguimiento del paciente y con
las cuales se puede realizar tratamientos y prescripciones médicas.
FEM es el flujo espiratorio máximo, un parámetro dentro del conjunto de los valores que son posibles obtener de la función pulmonar.
Habitualmente se define como FEM, aunque en algunas ocasiones puede encontrarse como FEF (Flujo Espiratorio Forzado) o PEFR (pico espiratorio forzado). También se le denomina en algunos trabajos como pico flujo, peak flow o ápice de flujo.
El FEM se obtiene de una maniobra espiratoria forzada partiendo de una inspiración máxima (igual que en una espirometría), con la diferencia que la maniobra no tiene por qué ser prolongada, pues para el FEM no se precisa la rama descendente de la curva espirométrica.
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2. Planteamiento del Problema
Una patología respiratoria requiere de constantes controles y monitoreo para poder determinar el estado de un paciente y para satisfacer estas necesidades se requiere de un dispositivo practico, fácil de usar, de bajo costo y con un grado de exactitud elevado como es el Espirómetro.
¿Es el Espirómetro un dispositivo adecuado y necesario para el diagnóstico de patologías respiratorias obstructivo de un paciente?
3. JUSTIFICACIÓN a. Temática
El Espirómetro es un dispositivo medico indispensable a la hora de un diagnostico respiratorio el cual nos ayudara a ver el estado de nuestras vías respiratorias.
Una de las patologías respiratorias más frecuentes es el asma, patología de origen obstructivo, y las personas que lo padecen a menudo utilizan el medidor de flujo espiratorio máximo para medir la cantidad de aire que pueden expeler de los pulmones pero no es tan preciso como lo es el examen de espirometria que goza de un control electrónico más profundo y de mayor exactitud debido a que usando el Espirómetro no se realizaba un cuidado de condensación. Si las vías aéreas se estrechan o bloquean debido al asma, el valor del flujo espiratorio máximo desciende, porque la persona no puede expeler aire fuera de los pulmones de forma correcta. El espirómetro puede ser una ayuda útil para monitorear el asma a través del tiempo y también puede usarse para determinar qué tan efectivos son los medicamentos para el paciente.
b. Social
Al momento de realizarse un examen médico el paciente busca su comodidad y practicidad dos ventajas que el Espirómetro ofrece, debido a que es portátil y de fácil uso es muchas veces de mayor preferencia que un espirómetro o un examen clínico.
c. Económica
El espirómetro es económico y ofrece un resultado óptimo .Estos dispositivos se encuentran al alcance de las personas y su función es muy útil la cual nos puede servir para prevenir enfermedades crónicas y así ahorrar de gastos hospitalarios.
4. OBJETIVOS a. General
Diseño y construcción de un espirómetro de flujo digital de diagnóstico de patologías obstructivas basadas en un neumotacografo de Lily.
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b. Específicos Realizar una investigación sobre patologías respiratorias obstructivas.Realizar una investigación sobre volúmenes y capacidades respiratorias útiles para el diseño de proyecto.Realizar un análisis de los componentes a utilizar en el proyecto.Diseño del circuito de adquisición de señal de un espirómetro.Diseño de una fuente de alimentación adecuada al proyecto.Realizar las calibraciones respectivas de los sensores de presión.Diseño del interfaz del circuito hacia la computadoraProgramación del ejecutable en Visual Basic.Implementar en diseño de flujo espiratorio máximo.
5. ALCANCE a. Técnico
El proyecto de espirometria será capaz de captar señales respiratorias mediante la inspiración y espiración forzada del paciente la cual podrá ser visualizada mediante la interfaz con la computadora. Esta etapa abarcara la graficacion de dos curvas muy importantes dentro del área respiratoria que son:
Curva flujo – volumenCurva volumen tiempo
Dependiendo de los resultados de dichas graficas se podrá establecer una relación general con patologías de tipo obstructivas y se desplazara un diagnóstico de la existencia o no de dicho tipo de enfermedad.
b. SocialEl presente proyecto tendrá el objetivo de beneficiar a toda persona que necesite de estos servicios que se encuentren entre los rangos de 20 a 25 años para obtener resultados más óptimos y adecuados. Existen contraindicaciones para algunas patologías respiratorias, por esta razón antes de someterse a un examen de espirometria es necesario ser supervisado por un experto en esta área médica.
c. Espacial y TemporalLa realización de este proyecto se realizara durante las horas establecidas por la materia de Taller III en el Campus Tiquipaya de la Universidad del Valle .Se estima que la duración abarcara lo que respecta a un semestre (4 meses).
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6. METODOLOGIA DE DESARROLLO
El proyecto de implementación de un espirómetro de flujo se realizara mediante un análisis de investigación y observación , para llegar al objetivo final del proyecto se debe utilizar como principio fundamental la ley de Poiselle referida en nuestro caso al neumotacografo de Lily el cual presenta una resistencia metálica en su interior .
Su funcionamiento se basa en la adquisición de presiones diferenciales generados mediante la espiración o inspiración de un paciente mediante los sensores de presión MPX10D, después de esta primera etapa de entrada los datos se deberán calibrar para eliminar el voltaje de offset(este voltaje es muy perjudicial al momento de graficar ya que distorsiona los valores reales y por tanto los resultados del examen), lo cual lograremos con un diseño amplificadores en configuración de restadores y finalmente se ingresara la señal a una última etapa de amplificación de donde se obtendrá una señal más precisa de la presión (expresada en KPa).
Las gráficas son una herramienta muy importante en el proyecto ya que de acuerdo a ellos se puede realizar un análisis de los resultados esto se realizara de la siguiente manera: los datos se ingresaran en una interfaz RS232 a la PC y con un programa que seguirá un flujo adecuado diseñado en Visual Basic se obtendrá las gráficas deseadas que son: presión – tiempo, volumen- tiempo, volumen - flujo.
Los resultados obtenidos deberán ser sometidos a un análisis meticuloso para satisfacer las distintas necesidades. Estas pueden ser el monitoreo para evitar ataques como por ejemplo de asma, avances sobre algunos tratamientos, etc.
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I. MARCO TEORICO
1. SISTEMA RESPIRATORIO
El sistema respiratorio tiene la función de suministrar oxígeno y eliminar dióxido de carbono en los diferentes tejidos. Este sistema se engloba dentro de uno mayor que se encarga de la alimentación de los tejidos. Sus órganos principales son los pulmones [Guyton, 2010].
La respiración es el proceso vital mediante el cual el cuerpo toma el aire del ambiente y lo introduce al organismo para producir este intercambio de oxígeno y dióxido de carbono a nivel celular.
El aparato respiratorio se divide clásicamente en:Tracto inferior: (Fig.1.) cumple una misión de conducción y de intercambio
gaseoso. Sus principales conductos y estructuras son: la tráquea, los bronquios, los bronquiolos y los alvéolos.
Tracto superior: (Fig.2.) además de cumplir la función de conducción, realiza otras funciones no menos importantes como purificación, humidificación y calentamiento del aire inspirado. Sus principales conductos y estructuras son: la nariz, la cavidad nasal, la boca, la faringe y la laringe.( Aston R,2000)
Figura 1. Tracto respiratorio inferior
Fuente: (www.Adam.com).
Figura 2. Tracto respiratorio superior
Fuente: (www.Adam.com )
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LosAlvéolos
1.1. MECÁNICA RESPIRATORIA
La acción de inspirar y expirar aire se lleva a cabo mediante la contracción y relajación de los músculos respiratorios.Los pulmones están conectados al exterior a través de las vías respiratorias y los cambios de volumen torácico son los que van a crear las presiones positivas o negativas que transportarán el aire hacia el interior o al exterior del cuerpo.Cuando la caja torácica aumenta su volumen, se genera una presión negativa que produce una entrada del aire exterior hasta que se produce un equilibrio de presiones. Este aumento de volumen es producido por la contracción de los músculos respiratorios: el diafragma y los músculos intercostales.Cuando a continuación disminuye el volumen de la caja torácica relajado estos músculos, se crea una presión positiva que produce una salida pasiva del aire al exterior.
Figura 3. Movimiento de la caja torácica y el diafragma durante la inspiración y espiración
Fuente: (www.ama-assn.org/)
El intercambio de gases entre el aire y la sangre tiene lugar a través de las finas paredes de los alvéolos y de los capilares sanguíneos.La sangre circula alrededor de los alvéolos a través de capilares. En el lugar donde se encuentran los alvéolos y los capilares, el oxígeno pasa hacia el torrente sanguíneo y, al mismo tiempo, el dióxido de carbono pasa desde el torrente sanguíneo hacia los alvéolos para ser exhalado. La figura 4 ilustra este proceso. (www.ama-assn.org/)
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LosAlvéolos
Figura 4. Intercambio de O2 y CO2 a través de los alveolos
Fuente: (www.ama-assn.org/)
1.2. FRECUENCIA RESPIRATORIA
Frecuencia respiratoria es el número de respiraciones (ciclos de contracción y expansión de los pulmones) que un sujeto realiza por unidad de tiempo. Normalmente se expresa en respiraciones por minuto. La frecuencia respiratoria en reposo de cada individuo depende de factores como la edad, la genética, la condición física, el estado psicológico, etc. También puede verse comprometida por diversas afecciones médicas.
Tabla 1. Intervalo en el que podría considerarse una frecuencia respiratoria normal en función de la edad.
Respiraciones por
Minuto
Recién nacidos _ 44
Niño 20–40
Pre Adolescente 20–30
Adolescente 16–25
Adulto 12–20
Adultos en ejercicios
Moderados
35–45
Atletas Picos de hasta 60–70
Fuente: (www.aarc.org/,2004)
2. VOLÚMENES Y CAPACIDADES PULMONARES
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La medición de volúmenes y capacidades pulmonares es una herramienta útil para detectar y cuantificar la severidad de diversas afecciones así como para evaluar la respuesta a ciertas terapias. Éstos dependen de las características físicas de cada sujeto y de las condiciones de su sistema respiratorio. (Salaz, 2010)
A continuación de definen los principales volúmenes y capacidades pulmonares:
Figura 5. Volúmenes y capacidades pulmonares
Fuente: (modificada de www.frca.co.uk )
2.1. VOLÚMENES PULMONARES ESTÁTICOS
Volumen normal o corriente: Vc. Corresponde al aire que se utiliza en cada respiración (Aproximadamente 500cc)
Volumen de reserva inspiratoria: VRI. Corresponde al máximo volumen inspirado a partir del volumen corriente. (Aproximadamente 2.500cc)
Volumen de reserva espiratoria: VRE. Corresponde al máximo volumen espiratorio a partir del volumen corriente. (aproximadamente 1.500 cc)
Capacidad vital: CV. Es el volumen total que movilizan los pulmones, es decir, sería la suma de los tres volúmenes anteriores.
Volumen residual: VR. Es el volumen de aire que queda tras una espiración máxima. Para determinarlo, no se puede hacerlo con una espirometría, sino que habría que utilizar la técnica de dilución de gases o la plestimografia corporal. (Aproximadamente 1.500cc)
Capacidad pulmonar total: TLC. Es la suma de la capacidad vital y el volumen residual.La espirometría forzada es aquella en que, tras una inspiración máxima, se le pide al
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paciente que realice una espiración de todo el aire, en el menor tiempo posible. Es más útil que la anterior, ya que nos permite establecer diagnósticos de la patología respiratoria. Los valores de flujos y volúmenes que más nos interesan son:
Volumen máximo espirado en el primer segundo de una espiración forzada (VEF1) (se expresa en mililitros): Es el volumen que se expulsa en el primer segundo de una espiración forzada. Su valor normal es mayor del 80% del valor teórico.
Relación VEF1/CVF: Indica el porcentaje del volumen total espirado que lo hace en el primer segundo. Su valor normal es mayor del 70-75%.
Flujo espiratorio máximo entre el 25 y el 75% (FEF25-75%): Expresa la relación entre el volumen espirado entre el 25 y el 75% de la CVF y el tiempo que se tarda en hacerlo. Su alteración suele expresar patología de las vías aéreas.( Ferrero,1998)
2.1.1. CAPACIDAD VITAL FORZADA
La capacidad vital forzada consiste en una espiración forzada en el espirómetro. El paciente, ya sea sentado o de pie, inspira y espira completamente todo el aire de los pulmones tan rápido como puede. Los resultados de la prueba se comparan con los valores previstos que se calcula a partir de su edad, tamaño, peso, sexo y grupo étnico. Dos curvas se muestran después de la prueba: el asa flujo-volumen y la curva volumen-tiempo. .( Ferrero,1998)
3. INTERPRETACIONES GRAFICAS RESPIRATORIAS
3.1. CURVA VOLUMEN-TIEMPO:
Grafica 6. Curva Volumen- Tiempo
(www.medicinapreventiva.com.ve)
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El volumen espirado en el primer segundo de la prueba de la CVF se llama VEF1
(Volumen espiratorio forzado en el primer segundo) y es un parámetro muy importante en la espirometría. El VEF1% es el VEF1, dividido por la CV (Capacidad Vital) por 100: VEF1% = VEF1/CV X100. Hoy en día VEF1/CVF X100 también se acepta como VEF1%.Los pacientes sanos espiran aproximadamente el 80% de todo el aire de sus pulmones en el primer segundo durante la maniobra de CVF. Un paciente con una obstrucción de las vías respiratorias superiores tiene un VEF1% disminuida. Un VEF1% que es demasiado alto es un indicio de una restricción del volumen pulmonar.Después de 6 segundos, un segundo parámetro se obtiene: VEF6. Esto es cada vez más utilizado como una alternativa para la CVF. VEF1/VEF6 que puede ser utilizado en lugar de VEF1/CVF.
3.2. Valores normales
Los valores normales se basan en la edad, la talla, la raza y el sexo. Los resultados se expresan como un porcentaje. Por lo general, un valor se considera anormal si es menos del 80% del valor esperado.
Los rangos de los valores normales pueden variar ligeramente entre diferentes laboratorios. Hable con el médico acerca del significado de los resultados específicos de su examen.Los resultados anormales generalmente significan que usted puede tener alguna enfermedad pulmonar o torácica.
Muy importante: Su cooperación mientras se lleva a cabo el examen es crucial para obtener resultados precisos. Un mal sellado alrededor de la boquilla del espirómetro puede ocasionar malos resultados que no se puedan interpretar. No fume antes del examen.
4. MEDIDOR DE FLUJO RESPIRATORIO ESPIROMETRO
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La necesidad de contar con un instrumento de medición del sistema respiratorio se creó el espirómetro, instrumento simple y económico que puede ser empleado en los consultorios, en los servicios de urgencia e incluso por los pacientes en sus domicilios ofreciendo comodidad.
El Espirómetro permite medir el flujo espiratorio máximo, más conocido como PEF (peak expiratory flow). Este índice funcional es similar al VEF1 (Volumen Espiratorio Forzado en el primer segundo), con el cual se correlaciona muy bien.
Aun cuando el PEF necesita bastante colaboración del sujeto, su reproducibilidad, una vez aprendida la maniobra, es habitualmente muy buena. Por su mediana sensibilidad, no permite detectar obstrucciones leves.
El PEF se emplea preferentemente en el control seriado de pacientes con asma, que hace posible evaluar objetivamente las variaciones de la obstrucción de las vías aéreas producidas por la enfermedad o por su tratamiento.
Para una evaluación correcta de los resultados es necesario que se tenga un conocimiento de lo que es la espirometria. (Cromwell L, 2003)
4.1. NEUMOTACOGRAFOS
El gas atraviesa una malla cuya resistencia genera una diferencia de presión que es medida y vinculada con el valor del flujo. Éste se calcula usando la Ley de Poiseuille.Un neumotacografo es un sensor de flujo gaseoso que lo transforma en presión diferencial, entre los neumotacógrafos los más difundidos son el tipo Fleisch y el tipo Lilli. El neumotacografo Fleisch consiste en un conjunto de tubos capilares que suministran una resistencia fija y pequeña al flujo de aire. Pequeñas aperturas en cada extremo de los tubos capilares se utilizan para medir la diferencia de presión creada cuando el flujo de aire pasa a través del dispositivo.Mientras que en los neumotacógrafos de Lilli se sustituyen los tubos capilares por membranas.La diferencia de presión, es muy pequeña y es medida con un sensor de presión diferencial que a la salida genera una señal eléctrica a partir de la cual se obtienen los valores de flujo.
Figura 11 Neumotacografo de Fleisch
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Fuente: (Weiber)
Figura 12. Neumotacografo de Lilly
Fuente: (Webber)4.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.
El principio de funcionamiento se basa en la Ley de Poiseuille que consiste en:
4.2.1. LEY DE POISEUILLE:
Sean dos capas de gas de área S que distan dx y entre las cuales existe una diferencia de velocidad dv.
Figura 13. Sección del gas.
Fuente: ( www.bioingenieros.com)
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La fuerza por unidad de área que hay que aplicar es proporcional al gradiente de velocidad. La constante de proporcionalidad se denomina viscosidad.
Figura 14. Gas circulando en régimen por una tubería.
Fuente: ( www.bioingenieros.com)
Considerando un gas que circula en régimen laminar por una tubería de radio interior R, y de longitud L, bajo la acción de una fuerza debida a la diferencia de presión existente en los extremos del tubo.
Sustituyendo F en la fórmula y teniendo en cuenta que el área A de la capa es ahora el área lateral de un cilindro de longitud L y radio r.
Integrando esta ecuación de ambos lados se obtieneEsta ley describe la relación entre el caudal gaseoso por el tubo y la presión diferencial.
Figura 15. Diagrama de un neumotacografo Fleisch.
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Fuente: (www.bioingenieros.com )
La ventaja de estos sensores es que tienen Buena respuesta en frecuencia y son fáciles de desarmar, la desventaja que poseen es que requieren mantenimiento periódico para evitar que la humedad y las secreciones lo obstruyan. (Tobin M, 2002)
5. SENSOR DE PRESION DIFERENCIAL
El dispositivo de serie MPX10 es un sensor de presión piezo-resistivo de silicio que proporciona una salida de tensión muy precisa y lineal - directamente proporcional a la presión aplicada. Este sensor es de bajo costo, y el ser no compensado permite a los fabricantes diseñar y añadir su propia compensación de temperatura exterior y de las redes de acondicionamiento de señal.
5.1. CARACTERÍSTICASBajo costoEl corte de saturación esta patentada con un diseño de Strain gage de silicioProporcional al voltaje de suministroFácil de Usar Opciones de los paquetes de chips de CarrierDiferencial y Opciones de medidor
5.2. EJEMPLOS DE APLICACIÓNAire de Control de Tráfico
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Los sistemas de control ambientalIndicadores de NivelDetección de FugasInstrumentación MédicaControles IndustrialesRobótica
FIGURA 16. MPX10D
Fuente: (www.datasheetcatalog.com)
FIGURA 17. Muestra un esquema de los circuitos internos en el chip de presión independiente del sensor.
Fuente:(www.datasheetcatalog.com)
5.3. COMPENSACIÓN DE TEMPERATURA
El sensor de presión piezo-resistivo es un dispositivo semiconductor que emite una señal eléctrica de salida proporcional a la presión aplicada al dispositivo. Este dispositivo utiliza un único semiconductor transversal de tensión.
Debido a que este medidor de deformación es una parte integral del silicio diafragma, no hay efectos de la temperatura debido a las diferenciasen la expansión térmica del medidor de deformación y eldiafragma, como se encuentran a menudo en medidor de deformación unidossensores de presión.
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La compensación de temperatura y compensación de calibración puede serlograda algo simplemente con componentes adicionales de resistencia,o por el diseño de su sistema usando la serie MPX2010Ddel sensor. Varios enfoques para la compensación de temperatura externamás de dos de -40 a +125 ° C y 0 a +80 ° C rangos sonpresentados en las solicitudes de Motorola Nota AN840.
6.4 LINEALIDAD
La linealidad se refiere a qué tan bien la salida de un transductor de la siguientela ecuación: Vout = + Voff sensibilidad x P sobre la gestiónrango de presión (Figura 19). Hay dos métodos básicos parael cálculo de la no linealidad: (1) punto final en forma de línea recta o una (2)mínimos cuadrados línea de mejor ajuste. Mientras que un mínimo ajuste cuadrados da el "Mejor de los casos" error de linealidad (menor valor numérico), los cálculosrequerida son gravosos.
Por el contrario, un ajuste de punto final dará el "peor de los casos" error(a menudo más conveniente en los cálculos presupuestarios de error) y elcálculos son más sencillo para el usuario.
Figura 18. Salida frente a la presión diferencial.
Fuente: (www.datasheetcatalog.com )
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Figura 19. Comparación de linealidad Especificaciones
Fuente: (www.datasheetcatalog.com )
6. AMPLIFICADORES OPERACIONALESEn el presente proyecto se hizo uso de 2 configuraciones con amplificadores operacionales: el diferencial y un inversor cuyo diseño se muestra a continuación:
6.1. AMPLIFICADOR OPERACIONAL RESTADOR
El amplificador operacional restador básico puede considerarse que está formado por un amplificador operacional inversor y por otro amplificador operacional no inversor.
Grafica 20. Configuración Amplificador operacional Restador
Fuente: (www.informatica.com )
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De I1=I3 deducimos:
De I2=I4 deducimos:
Si igualamos las dos expresiones de VE:
La expresión final de Vo se puede simplificar si se considera que la resistencia combinada en paralelo de R3 y R1 es igual a la resistencia combinada en paralelo de R2 y R4.
6.2. AMPLIFICADOR INVERSOR
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Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada, en polaridad, aunque pude ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia que le demos al amplificador en lazo cerrado. La señal, como vemos en la figura, se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o no inversor se lleva a masa. La resistencia R2, que va desde la salida al terminal de entrada negativo, se llama de realimentación.
Grafica 21. Configuración Amplificador Inversor
Fuente: (www.electronicafacil.net )
En todo A.O. podemos decir que:
Por tanto si:
Con lo cual las corrientes I1 e I2:
Como quedamos que Vx=0 quedará:
Al ser Ix=0, entonces: I1=I2 y por lo tanto:
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Al final tenemos:
7. VENTAJAS Y DESVENTAJAS SOBRE LA ESPIROMETRÍA
La medición del peak flow es una técnica sencilla que tiene ventajas e inconvenientes respecto a la espirometría:
7.1. VentajasLos resultados de la medida del FEM se correlacionan con los valores del FEV1 de la espirometría.Su realización fatiga menos que la espirometría forzada.El medidor es pequeño, portátil y de uso sencillo.El mantenimiento técnico del aparato es mínimo.La interpretación del resultado es simple.
7.2. DesventajasNo puede sustituir por completo a la espirometría.No proporciona información de las vías aéreas de pequeño calibre.No es útil en los pacientes con EPOC.Al ser dependiente del esfuerzo y de una correcta técnica de realización, puede ser menos valorable en niños pequeños y en ancianos y susceptible de simulación.
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INGENIERIA DEL PROYECTO
1. DIAGRAMA DEL PROYECTO
A continuación se presenta el diagrama de bloques del proyecto:
Grafica 22. Diagrama de bloques del Espirómetro
Fuente: Elaboración Propia
2. ENTRADA DE AIRE
La entrada de aire al neumotacografo se realiza mediante las operaciones de inspiración y espiración forzada del paciente, (inhalar y exhalar todo el aire posible) se realiza de esta manera para poder realizar un examen de mayor precisión, dicho aire ingresara en una boquilla desechable de plástico, con 3 cm de diámetro y 2 c.5 cm de largo, la cual pertenecía a una máscara de oxígeno y fue acoplada de acuerdo al uso de nuestro proyecto.
Se vio por conveniente el uso de esta boquilla debido a que nuestro proyecto en general debe ser inmune a cualquier posibilidad de contagio por alguna patología que se pueda presentar en el paciente para esto se debe cambiar la boquilla en cada paciente obteniendo así un mayor porcentaje de seguridad en la higiene y prevención de transferir alguna enfermedad de un paciente a otro.
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Grafica 23.- Boquilla del Espirómetro
Fuente: Elaboración propia
3. NEUMOTACOGRAFO DE LILLY
El principio en el que se basan los neumotacógrafos es la medición de la diferencia de presiones del aire antes y después de atravesar una resistencia conocida, para el Espirómetro se utilizara una malla metálica que se obtuvo de las coladeras de cocina ya que estas son más tupidas. Fue necesario el uso de 2 mallas sobrepuestas para que así se obtenga una mayor resistencia y por tanto una mayor exactitud en el diferencial de presión en los sensores. Una vez obtenido el flujo, el Pic calculara los volúmenes por integración matemática del flujo en función del tiempo.El principal problema de los neumotacógrafos es que pueden verse afectados por la condensación.
Grafica 24: esquema del neumotacografo de Lilly
Fuente: Elaboración Propia
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3.1. CARACTERISTICAS
En el presente proyecto el neumotacografo se realizó de la siguiente manera:
El dispositivo se diseñó mediante un tubo de empalme normal de 2 cm de diámetro y 20 cm de largo.La malla se colocó en la mitad del tubo con intervalos de 2mm.Se realizó orificios a 1.5 cm de distancia de cada lado de la malla para que en estos ingresen los tubos que irán a los sensores.Los tubos de conexión tienen 20 cm de largo y un diámetro de 0.5 cm están fabricados de un material especial que nos ayudara a hermetizar de manera considerable los ruidos provenientes del medio externo así como la humedad y temperatura que pueden afectar nuestro proyecto.
4. SENSORES DE PRESION DIFERENCIAL
El sensor de presión utilizado es el MPX10D, se necesitó 2 sensores uno a cada lado de la malla metálica para poder obtener un diferencial, estos están ubicados antes y después de la malla del neumotacografo.Las características principales de estos sensores son:
La medición máxima es de 10 K pascales lo cual está dentro del rango que se necesita para las mediciones de flujoEl primer sensor tiene un potencial innato de 26.8 mV y el segundo de 30.7 mV lo cual no afectara en el rendimiento del dispositivo por su valor pequeño y puede ser eliminado mediante un amplificador diferencial posteriormente.El voltaje de referencia utilizado es de 5 voltios.No es afectado en gran medida por el medio ambiente
Grafica 25 .sensor de presión MPX10D
Fuente: (www.datasheetcatalog.com )
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5. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
En la parte de amplificación de señal y de la obtención del diferencial de presión se utilizó circuitos integrados LM741, este circuito fue utilizado para el Espirómetro por presentar las siguientes ventajas:
Bajo costo del CIFacilidad de uso en las configuraciones para poder adaptar de manera más practica las variaciones que se requiera.Se tiene conocimientos teóricos sólidos.Es accesible y está disponible en el comercio local.
5.1. CALCULOS
Amplificador Restador Etapa de Sensores
Los cálculos para el primer amplificador diferencial es el siguiente:
Vo=V 2∗R3R2
−V 1∗R3R1
Si R3=10 K y R2= R1 = 1 K
Entonces:Vo=10∗V 2−10∗V 1
La ganancia de cada entrada es de 10 [V]
Grafica 26. Configuración del amplificador restador
Fuente: (Elaboración Propia)
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Amplificador Restador Etapa de Eliminación de voltajes innatos de cada uno de los Sensores
Voltaje innato del primer sensor (V1) = 268 mVVoltaje innato del segundo sensor (V2) = 307 mV
Vo=V2∗R 4 (R3+R1)R1(R2+R4 )
−V 1∗R3R1
Si R3 = R1 = R2 = 1 KΩ Entonces:
Vo= R4∗2K1K (1K+R 4 )
∗V 2−V 1
Resolviendo la ecuación tenemos R4 = 775 ΩPara obtener una mayor precisión en la resistencia se utilizó un potenciómetro de precisión de 1 K Ω
Grafica 27. Configuración amplificador restador.
Fuente: Elaboración propia
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6. AMPLIFICACION DE LA SEÑAL
La amplificación de la señal se realizó mediante una configuración inversora con un
integrado LM741, las características del amplificador son las mismas que la del
diferencial.
6.1. AMPLIFICADOR NO INVERSOR CALCULOS
Los cálculos para la realización de la amplificación es la siguiente:Amplificación de ganancia = 10Si Av. = 10 entonces
10=( R2R1
+1)
R2 = 9 * R1Si R2 = 9 K Ω R1 = 1KΩ
Grafica 28. Amplificador operacional Inversor
Fuente: (Elaboración Propia)
Los amplificadores operacionales necesitaron de un potenciómetro de precisión para que exista mayor grado de rendimiento esta ventaja ayudara para que el circuito no oscile y se mantenga lo más estable posible.
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6.2. AMPLIFICADOR CON GANANCIA MENOR A UNO
Esta parte del dispositivo tiene como función eliminar el offset presente en todos los sensores de presión, de esta manera se lograra un valor inicial lo más cercano a 0 para que se pueda detectar de manera más eficaz el cambio de voltaje que existe cuando el paciente realiza las operaciones de espiración e inspiración.
6.3. AMPLIFICADOR CAMBIO DE SIGNO
El funcionamiento de la etapa de cambio de signo consiste en cambiar el nivel de voltaje cuando se inspira el aire ya que al ingresar los datos al Pic estos deben ser en todo momento positivos de lo contrario podría sufrir cortocircuitos que dañen al circuito. El amplificador funciona de la siguiente manera: El interruptor se conectara como terminal central a la entrada positiva y un extremo a la entrada negativa y la otra a tierra.
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7. FUENTE DE ALIMENTACION
La fuente de alimentación presentara las siguientes características apropiadas para el Espirómetro de manera que su rendimiento sea eficaz:
Fuente simétrica de ±15 [V] con una corriente de 200 [mA] que se utilizara para los amplificadores operacionales los cuales necesitan ser alimentados con un voltaje positivo y negativo.Porcentaje de error de ±3% esto se debe al transformador y los capacitores, estos últimos son los que cargan voltaje y aumenta el voltaje límite.Se utilizó un circuito integrado 78S05 para la alimentación de los sensores. Estos sensores tienen una alimentación máxima de 5 [V] por esta razón tiene que ser exacto de lo contrario el sensor puede desempeñar de la manera errónea y por lo tanto alterar todo nuestro sistema.Para evitar ruidos de línea de alimentación se colocó capacitores uno de valor grande 3600uF y uno de amplitud pequeña 10nF.
Grafica 32: Fuente de Alimentación
Fuente: Elaboración propia
29
8. ESQUEMA FINAL DEL ESPIROMETROEl dispositivo como anteriormente se mencionó consta de distintas etapas cada una con una función específica que hará de nuestro proyecto optimo y adecuado para su uso en exámenes respiratorios. En la gráfica se puede visualizar los sensores MPX10D que están representados por conectores de 4 pines los cuales necesitan de una alimentación de 5 [V] seguido de esto se encuentran los amplificadores restadores que calibraran el voltaje de offset, la etapa de restador de ambos sensores de presión y por ultimo un amplificador con una ganancia de 100 para que la señal pueda ser manejada de manera más efectiva en el ADC del PIC. Los amplificadores operacionales hacen uso de una polarización positiva y una negativa, para dicho tema se realizó la fuente de alimentación simétrica de ±12 [V] y de la que se requiere 10 [V].El esquema final es el siguiente:
Grafica 33: Proyecto final Proteus
30
Fuente: Elaboración propiaGrafica 34: Proyecto final Proteus PCB
Fuente: Elaboración propia
Grafica 35: Proyecto final Proteus PCB
Fuente: Elaboración propia
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9. ESQUEMA FINAL DE LA INTERFAZ CON LA PC
La etapa de la interfaz se realizara mediante el PIC 16F877A con el cual conectaremos a un puerto de la PC como se muestra en la figura 34 (el sensor de temperatura simula a nuestro sensor de presión el cual no se encuentra disponible en Proteus), el LCD nos ayudara en la calibración de los datos para el ADC pero NO se incluirá en el proyecto final. La función del PIC es la de transmisión de los datos obtenidos del Espirometro y mediante un programa en C convertir estos valores analógicos en digitales para poder entablar la comunicación serial. En nuestro proyecto se utilizó un voltaje de referencia para poder tener una resolución más apropiada y tener más puntos en la gráfica y que se pueda realizar una curva más suavizada y cercana a la real. El voltaje de referencia utilizado en el ADC oscila entre 1 y 5 [V].
Una vez realizada la conexión de datos se transmitirá a un programa de Visual BASIC para obtener las gráficas como se mostrara más adelante.
Grafica 36: esquema de interfaz
Fuente: Elaboración propia
10. INTERFAZ DEL DISPOSITIVO CON LA PC
Esta parte del proyecto tiene las siguientes características:
La interfaz se la realizara mediante el PIC 16F877a debido a que posee un conversor Analógico Digital interno que es de suma importancia.El programa se ejecutara en Visual Basic 6.0.
32
10.1. PROGRAMA VISUAL BASIC 6.0. El proyecto presente estará gestionado a las siguientes operaciones:
a. Base de Datos(SERVIDOR)
Grafica 37: interfaz de base de datos.
Fuente: (Elaboración Propia)
Tendrá Subrutinas que realizaran funciones secundarias como ser editar, eliminar pacientes, historial de paciente, agregar datos.
Eliminar pacientes: se realizara mediante la conexión con la base de datos la que al momento de presionar sobre la fila de algún nombre tomara los datos y se llevara a una función de eliminar
Búsqueda de Paciente: este comando tendrá la capacidad de que cuando se ingrese un dato buscara todos los datos que contengan esos caracteres específicos
Nuevo Paciente: podrá ingresarse los datos de un nuevo usuario el cual será almacenado también en la base de datos
Editar: llamara al 2 formulario Historial paciente: lleva a un 3 formulario
b. Editar
Grafica 38: Función Editar
33
Fuente: (Elaboración Propia)
Se editara los datos del paciente almacenándolos en la base de datos
c. Historial Paciente
Este formulario tiene la función de graficar y a la vez de servidor: Con este cuadro se podrá ver los datos que se quieren almacenar, a la hora de presionar el botón graficar se guardara la hora a la cual fue ejecutado el examen con esto se podrá hacer un seguimiento riguroso del paciente.
Grafica 39: Función Servidor y Graficado Formulario 3
34
Fuente: (Elaboración Propia)
La función del programa radicara en convertir el voltaje tomado de los sensores y mediante la ecuación de Poiselle convertirla en flujo de aire y de acuerdo a como se quiera utilizar este puede ser graficado en función del tiempo o del volumen.
10.2. DIAGRAMA DE FLUJO
El diagrama de flujo tiene la función de orientarnos en el funcionamiento de nuestro programa de la interfaz del proyecto. Se realizara de la siguiente manera:
En primera instancia se realizara la entrada de los datos obtenidos del circuito (los datos se encontraran dentro del rango de los milivoltios entre 0 a 30 mV), luego la conversión en el ADC del PIC 16F877 para luego mandar los datos hacia la PC.En esta parte se realizara las conversiones de presión a flujo mediante la ecuación de Poiselle y con la derivación de este a volumen. Para después visualizar estos datos en una gráfica.
Grafica 40: Diagrama de flujo del Espirómetro
35
Fuente: Elaboración Propia
36
ENTRADA DE DATOS
SENAL PIC
CONVERTIR ANALOGICO DIGITAL PIC
ENTRADA DATOS PC
CONVERSION DE DATOS PARA
GRAFICA FLUJO
VISUALIZACION GRAFICA
CONVERSION DATOS GRAFICA
VOLUMEN
VISUALIZACION GRAFICA
DATOS GRAFICA PRESION
VISUALIZACION GRAFICA
BASE DE DATOS PACIENTES
FIN
CAPITULO IV. CONCLUSIONES Después de haber concluido con el diseño y la implementación del Espirómetro llegamos a las siguientes conclusiones:
El presente trabajo es una aplicación electrónica en el área de la medicina
más específicamente del área respiratoria. Es un instrumento de gran utilidad,
en la mayoría de las patologías preciso y de bajo costo que se encuentra al
alcance de todos los pacientes que requieran de sus servicios utilizando las
herramientas óptimas para su desarrollo
Los objetivos planteados en el proyecto se consiguieron satisfactoriamente al
desarrollar un proyecto que promovió la practicidad deseada por parte de los
pacientes y de su fácil uso.
El Espirómetro realizado puede ser un instrumento auxiliar en la conservación
de la salud y en la prevención y diagnóstico temprano de patologías
respiratorias.
El Espirómetro dependerá de una toma de corriente de 220 [V] lo cual
imposibilita la movilidad práctica pero ofrece una duración de la alimentación
mayor que una batería por ejemplo.
La independencia a la presión atmosférica se consiguió al implementar un
Espirómetro que utiliza un sensor de presión diferencial. Este sensor es un
transductor de bajo costo con presiones en el rango de Kilo pascales. Una de
las características de este sensor es el offset el cual siempre existirá pero se
podrá controlar en la entrada con amplificadores restadores.
Este proyecto favorece a los pacientes con patologías respiratorias por ser
cómodo y de bajo costo, no solo se puede aplicar en hospitales y clínicas sino
también en domicilios con las debidas precauciones que se presentaran en
recomendaciones.
37
CAPITULO V. RECOMENDACIONES.Las recomendaciones que pueden ser tomadas en cuenta a la hora de la
implementación del Espirómetro son las siguientes:
Se debe establecer el tipo de neumotacografo a implementar de acuerdo a los
materiales que se posee a alcance así como también la factibilidad que este
posee
Para que la adquisición de datos sea eficiente se debe hacer un
acondicionamiento analógico digital lo más preciso posible para poder obtener
más nitidez en la señal
Se debe tener presente las características técnicas de cada componente que se
vaya a usar para poder tener resultados adecuados y así evitar danos en los
mismos componentes.
Para la realización del examen del Espirómetro el paciente no debe estar
agitado y debe tomar una postura erguida (preferentemente de pie), inspirar todo
el aire posible para luego espirar por la boquilla y así obtener graficas exactas.
La higiene de las boquillas es muy importante por lo que se recomienda
cambiarlas en cada paciente y así evitar posibles contagios.
El paciente debe tener las indicaciones de un doctor para poder someterse al
examen porque existen algunas patologías que no pueden realizarlo.
38
CAPITULO VI. BIBLIOGRAFIA.LIBROS.
JOHNSON ARTHUR T. The biomedical Engineering Handbook. 2 ed. EUA: CRC Press. 2000. pag 134PEREZ PADILLA JOSE ROGELIO. Reproducibilidad de espirometria. Mexico: Noriega. 2001 .pág. 150TOLEDO NATIVIDAD. La espirometria como herramienta de Diagnostico. Cuba: Instituto central de investigaciones digitales. 2001. Pág. 130 -156
MANUALES.
CENTROS PARA EL CONTROL Y LA PREVENCION DE ENFERMEDADES, Guía de Niosh sobre entrenamiento de Espirometria. 2 ed. México: Manual Pitzer.2007.pag 150
GANONG W. FISIOLOGIA MEDICA: El manual moderno.14 ed. México: Noriega .1994. pág. 80-90
Webs
Sistema Respiratorio
www.aarc.org/,2004 (14 de Mayo de 2012)
www.Adam.com (2 de Mayo de 2012)
www.ama-assn.org/ (16 de Mayo de 2012)
www.asma.com (18 de Mayo de 2012)
www.bioingenieros.com (2 de Mayo de 2012)
www.datasheetcatalog.com (16 de Abril de 2012)
www.electronicafacil.net(26 de Abril de 2012)
www.escuela.med.puc.cl /Aparato Respiratorio (24 de abril de 2012) www.informatica.com (24 de Mayo de 2012)
www.frca.co.uk (3 de Mayo de 2012)
www.kidshealth.com (2 de Mayo de 2012)
www.medicinapreventiva.com.ve (2 de Mayo de 2012)
www.vivirmejor.com (30 de Abril de 2012)
www.wikypedia.org (24 de Mayo de 2012)
39
Espirómetro
www.micropik.com (24 de Marzo de 2012)
www.resistencias.com (25 de Marzo de 2012)
www.technician.com (7 de abril de 2012)
www.webelectronica.com.ar (24 de Mayo de 2012)
www.watlow.com (24 de Mayo de 2012)
Graficas
www.creativecommons.org (7 de Abril de 2012)
www.forums.ni.com (7 de abril de 2012)
www.mhengineringsource.com (8 de abril de 2012)
www.mitecnologico.com (8 de abril de 2012)
www.zone.ni.com (2 de Mayo de 2012)
40
INDICE
ContenidoRESUMEN.........................................................................................................................................1
1. Antecedentes............................................................................................................................2
2. Planteamiento del Problema...................................................................................................3
3. JUSTIFICACIÓN........................................................................................................................3
a. Temática.................................................................................................................................3
b. Social......................................................................................................................................3
c. Económica.............................................................................................................................3
4. OBJETIVOS...............................................................................................................................3
a. General...................................................................................................................................3
b. Específicos............................................................................................................................4
5. ALCANCE..................................................................................................................................4
a. Técnico...................................................................................................................................4
b. Social......................................................................................................................................4
c. Espacial y Temporal.............................................................................................................4
6. METODOLOGIA DE DESARROLLO.......................................................................................5
I. MARCO TEORICO.........................................................................................................................6
1. SISTEMA RESPIRATORIO...................................................................................................6
1.1. MECÁNICA RESPIRATORIA........................................................................................7
1.2. FRECUENCIA RESPIRATORIA....................................................................................8
2. VOLÚMENES Y CAPACIDADES PULMONARES..............................................................9
2.1. VOLÚMENES PULMONARES ESTÁTICOS................................................................9
3. INTERPRETACIONES GRAFICAS RESPIRATORIAS.....................................................10
3.1. CURVA VOLUMEN-TIEMPO:......................................................................................10
3.2. Valores normales........................................................................................................11
4. MEDIDOR DE FLUJO RESPIRATORIO ESPIROMETRO................................................12
4.1. NEUMOTACOGRAFOS...............................................................................................12
4.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO...........................................................................13
5. SENSOR DE PRESION DIFERENCIAL.............................................................................15
41
5.1. CARACTERÍSTICAS....................................................................................................15
5.2. EJEMPLOS DE APLICACIÓN.........................................................................................15
5.3. COMPENSACIÓN DE TEMPERATURA.....................................................................16
6. AMPLIFICADORES OPERACIONALES............................................................................18
6.1. AMPLIFICADOR OPERACIONAL RESTADOR........................................................18
6.2. AMPLIFICADOR INVERSOR......................................................................................20
7. VENTAJAS Y DESVENTAJAS SOBRE LA ESPIROMETRÍA.........................................21
INGENIERIA DEL PROYECTO......................................................................................................22
1. DIAGRAMA DEL PROYECTO............................................................................................22
2. ENTRADA DE AIRE.............................................................................................................22
3. NEUMOTACOGRAFO DE LILLY........................................................................................23
4. SENSORES DE PRESION DIFERENCIAL........................................................................24
5. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL........................................................................................25
6. AMPLIFICACION DE LA SEÑAL........................................................................................27
6.1. AMPLIFICADOR NO INVERSOR CALCULOS..........................................................27
6.2. AMPLIFICADOR CON GANANCIA MENOR A UNO.................................................28
6.3. AMPLIFICADOR CAMBIO DE SIGNO........................................................................28
7. FUENTE DE ALIMENTACION............................................................................................29
8. ESQUEMA FINAL DEL ESPIROMETRO...........................................................................30
9. ESQUEMA FINAL DE LA INTERFAZ CON LA PC...........................................................32
10. INTERFAZ DEL DISPOSITIVO CON LA PC..................................................................32
10.1. PROGRAMA VISUAL BASIC 6.0..................................................................................33
CAPITULO IV. CONCLUSIONES.................................................................................................37
CAPITULO V. RECOMENDACIONES..........................................................................................38
CAPITULO VI. BIBLIOGRAFIA.....................................................................................................39
42
