COMPENSACION ACTIVA DE TEMPERATURA Y PRESION PARA UN ANALIZADOR DE GASES ANESTESICOS

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HA UNVERSDAD AUTONOMA METROPOLTANA-ZTAPALAPA DVS~N DE CENCAS BASCAS E NGENERA POSGRADO EN NGENERA BOMEDCA COMPENSACON ACTVA DE TEMPERATURA Y PRESON PARA UN ANALZADOR DE GASES ANESTESCOS ng. Andrés
HA UNVERSDAD AUTONOMA METROPOLTANA-ZTAPALAPA DVS~N DE CENCAS BASCAS E NGENERA POSGRADO EN NGENERA BOMEDCA COMPENSACON ACTVA DE TEMPERATURA Y PRESON PARA UN ANALZADOR DE GASES ANESTESCOS ng. Andrés Ferreyra Ramírez Comunicación de resultados para la obtención del grado de Maestro en Ciencias (ngeniería Biomédica) Julio 2001 Asesor: Dr. Emilio Sacristán Rock ';i SNODALES: \k Dr. Emilio Sacristán Rock. Dr. Adriano De Luca Pennacchia. M. en C. C&olicán. Muños G b. Resumen El presente trabajo forma parte de una linea de investigación cuyo objetivo es desarrollar un analizador de gases de anestesia, basado en un innovador sistema de medición por movilidad de iones. El sistema esta basado en un condensador de aspiración, pequeño y de muy bajo costo que ha sido diseñado especialmente para la medición de gases anestesicos, este tiene el potencial para llegar a ser una alternativa competitiva con las tecnologías actuales de monitoreo existentes. El sensor de gases ha demostrado su capacidad para medir e identificar gases anestesicos en el laboratorio, sin embargo aun requiere de importantes desarrollos antes de poder satisfacer todas las condiciones para su uso clínico. El condensador de aspiración desarrollado, genera un espectro (curva de vs V) que es característico de cada muestra de gas que se analiza; el espectro obtenido, se introduce a una red neuronal con el fin de identificar la mezcla de los gases primarios y el agente anestesico, y medir la concentración de todos los componentes. En estudios previos realizados en esta investigación, se ha encontrado que dichos espectros cambian considerablemente en forma y tamaño cuando varia la temperatura o la presión de la muestra de gas. Los cambios en los espectros provocan un cierto traslape entre ellos, lo que ocasiona, que la red neuronal no tenga la capacidad de identificar de manera correcta cada uno de los espectros ya que asigna mezclas y concentraciones diferentes; es decir, la red neuronal termina confundiendo el espectro analizado con el de otra muestra que tiene registrada en su base de datos, esto es un problema serio. El sistema implementado para corregir las variaciones de temperatura y presión, consiste de controles PD (Proporcional-lntegral-Diferencial) vía hardware, los cuales cumplen parcialmente con su objetivo ya que no alcanzar a corregir de manera adecuada las variaciones de estos dos parametros, por lo que existen aun variaciones considerables en los espectros obtenidos. En esta tesis se presenta una nueva alternativa para realizar el control de la temperatura y la presión de la muestra de gas a analizar, la cual nos permitirá reducir al mínimo los cambios que sufren los espectros obtenidos con el condensador de aspiración; esta consiste en la utilización de controles basados en lógica difusa. Se presenta a detalle una evaluación individual de los controles PD utilizados en la aplicación y los controles DFUSOS propuestos como solución; así como también, se realiza una comparación minuciosa entre ambas tecnicas de control, con el finde resaltar las ventajas y desventajas de cada uno de estas que nos permitan asegurar las posibles mejoras en el sistema en general. Se realiza además una evaluación detallada de dichos controles dentro del prototipo, la cual arroja resultados interesantes que demuestran las mejoras que se obtienen con la utilización del control difuso. Finalmente, a lo largo de todo este trabajo se deja de manifiesto que el control difuso nos da la capacidad de implementar un comportamiento de control altamente flexible para nuestra aplicación ya que con este tipo de control logramos que nuestro sistema pueda ajustarse a condiciones cambiantes que son muchas veces imposibles de predecir, tales como los cambios ambientales, lo que incrementa el rendimiento del sistema en general. i Agradecimientos Deseo expresar mi agradecimiento a muchas personas que han colaborado en la elaboración de este trabajo. En particular, estoy muy agradecido por los excelente apoyos y los consejos proporcionados por el Dr. Emilio Sacristdn Rock, mi asesor y amigo, quien guío y apoyo paso a paso esta investigación. Me da gusto reconocer gratamente el apoyo de dos personas que cooperaron incondicionalmente en el desarrollo de esta investigación, ng Rosendo Fuentes y M.C Andro A. Solis M, sin cuya ayuda este trabajo hubiera sido prdcticamente imposible. Este proyecto a sido realizado mediante un convenio entre la UAM-lztapalapa - ENVVA CorplW.P.1, teniendo como base el proyecto de CONACYT titulado Sistema de Movilidad dnica para Gases Anestésicos y Respiratorios con numero de referencia 4265P-A9608; a todos ellos gracias. Agradezco a CONACYT el apoyo económico brindado durante los primeros dos años de estudios. Finalmente, deseo expresar mi m& profundo aprecio a Srita Teresa Flores Salas, mi novia, sin cuya ayuda y constante apoyo este trabajo no habría sido posible. AFR ii lndice RESUMEN... i AGRADECMENTOS... NDCE... LSTA DE FGURAS Y TABLAS... NTRODUCCóN Y OBJETVOS NTRODUCC~N OBJETVOS... 2 MONTOREO DE GASES ANTECEDENTES REQUERMENTOS CLÍNCOS TECNOLOGAS ACTUALES Espectrómetro de masas Espectroscopio Raman Espectroscopio nfrarrojo Análisis Piezoeléctrico Espectrómetro de Movilidad ónica Condensador de Aspiración Plano Condensador de Aspiración diferencial de primer orden con barrido de campo CONTROL EN PERSPECTVA ll V COMENTAROS Y CONCLUSONES FNALES EVALUACóN DE LOS CONTROLES PD Y DFUSOS Controles de Temperatura les de Presión EVALUACON DE LOS CONTROLES PlD Y DFUSOS0 DENTRO DEL PROTOTPO Control de Temperatura Control de presión CUR VAS DE CORENTE CONCLUSON APENDCE A RESPUESTA DE UN CONTROL PD iv APENDCE B DSEÑO DE LOS CONTROLES DFUSOS B. 1 CONTROL DE TEMPERATURA b Definición de las variables del sistema b. 1.2 Algoritmo del sistema b. 1.3 Características de entrada /salida (E/S) B.2 CONTROL DE PRESóN b.2. Definición de las variables del sistema b.2.2 Algoritmo del sistema b. 2.3 Características de entrada / salida (E/S) REFERENCAS APENDCE C CRCUTO RADADOR DE CALOR APENDCE D EVALUACóN DE LOS DATOS ANALíTCOS D.l PRECSóN Y EXACTTUD d.. Precision d. 1.2 Exactitud D.2 DEFNCóN DE LOS ERRORES d.2.1 Errores Aleatorios... ll d Tratamiento estadístico de los errores aleatorios d Poblaciones y muestras d Definiciones de algunos parámetros estadísticos d. 2.2 Errores Sistemáticos REFERENCAS APENDCE E CARACTERSTCAS DNAMCAS DE LOS STEMAS DE CONTROL E.1 MODELADO MATEMÁTCO DE SSTEMAS DNAMCOS e.. Modelos matemáticos e. 1.2 Funcron de transferencia E.2 ANÁLSS DE LA RESPUESTA TRANSTORA e.2.1 Señales de prueba tkicas e.2.2 Respuesta transitoria y respuesta en estado estable E.3 SSTEMAS DE PRMER ORDEN e. 3. Respuesta escalón unitario de sistemas de primer orden e.3.2 Tiempo de asentamiento (t.s, y la constante de tiempo (r) e. 3.3 Respuesta en frecuencia REFERENCAS V Lista de figuras y tablas FGURAS: nktico. sector de masas 2.1. Espectrómetro de 5 sas de 2.2. Espectrómetro Analizador 2.3. gases de luz de dispersada Raman infrarrojo Piezoelkctrico Diagrama bloque a de un espectrómetro de movilidad iónica (EM) Diagrama esquemático del tubo de derivación 12 EM. de un 2.8. Diagrama esquemático de celda la de un condensador aspiración plano Diagrama bloques a proceso un de control de retroalimentación Características de control un para On/off control 16 ideal Características de proporcional. un control 16 aracterísticas estático Determinación del equilibrio de un proceso 18 estático Diagrama bloque de a un simple lazo retroalimentación. de Simulación de un sistema de lazo cerrado con control proporcional Acción integral con retroalimentación positiva alrededor un retardo Simulación de un sistema de lazo cerrado con control proporcional integral Simulación de un sistema de lazo cerrado con control 24 PD Cinco difusos estado variable la de temperatura Lógica tradicional o clásica difusa Grado Variable lingüística Perspectiva con sistema un total de 31 difusa. lógica Proceso de inferencia difuso Diagrama funcional del condensador de aspiración diferencial de primer orden Diagrama seccional sensor prototipo del de movilidad iónica Diagrama funcional del sistema prototipo de análisis y experimentación Circuito temperatura de eléctrico control del 38 PD presión Circuito de eléctrico control del 39 PD Arreglo final de los dispositivos utilizados para el control presión. de Evaluación temperatura. de los de controles Sistema de prueba la para los controles presión. 44 de 5.1. Respuesta del control de temperatura PD para diferentes valores de setpoint y un streo de tiempo 30 minutos Respuesta del control de temperatura PD para diferentes valores de setpoint y un streo de tiempo 40 minutos. 46 stado en temperatura PD 5.3. de Control 46 estable respuesta Tiempos de para presión el control de 48 PD Respuesta del control de presión PD para diferentes valores de setpoint y un tiempo muestreo de 10 minutos en Sobretiro presión de el control 49 PD. PD presión 5.7. de Control estable Respuesta del control de temperatura difuso para diferentes valores de setpoint, a 1 amperes, y 2 y un tiempo muestreo de 20 de minutos Sobretiro y oscilaciones en el control temperatura de difuso O.Control temperatura difuso de estado en estable. 57 vi 5.11.Tiempos de respuesta para el control de presión difuso Respuesta del control de presión difuso para diferentes valores de setpoint y un tiempo de muestre0 de 1 O minutos Sobretiro en el control de presión difuso Control de presión difuso en estado estable Tiempos de respuesta de los controles de temperatura Sobretiros en los controles de temperatura Estabilidad de los controles de temperatura Controles de temperatura bajo perturbaciones Tiempos de respuesta de los controles de presión Sobretiro y oscilaciones en los controles de presión Estabilidad de los controles de presión Curvas ( vs V) para ARE y para un gas anestésico (Desfluorano al 5%, Bal02) obtenidas con el control de temperatura PD Curvas ( vs V) para ARE y para un gas anestésico (Desfluorano al 5%, Bal 02) obtenidas con el control de temperatura difuso Curvas ( vs V) para un gas anestésico (Desfluorano al 5%, Bal 02) utilizando el control de temperatura PD bajo una perturbación pequeña Curvas ( vs V) para un gas anestésico (Desfluorano al 5%, Bal 02) utilizando el control de temperatura difuso bajo una perturbación pequeña Curvas ( vs V) para un gas anestésico (Desfluorano al 5%, Bal 02) utilizando el control de temperatura PD bajo una perturbación fuerte Curvas ( vs V) para un gas anestésico (Desfluorano al 5%, Bal 02) utilizando el control de temperatura difuso bajo una perturbación fuerte Curvas ( vs V) para ARE obtenidas con los controles de presión PD y difuso sin respirador Curvas ( vs V) para ARE obtenidas con los controles de presión PD y difuso con respirador Curvas ( vs V) para ARE obtenidas con el control de presión PD bajo condiciones normales de operación Curvas ( vs V) para ARE obtenidas con el control de presión Difuso bajo condiciones Normales de operación Curvas ( vs V) para ARE obtenidas con el control de presión PD bajo una perturbación pequeña Curvas ( vs V) para ARE obtenidas con el control de presión Difuso bajo una perturbación pequeña Curvas ( vs V) para ARE obtenidas con el control de presión PD bajo una perturbación fuerte Curvas ( vs V) para ARE obtenidas con el control de presión Difuso bajo una perturbación fuerte Curvas de respuesta en frecuencia de los controles de presión Curvas de respuesta para los controles de presión Señal digital obtenida con el condensador de aspiración y el control de presión PD; sin ventilador Señal digital obtenida con el condensador de aspiración y el control de presión DFUSO; sin ventilador Señal digital obtenida con el condensador de aspiración y el control de presión PD; con ventilador Señal digital obtenida con el condensador de aspiración y el control de presión DFUSO; con ventilador Curvas de respuesta de los controles de temperatura. A.1. Especificaciones para la respuesta de un control PD. B. 1. Sistema de control de temperatura difuso Variable de entrada para el control de temperatura difuso. B.3. Variable de salida para el control de temperatura difuso Algoritmo para el control de temperatura difuso O0 1 O0 1 o1 B.5. Caracteristica E/S de temperatura control de del difuso. 1 o1 control de B.6. Sistema difuso. 102 B.7. entrada Variable de el para presión control de 103 difuso. B.8. Variable para salida de presión el de control difuso. 103 B.9. Algoritmo el presión para de control 104 difuso. Característica B.10 de presión de control E/S del difuso. 104 C. 1. Circuito calentador para el control temperatura de difuso. 107 D. 1. Variación temporal de Ynk con respecto al patron Xn durante una serie de mediciones D.2. Segmento de observación de las variaciones de Ynk durante las mediciones. 111 de E.1. exponencial. Curva respuesta 122 de E.2. Grafica Bode para G(jw). 125 E.3. Trazo logarítmico que muestra la frecuencia de corte wb y el ancho de banda. 126 frecuencia respuesta E.4. en de Curvas lazo de cerrado. 127 de E.5. Curvas escalón la respuesta 128 unitario. de E.6. Curvas rampa la respuesta 128 unitaria. TABLAS 3.1. Control de velocidad de un ventilador Resultados de las pruebas realizadas al control de temperatura PD para un tiempo de muestreo de 30 minutos Resultados de las pruebas realizadas al control de presión PD para un tiempo de muestreo de 1 O minutos Resultados de las pruebas realizadas al control de temperatura DFUSO para un tiempo de muestreo de 30 minutos y una corriente de 1 Amp Resultados de las pruebas realizadas al control de temperatura DFUSO para un tiempo de muestreo de 20 minutos y una corriente de 2 Amp Resultados de las pruebas realizadas al control de presión DFUSO para un tiempo de muestreo de 10 minutos Comparación de resultados para el control de temperatura PD y DFUSO, para un tiempo de muestreo de 30 minutos Comparaci6n de resultados para el control de presión PD y DFUSO, para un tiempo de muestreo de 10 minutos Constantes de tiempo (z) para los controles de temperatura Resultados numkricos obtenidos para los controles de temperatura Resultados numéricos obtenidos para los controles de presión viii Capítulo 1 ntroducción y objetivos 1.1 NTRODUCC~N En las ultimas décadas, los avances tecnológicos en el Area de la medicina, han dado lugar a la creaci6n de numerosos dispositivos para el monitoreo de agentes anestésicos y gases respiratorios. Esto aunado a la constante preocupación por mejorar la seguridad del paciente, vino a reducir el numero de accidentes fatales y a la vez a despertar el interés mundial hasta el grado de crear normas que recomiendan el uso de éstos. Sin embargo, los monitores de anestesia disponibles comercialmente resultan ser demasiado costosos, o que impide su uso generalizado y ocasiona que muchos quirófanos en el mundo no puedan disponer de éstos. En los últimos años, esto a propiciado un gran impulso en este campo de investigación para el desarrollo de nuevos instrumentos y tecnologías de medición de cada vez menor costo y tamaño; en el que destaca un analizador de gases de anestesia, basado en un innovador sistema de medición de iones - mediante un condensador de aspiración - que ha sido desarrollado por el Dr. Emilio Sacristan Rock [ 21. El condensador de aspiración prototipo propuesto por Sacristán, no es mas que un sensor pequeño y de muy bajo costo que ha sido diseñado especialmente para la medición de gases anestésicos, el cual tiene el potencial para llegar a ser una alternativa competitiva con las tecnologías de monitoreo de anestesia existentes. Este ha demostrado su capacidad de medir e identificar gases anestésicos en el laboratorio. Sin embargo, el sistema requiere todavía de importantes desarrollos antes de poder satisfacer todos los requerimientos para su uso clínico. El objetivo principal de este trabajo de investigación es mejorar la precisión del condensador de aspiración, aumentando su sensibilidad a las variaciones de temperatura y presión de la muestra de gas a analizar, con el fin de eliminar totalmente las perturbaciones causadas a las curvas de obtenidas de cada una de las muestras. ntroducción 1.2 OBJETVOS El estudio realizado con el condensador de aspiraci6n prototipo, demuestra convincentemente que éste funciona muy bien para el monitoreo de gases anestésicos y respiratorios; aun cuando falta por confirmar o probar su comportamiento bajo la presencia de los nuevos anestésicos como son Sevofluorano y Desfluorano. Sin embargo, lo más importante es la valiosa caracterización lograda de los efectos que interfieren en la medición de los gases cuando existen variaciones de temperatura, presión, humedad y en la composición del gas portador (mezclas de Oz, NzO, y COZ); lo cual demuestra que el condensador de aspiración tiene aun ciertas deficiencias que impiden su uso clínico. Las variaciones de humedad son las que menos afectan el comportamiento de las medidas realizadas, pero no podemos decir lo mismo de la temperatura ya que el espectro obtenido del prototipo varia bruscamente con las variaciones de ésta; sin embargo este es un parámetro que puede ser controlado físicamente muy bien. En el sistema implementado por Sacristán se utiliza un control PD (Proporcional - ntegral - Diferencial) vía hardware, para controlar las variaciones de la temperatura de la muestra de gas a ser analizada; pero aun cuando se logra el objetivo, pueden todavía llegar a ver ciertos corrimientos en los espectros lo que diminuye la precisión del sistema. Estas variaciones pueden ser otorgadas, a las deficientes características del control siendo la más importante su alta dependencia a los parámetros de operación del sistema, lo que los hace muy sensibles al ruido. Por lo tanto, un primer objetivo de este trabajo de tesis es el de implementar y probar un control de temperatura empleando lógica difusa, el cual sin duda eliminara los efectos e incrementara la precisión del sistema. Este control será implementado en software, con lo que se lograra disminuir la circuitería total del sistema, sin complicar el software usado para el prototipo. Otro de los problemas a estudiar son los efectos que causan las variaciones de presi6n en la muestra de gas que se introduce en el prototipo, las cuales esten fuertemente relacionadas con factores como: rango de flujo, corriente iónica total medida, y la relación Seiial a Ruido del sistema; parámetros que son muy importantes para el buen funcionamiento del sistema. Con este estudio se podrán obtener datos de suma importancia que permitirán establecer un método de calibración adecuado para el sistema, logrando con esto obtener un analizador más sensitivo y selectivo. Se propone desarrollar un control de presión difuso (empleando sensores de presión comerciales) para probar si es posible lograr una calibración practica e instantánea del dispositivo, lo que evitaría tener que recurrir a métodos de calibración analíticos mediante la manipulación de los espectros, lo cual seria posiblemente más complicado. 2 Capítulo 2 Monitoreo de gases 2.1 ANTECEDENTES El desarrollo de nuevas técnicas quirúrgicas, conduce a la concepción de herramientas y tratamientos que permitan mejorar las condiciones de las operaciones quirúrgicas tanto para é medico como para el paciente. Estos progresos implican un incremento de los datos fisiológicos medidos en el paciente y el surgimiento y la realización de herramientas para interpretar esta información. En las intervenciones quirúrgicas, uno de los papeles más importantes e interesantes es el que desempeña el anestesiólogo ya que éste se encarga de mantener y controlar las funciones vitales del paciente, ante los efectos desequilibrantes de la cirugía. El control es realizado mediante la evaluación constante de las funciones vitales pero sobretodo mediante frecuentes medidas y ajustes de los gases detectados en el sistema respiratorio, tales como son: O2 que se encarga de mantener el metabolismo, COZ que es un producto del mismo metabolismo, N20
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