medidor de potencia radiante para unidades de fototerapia · bebés prematuros son más propensos a...

Medidor de Potencia Radiante para Unidades de Fototerapia

S. Diaz Carrasco1, L. A. Rocha

1, S. R. Gor

2, V.I. Rotger

1

1Departamento de Bioingeniería, Fac. de Cs Exactas y Tecnología, Universidad

Nacional de Tucumán 2Departamento de Luminotecnia, Fac. de Cs Exactas y Tecnología, Universidad Nacional

de Tucumán

Email: [email protected]

Abstract. Este trabajo presenta el diseño, implementación y construcción de un instrumento

para la medición y control de los niveles de la irradianza en las unidades de fototerapia. La

fototerapia es la terapéutica de elección y la más difundida para la hiperbilirrubinemia neonatal

no conjugada. Esta consiste en exponer al paciente a una fuente luminosa con un flujo de

radiación en el rango de luz azul. La finalidad es transformar la bilirrubina a productos más

solubles y permitir su excreción. Esta exposición disminuye la ictericia clínica y la

hiperbilirrubinemia Indirecta para prevenir su acumulación toxica en el cerebro que puede

causar complicaciones neurológicas permanentes o la muerte. Inicialmente se desarrollo la

medición utilizando un espectrorradiometro. Los resultados obtenidos y la recopilación

bibliográfica definieron las características del medidor. El dispositivo está compuesto por dos

bloques, uno analógico a través del cual se capta y acondiciona la señal y el otro digital donde

se procesa y visualiza. Las pruebas de campo se realizaron en el Instituto de Maternidad. Se

logro representar gráficamente el flujo de radiación incidente de las distintas unidades de

fototerapia y verificar sus niveles óptimos para el adecuado tratamiento, permitiendo concluir

que el equipo es apto para el funcionamiento previsto.

1. Introducción

El Sistema de Salud de la Provincia posee Servicios de Neonatología en tres Hospitales Públicos y

otros tantos en los Sanatorios Privados de Tucumán, los cuales cuentan con un parque tecnológico con

equipos médicos de diferentes complejidades, entre los cuales se encuentran las unidades de

fototerapia. La presencia de estas Tecnologías Médicas (TM) requiere el control permanente de las

mismas a fin de asegurar su confiabilidad. El número de equipos presentes representa una muestra

representativa para considerar la importancia de disponer de un dispositivo capaz de evaluar la

condición de las mismas.

La asistencia a los recién nacidos (RN) en condición de prematuros o con alguna patología

representan una cantidad significativa en los servicios de Neonatología, en los cuales se consulta o se

internan con diferentes patologías. Un ejemplo de ellas es la hiperbilirrubinemia, trastorno del cuerpo

humano principalmente en recién nacidos, cuya característica es una cantidad excesiva de bilirrubina

en la sangre. Esta sustancia se produce cuando se destruyen los glóbulos rojos. Debido a que es difícil

para los bebés deshacerse de la bilirrubina, es posible que ésta se acumule en su sangre, tejidos y

fluidos corporales, produciendo una coloración amarillenta en la piel y la zona blanca de los ojos. Los

XVIII Congreso Argentino de Bioingeniería SABI 2011 - VII Jornadas de Ingeniería Clínica Mar del Plata, 28 al 30 de septiembre de 2011

mailto:[email protected]

bebés prematuros son más propensos a este trastorno debido a que su hígado está menos desarrollado

que el de los otros bebés [1].

Para el tratamiento de dicha patología se utilizan las “unidades de fototerapia”. El Metabolismo de

la Bilirrubina se puede visualizar en la figura 1, la bilirrubina es metabolizada por el hígado y

eliminada por las heces y la orina [2].

Figura 1. Circuito de la bilirrubina en el cuerpo humano.

Enfermería Neonatal - Lic. Guillermina Chattás.

La fototerapia consiste básicamente en exponer el cuerpo del paciente a radiaciones luminosas en el

rango de longitudes de onda del azul, aproximadamente entre 420 a 500 nanómetros [nm], con lo cual

se disminuye la bilirrubina neonatal no conjugada convirtiéndose ésta en productos hidrosolubles

fáciles de excretar [3].

Existen diversas tecnologías en el campo de la fototerapia, las cuales utilizan distintas fuentes de

radiación como: lámparas incandescentes de cuarzo halógeno, tubos fluorescentes especiales y diodos

electroluminiscentes (led´s). A medida que transcurre el tiempo, la producción de radiación de estas

fuentes va disminuyendo por distintas causas, entre ellas el envejecimiento de las mismas, provocando

un cambio en la dosis que recibe el paciente. Como consecuencia de esto, para mantener la efectividad

del tratamiento de fototerapia es necesario aumentar los tiempos de exposición [4].

En general, las decisiones de los usuarios de los equipos de fototerapia (personal médico y técnico

de instituciones de salud) respecto del reemplazo de lámparas están basadas en recomendaciones del

fabricante, sobre periodos de tiempo de uso de las mismas [5]. De esta manera no se cuenta con un

método directo para determinar el momento adecuado para el reemplazo de éstas pudiendo recaer ya

sea en un submantenimiento cuyo resultado puede influir en la salud del (RN), como así también en un

sobremantenimiento (representan un cambio sistemático de la lámparas) que incidirá de forma

negativa sobre los recursos económicos de la institución.

2. Desarrollo

En función de las necesidades asistenciales antes descriptas se desarrollo el Medidor de Potencia

Radiante, bautizado como “Aura Meter DC”, el cual esta compuesto de dos bloques, uno analógico a

través del cual se capta y acondiciona la señal a estudiar y el otro digital donde se procede al

procesamiento y presentación de la misma. Para abordar el diseño fue necesario estudiar el

funcionamiento de las Unidades de Fototerapia a evaluar, Equipos de Medición y luminarias a ensayar

las cuales se detallan a continuación:

Unidad de Fototerapia – Spot Medix – mod. LU – 4 P (Pie Rodante)

Unidad de Fototerapia – Tubos Fluorescentes – mod. LU – 6T


Unidad de Fototerapia – Mediled

Espectrorradiómetro Automático Optronic – mod. OL 750

Luz de día - Phillips TLT 20W/54 RS Day light.

Luz de Tratamiento - Phillips TL52/20W.

En particular, el diagrama en bloques del Medidor de Potencia Radiante se presenta en la figura 2

considerando cada una de las etapas.

FILTRO OPTICOUNIDAD

OPTOELECTRONICAACONDICIONAMIENTO

CONVERSION A/DPROCESAMIENTOPRESENTACION

DE DATOSLCD

FUENTE DE LUZ

Figura 2. Esquema.

La etapa de entrada se inicia con el transductor de medición, el cual está conformado por un filtro

óptico y la unidad optoelectrónica que en este caso se trata de un fotodiodo (S1087 – Hamamatsu),

ambos con características especificas. La finalidad de dicho transductor es captar la energía radiante

proveniente de la fuente de luz (unidad de fototerapia), y la conversión de la misma a otra magnitud

física. El diseño final del transductor se presenta a continuación.

Figura 3. Transductor de Medición.

De esta manera se obtiene la fotocorriente a partir de la cual se inicia todo el proceso de

acondicionamiento de la señal. En esta etapa se ajustan los niveles de tensión que resultan de la

fotocorriente generada a causa del flujo de radiación incidente sobre el fotodiodo, y se establecen

niveles de tensión para el rango de medición. Además se realiza un filtrado para eliminar los efectos

indeseables de la corriente alterna que se introduce.

El acondicionamiento se inicia con un circuito en configuración conversor corriente – tensión,

mediante el cual se obtienen valores de tensión proporcionales a la corriente generada en la entrada. Se

escogió un amplificador operacional tipo “chopper estabilizado” por lo que el error introducido por

Voff es prácticamente nulo, siendo innecesaria su corrección por medio de un circuito externo. Su alta

resistencia de entrada y su muy pequeña corriente IBIAS, además de tener A = 130 dB (valor típico), lo

hacen particularmente útil para el presente trabajo [6].

A la salida del amplificador conversor corriente – tensión, se tiene un nivel de tensión que varia

con el flujo de radiación incidente. Esta variación debe ser adecuada a valores estándares para que

luego estos puedan ser procesados en la etapa digital. Este es el objetivo de esta sub-etapa, es decir,

mediante ajustes en la ganancia se van a corregir los niveles de tensión de salida. La configuración que


se utilizo es la de un Amplificador No Inversor, su elección se baso en su elevada impedancia de

entrada J-Fet, su baja corriente de bias y de offset, como así también su elevado slew rate.

Posteriormente se continua la etapa de filtrado de la señal con la cual se eliminan las variaciones

del flujo emitido por una fuente a causa de la tensión alterna de red, este efecto se denomina “flicker”.

Para ello se agrega un filtro pasabajos cuya constante de tiempo debe ser:

De esta manera se logra contrarrestar el comportamiento indeseado que posee la señal, inducido

por la red eléctrica aunque con el doble de la frecuencia (100 Hz). El filtro está conformado por

componentes pasivos R y C, cuyos valores se determinaron en base a una frecuencia de corte

establecida. Por consiguiente se obtiene una señal en condiciones de ser procesada en la etapa digital

para luego ser presentada en pantalla.

La etapa digital esta comandada por un microcontrolador que se encarga de la conversión A/D de

datos como así también del procesamiento de las señales. Este es un microcontrolador de 8-bits con

tecnología CMOS y memoria FLASH, de bajo costo y alto desempeño, posee un set de 35

Instrucciones Reducidas [7].

El sistema se complementa con una serie de periféricos entre los que tenemos indicadores

luminosos de conexión de fuente y de funcionamiento, pulsadores de reset, llave de comando, LCD y

control de sensibilidad de LCD. Este último va a mostrar en la primera línea de caracteres una leyenda

con el nombre del instrumento de medición y en la segunda línea se podrán apreciar los datos

obtenidos en cada medición según la siguiente figura.

Figura 4. Presentación de los Datos.

Todas las etapas antes nombradas están alimentadas por un único modulo, el cual funciona por

medio de una fuente externa tipo switching de 24V/2A. La tensión de salida es normalizada por medio

de un regulador de voltaje y a partir de éste se realiza una inversión de polaridad a través de otro

circuito integrado para obtener los valores necesarios para el correcto funcionamiento del circuito.

3. Calibración:

La calibración que se llevo a cabo relaciona valores de iluminancia [lux] obtenidos con un

luxómetro de precisión, con valores obtenidos con el equipo desarrollado y en base a estas mediciones

se elaboraron las respectivas curvas de calibración realizando los ajustes pertinentes. Como se

mencionase antes todos los ensayos se realizaron sobre una fuente luminosa en particular; y como

resultado se esperan obtener los parámetros necesarios para poder justificar los reemplazos de

lámparas de acuerdo a la conveniencia para el tratamiento del neonato como así también evitar ya sea

un submantenimiento y recaer en equipos cuyo efecto sea inferior al mínimo necesario, o en el

sobremantenimiento lo que produciría cambios innecesarios. En la figura siguiente se presenta el

escenario en el cual se llevo a cabo el proceso de calibración y el protocolo seguido para las

mediciones:


Banco fotométrico:

Figura. 5. Medición de Fuentes Luminosas.

Se puede observar la estructura y los componentes que conforman la unidad conocida como banco

fotométrico, las lámparas bajo ensayo, y el posicionamiento tanto del equipo medidor como de su

transductor.

El Banco Fotométrico es un conjunto mecánico que permite mantener referencias de posición y

está constituido por un sistema de rieles de precisión, sobre los que se mueven con facilidad carros o

soportes, en los que se montan las lámparas cuyas características se van a medir, el comparador

fotométrico y el transductor del medidor, también dispone de pantallas para limitar la luz dispersa. En

una escala graduada en mm y grabada en uno de los rieles del banco se pueden medir las distancias

que separan los soportes entre sí.

4. Proceso de Calibración

Como primera medida se obtienen las curvas de respuesta del instrumento utilizado como

referencia patron en las mediciones, en este caso se utiliza un luxómetro de alta precisión, marca

LMT, modelo Pocket Lux 2; el mismo fue suministrado por el Departamento de Luminotecnia, Luz y

Vision de la Facet – UNT para llevar a cabo los ensayos.

Con respecto a las lámparas se trabajo con el mismo tipo, pero con 2 (dos) modelos diferentes:

Luz de Día - Phillips TLT 20W/54 RS Day light.

Luz de Tratamiento - Phillips TL52/20W.

Para cada ensayo las fuentes luminosas se ubicaron horizontales en el extremo sur del banco

fotométrico, centradas respecto al eje principal de su estructura. Este punto central entre ambas fuentes

se coloco a 20 cm respecto del inicio del banco por cuestiones de comodidad para con el ensayo y a 32

cm de altura respecto de la base del mismo. Esta altura coincide con el punto central tanto de la boca

de las pantallas limitantes como del sensor del luxómetro.

En la figura siguiente se puede apreciar lo antes descripto:

Fuente

Luminosa

Transductor Aura Meter DC

Guías de

desplazamiento


Figura 6: Lámparas y soporte deslizable.

El barrido de lectura se hizo en pasos de 1 cm entre la posición inicial del sensor y hasta la marca

de 80 cm en el banco fotométrico, de ahí en adelante se avanzo con pasos de 5 cm. Esto se hizo debido

a que la zona de mayor preponderancia para el análisis de los datos se encuentra en las menores

distancias entre sensor y fuente luminosa, a causa de que la iluminancia varía inversamente con el

cuadrado de la distancia. De esta manera se obtendrán las respectivas curvas y en base a su análisis se

concluye respecto a la calibración del medidor luego de los ajustes pertinentes.

Se presentan las curvas resultantes:

Figura 7. Curvas de Respuesta para ambos instrumentos.

Luego del proceso de ajuste y calibración, como primera medida en la etapa analógica y luego a

nivel de la etapa digital en la presentación de datos, se obtuvo una respuesta cuya linealidad es lo

suficientemente aceptable en relación a los errores admisibles por parte del equipo medidor. En

conclusión, este presenta una variación cuadrática inversa en el rango de medición, con un Coeficiente

de Determinación R2 = 0.989; el cual representa estimativamente la bondad del ajuste.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Dat

os

Fin

ale

s [A

MD

C]

Niv

el d

e Il

um

inan

cia

[Lu

x]

Distancia [cm]

Comparación de Respuestas

LMT Aura Meter DC

Soporte

Deslizable

para el

sensor

Pantalla


En la figura 8 se puede observar la linealidad de respuesta del medidor y la correlación que posee

con una recta de ajuste lineal.

Relación LMT – AMDC:

Figura 8. Relación de linealidad.

5. Mediciones de campo:

Terminada la fase de implementación, construcción y calibración del medidor, se procedió a la

aplicación del mismo sobre las distintas unidades de fototerapia.

Las mediciones se realizaron sobre distintas unidades marca Medix, mod. LU – 6T basadas en

Tubos Fluorescentes especiales, ubicadas sobre una incubadora (PC – 305 o PC – 307 Medix) en la

posición en la cual el área luminosa abarque completamente el cuerpo del bebe. El transductor del

equipo medidor va colocado dentro de la incubadora en la posición central del área delimitada según

las lámparas, se llego a la conclusión respecto a esta posición a través de mediciones previas sobre el

flujo incidente en la superficie de contacto (colchón antiescaras).El campo de trabajo es el siguiente:

Transductor LU -6T

(Lumino)

Incubadora

PC - 307


Figura 9. Aura Meter DC en pleno funcionamiento.

Se trabajo con unidades de tratamiento cuyas fuentes luminosas presentaban diferente estado de

envejecimiento, es decir, se trabajo tanto con luminarias nuevas como envejecidas (aproximadamente

2000 hs. de uso), esto se planteo así para poder relacionar valores máximos y mínimos aceptables de

Iluminancia con los niveles de salida que acuse el equipo medidor considerando como valor de cambio

o reemplazo el correspondiente a un juego de lámparas envejecidas.

Las mediciones fueron realizadas para diferentes distancias que oscilan entre 33 y 80 cm, las

mismas se consideran a partir del conjunto “Filtro” del transductor hasta el acrílico protector de la

unidad LU – 6T. A los fines prácticos se eligió como distancia de referencia 50 cm, es decir que los

valores que se van a considerar como mínimo aceptable o de reemplazo van a ser establecidos a esta

distancia.

6. Resultados

A continuación se presenta la curva resultante obtenida como referencia patrón, y en relación a la

misma se realizaron lecturas test sobre 2 (dos) unidades pertenecientes al Servicio de Neonatología.

Estos estudios se realizaron en el Sector de UTI 1 (Unidad de Terapia Intermedia 1). La elección de

las unidades a ensayar fue al azar, sin conocimiento previo sobre el estado de las mismas.

Curva Representativa de Salida - Referencial:

Figura 10. Curva representativa de salida para una distancia de 50 cm.

Como resultado de los datos y curvas obtenidos, se puede establecer un valor considerado como el

mínimo aceptable a partir del cual deben responder las mediciones de chequeo que se lleven a cabo en

las distintas unidades de fototerapia. El valor mínimo aceptable se encuentra en 100 “Datos Finales”

entregados por el instrumento y se debe recordar que éste se referencia a una distancia y posición

especificas del transductor respecto de las fuentes luminosas.

A continuación se muestran las curvas obtenidas como resultado del test, comparadas con la

referencia patrón.

1

2

3

4

5

0102030405060708090

100110

1

2

3

4

5 Po

sici

on

amie

nto

Y

Dat

os

de

Sal

ida

[AM

DC

]

Posicionamiento X

Curva Representativa de Salida - AURA METER DC

100-110

90-100

80-90

70-80

60-70

50-60

40-50

30-40

20-30

10-20

0-10


Figura 11. Curva representativa de salida para un Test Aleatorio. 1 –

Referencia, 2 y 3 unidades examinadas.

Una vez realizadas las mediciones correspondientes a ambas unidades, se pudo contrastar los datos

obtenidos con los valores referenciales. Los resultados fueron positivos, es decir, las unidades

presentan valores por encima del mínimo aceptable y por ende pasaron satisfactoriamente el test de

estado.

7. Impacto Economico

El prototipo del equipo diseñado a requerido la prueba de diferentes detectores (sensores) lo cual

exigió hacer una evaluación de tecnologías para determinar la opción más conveniente. Para el

desarrollo del módulo digital ha sido necesario incorporar el conocimiento de manejo y programación

de microcontroladores.

Los costos de gestión y logística para adquirir los componentes han representado un costo

económico significativo. En el análisis se debe incluir el diseño, fabricación y montaje de las placas

del equipo.

Es necesario considerar los ítems relacionados con la registración en ANMAT, los costos de

certificación y de validación para incorporar al dispositivo como un equipo de test propiamente dicho.

8. Discusión y conclusiones

El prototipo presentado cumple satisfactoriamente los objetivos planteados al inicio del proyecto,

dando como resultado un equipo de fácil manejo, interpretación y alto impacto en los Servicios de

Neonatología. Permite llevar a cabo una evaluación del funcionamiento de las unidades de tratamiento

y de esta manera conocer el estado actual de las mismas.

Los beneficios que conllevan los procesos de control y verificación de los equipos empleados en el

tratamiento directo de los RN con Ictericia, abarcan aspectos tanto médicos como económicos. En el

ámbito clínico se podría evitar que el neonato este expuesto durante tiempos prolongados bajo la

acción de una unidad de tratamiento, cuyas fuentes luminosas no estén en condiciones óptimas para

ofrecer los niveles de radiación adecuados. Considerando los aspectos económicos, se consigue evitar

procedimientos de mantenimiento que en determinados casos pueden ser innecesarios, en base a las

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 50

20

40

60

80

100

120

140

1 2 3 45

Posicionamiento Y

Dat

os

de

Sal

ida

[AM

DC

]

Posicionamiento X

Curva Representativa de Salida - AURA METER DC

120-140

100-120

80-100

60-80

40-60

20-40

0-20

1 2 3


mediciones se pueden extrapolar los resultados para que los reemplazos de las luminarias se lleven a

cabo cuando estas así lo ameriten y no considerar solamente las recomendaciones del fabricante

llevando a cabo un mantenimiento preventivo.

En este tipo de equipos hablar solo de un mantenimiento correctivo seria no considerar los avances

que se logran en el tratamiento del paciente cuando la unidad se encuentra dentro de las normas de

funcionamiento y seguridad establecidas, es por ello que se deben realizar de manera programada

controles de verificación siguiendo los protocolos preestablecidos para el usuario.

Cabe resaltar nuevamente la importancia y los beneficios que se logran en el neonato que se

encuentra en tratamiento al estar bajo la influencia de unidades cuyo estado de funcionalidad es

óptimo, debido a esto es que la institución de salud debe contemplar la incorporación de este tipo de

tecnología para los servicios especializados.

9. Referencias

[1] Pontificia Universidad Católica de Chile - Facultad de Medicina. Escuela de Medicina.

Departamento de Pediatría. http://contacto.med.puc.cl/pediatria/PDF_PED/hiperbilirrubinemia.pdf

[2] Enfermería Neonatal (2008 – Octubre). Número 004. Ictericia en el recién nacido. Lic. Guillermina

Chattás.

[3] PRONEO – Programa de Actualización en Neonatología (2000). Manejo del Recien Nacido con

Hiperbilirrubinemia, Modulo Nº 2. En esta técnica es la terapéutica de elección (pp. 141-177).

Editorial Panamericana. Buenos Aires, Argentina.

[4]: Jeffrey Maisels, M.;McDonagh, Antony F. (2008). Fototerapia para la ictericia neonatal. Revista

del Hospital Materno Infantil Ramón Sardá, Vol. 27, Núm. 3, sin mes, pp. 100-111. Asociación de

Profesionales del Hospital Materno Infantil Ramón Sardá. Argentina.

[5]: Medix I.C.S.A. (2005). Unidad de Fototerapia - Tubos Fluorescentes – Mod. LU-6T. Manual de

Usuario y Servicio Técnico.

[6]: Gor, S. R. (1991). Medidor Digital Autorrango de Fotocorriente. Departamento de Luminotecnia,

Luz y Visión. UNT. Argentina.

[7]: Descripción General del PIC16F877. UMSNH-FIE 2005. www.microchip.com - 2001 Microchip

Technology Inc.


http://contacto.med.puc.cl/pediatria/PDF_PED/hiperbilirrubinemia.pdf

http://www.microchip.com/

medidor de potencia radiante para unidades de fototerapia · bebés prematuros son más propensos a...

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