REVISTA INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
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Ingeniería inversa aplicada a un dispositivo de ventilación mecánica con
presión positiva CPAP
Katherine Molina Cabrera
1
; Christian Sánchez León
2
; Diego Núñez
Nuñez
3
; Cesar Arroba Arroba
4
1
Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica,
Ambato, Ecuador, e-mail: kv.molina@uta.edu.ec
2
Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica,
Ambato, Ecuador, e-mail: cv.sanchez@uta.edu.ec
3
Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica,
Ambato, Ecuador, e-mail: df.nunez@uta.edu.ec
4
Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica,
Ambato, Ecuador, e-mail: ch.arroba@uta.edu.ec
DOI: https://doi.org/10.31243/id.v16.2022.1801
Resumen
El alto impacto a nivel mundial ocasionado por el COVID-19 cambió la rutina
cotidiana a un estilo de vida completamente diferente, donde se requiere una
respuesta médica rápida, por esta razón, mediante el estudio denominado
“CPAP SAMAY UTA – UCL” a través de adaptaciones e innovaciones la
construcción de un dispositivo de soporte ventilatorio no invasivo, por medio de
la aplicación de ingeniería inversa. En el cual se replica el modelo CAD
desarrollado por el University College de Londres denominado “UCL VENTURA”
como patrón inicial para realizar el análisis de su funcionamiento; luego se
determina los componentes con el objetivo de identificar aquellos que deban
sufrir grandes cambios ya sean dimensionales como en los materiales. Una vez
identificados dichos elementos (entrada de oxígeno y soporte) se procede con el
redimensionamiento y cálculos de momento de apriete necesario para colocar
las válvulas y elementos de entrada y salida de flujo. Finalmente, mediante el
mecanizado por CAM, se fabrica el prototipo más económico, pequeño y de fácil
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manipulación, cuya presión de oxígeno a la entrada es de cuatro bares y a su
salida entrega una presión positiva de hasta 20 mmH2O que ingresa a las vías
respiratorias mediante una mascarilla oronasal.
Abstract
The high global impact caused by COVID-19 has changed the daily routine to a
completely different lifestyle, where a rapid medical response is required, for this
reason, through the project called "CPAP SAMAY UTA - UCL" through of
adaptations and innovations the construction of a non-invasive ventilatory
support device, through the application of reverse engineering. In which the CAD
model developed by the University College of London called "UCL VENTURA" is
replicated as an initial pattern to perform the analysis of its operation; then the
components are determined in order to identify those that must undergo major
changes, both dimensional and material. Once these elements have been
identified (oxygen inlet and support), we proceed with the resizing and
calculations of the tightening moment necessary to place the valves and flow inlet
and outlet elements. Finally, by means of CAM machining, the most economical,
small and easy-to-handle prototype is manufactured, whose oxygen pressure at
the inlet is four bars and at the outlet delivers a positive pressure of up to 20
mmH2O that enters the airways through an oronasal mask.
Introducción
La gran crisis tanto de salud como económica que se vive a nivel mundial y
que se ha dado en pocos meses ha sido consecuencia de la transmisión
pandémica del denominado SARS CoV-2 que causa la enfermedad por
coronavirus 2019 COVID-19 (L.Ferrer,2020).
Palabras clave:
CPAP, COVID-19, ventilación mecánica, presión positi-
va, mascarilla oronasal, ingeniería inversa
Keywords:
CPAP, COVID-19, mechanical ventilation, positive
pressure, oronasal mask, reverse engineering.
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A finales del 2019, varios pacientes ingresaron a distintos hospitales con brotes
de neumonía en Wuhan (China) y al poco tiempo fue reportado un nuevo
Coronavirus, el cual hace que se produzcan alteraciones en el sistema
respiratorio, como edema pulmonar, neumonía severa o dificultad respiratoria
aguda en los pacientes que lo portan. De los pacientes infectados por Covid-19
aproximadamente el 19% de ellos presentarán la necesidad de oxigenoterapia
como soporte respiratorio ya sea por medio de ventilación invasiva como no
invasiva (L.Ferrer,2020).
Gran parte del tratamiento en torno a la pandemia de la enfermedad por COVID-
19 se ha centrado en la ventilación invasiva (a través de un tubo endotraqueal o
traqueotomía) de pacientes gravemente enfermos y en medio de las crecientes
preocupaciones de los profesionales médicos sobre los daños asociados con la
ventilación invasiva, existe interés en explorar el papel de la ventilación con
presión positiva no invasiva (VPPNI) en el tratamiento de la insuficiencia
respiratoria hipoxémica aguda (AHRF) y el síndrome de dificultad respiratoria
aguda (SDRA) debido a COVID-19.
La ventilación mecánica invasiva (VMI) abarca la entubación del paciente,
mientras que la no invasiva (VNI) ocupa diferentes métodos ventilatorios como
la presión positiva continua en las vías respiratorias (CPAP) o la oxigenoterapia
de alto flujo (OAF). Por el evidente hecho de que la pandemia ocasionada por
COVID-19 va más allá de la capacidad del sistema de salud, es necesario llevar
a que esas técnicas se apliquen de manera temprana para evitar la entubación
o el ingreso a las unidades de cuidados intensivos (UCI).
Dado que la CPAP es más fácil de usar que dentro de la VNI, está más disponible
y necesita menos experiencia, esta técnica podría ofrecerse como terapia de
primera línea en pacientes seleccionados, en particular cuando los recursos son
limitados o si no hay acceso inmediato a la ventilación invasiva.
Es así que en la presente investigación muestra la adaptación e innovación de
un dispositivo CPAP aplicando ingeniería inversa para su construcción, partiendo
desde un análisis del diseño mediante computador (CAD), la determinación de
materiales, funcionamiento, creación de piezas, ensamble y finalmente pruebas
de funcionamiento. Este dispositivo proporciona una presión positiva de aire a
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través de la mascarilla y hacia las vías respiratorias, lo que ayuda a mantenerlas
abiertas.
Metodología
Investigación bibliográfica
El presente estudio se basa en toda la literatura correspondiente a la pandemia,
equipos médicos, dispositivos, prototipos, patentes de presión positiva en
fuentes como libros, artículos, revistas e investigaciones que ayudaron a tener
una mejor noción sobre el dispositivo médico y sus aplicaciones en pacientes.
El ventilador de IMT MEDICAL se controla por microprocesadores para la
ventilación e interfaz de usuario, también está diseñado para varias condiciones
de los pacientes tratados, pantalla táctil y también cuentan con varios modos de
ventilación incluyendo la CPAP, tiene control de horas de servicio, modo
automático y manual, sistemas neumáticos (H.D.A, 2020).
Existen también modelos más especializados como el Cf 800 es para terapias
para adultos y niños con peso desde 3 kg, dispositivo para apoyar la respiración,
no tiene monitoreo, las fallas son detectadas por posibles malfuncionamientos
(Enremedical, 2020).
Investigación técnica/ experimental
Al utilizar la Ingeniería inversa se realiza un análisis exhaustivo de cada parte
para ir de lo general a lo especifico, esto permite que se genere este proceso
para adaptar los componentes del dispositivo y que se encuentre al alcance de
las conexiones, materiales, herramientas, procesos de fabricación, pruebas
según la realidad nacional. (R.Kacmarek, 2011)
Las partes rediseñadas fueron la entrada de aire para ello se selecciona la
mejor alternativa por que cumplía con todas las características técnicas
requeridas. La opción seleccionada fue un acople roscado el cual costa de
cinco partes conexión al CPAP, conexión a la manguera, seguro, empaque y
o-ring, con este conjunto se procedió a realizar el primer prototipo de prueba.
Mediante este análisis, se realizaron pequeños cambios acorde a los
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resultados obtenidos, y mecanizando un acople definitivo, realizando la prueba
final, y con resultados positivos. (A. Slutsky, 2011)
Una vez aprobados los diseños se realiza los cálculos para su fabricación,
se realiza el dispositivo y se lo somete a pruebas para obtener datos que se
puedan comparar con los obtenidos del original, al igual que pruebas físicas.
Esto con el fin de recrear el dispositivo CPAP con los procesos para recrear el
aparato con los requerimientos necesarios, realizando las pruebas de
funcionamiento, consolidando así una base para los dispositivos CPAP.
Investigación descriptiva
El estudio se desarrolla mediante la descripción de las partes y mecanismos
del prototipo, siendo primordiales para su posterior fabricación, con planos en
dibujo asistido por computadora con dimensiones y materiales. En él se detalla
mediante planos de dibujo de todas las partes del dispositivo, con tolerancias,
acabado, y datos que puedan identificar todos los detales de diseño mediante
el uso de software. (C. Naranjo, 2020)
Diseño al detalle
Esta etapa es importante pues se consideró todas las características
técnicas del dispositivo CPAP y que se repliquen o mejoren el diseño
propuesto, para ello se analizó las alternativas para el dispositivo, material,
partes, funcionamiento, un diseño adaptando a los requerimientos del mercado
nacional todo esto por medio de Ingeniería inversa, con expectativas de futuras
producciones a gran escala.
La presente investigación se desarrolló ligada a dos proyectos investigativos:
uno de ellos analizó el flujo mediante CFD en software y el otro diseño y creó
la máquina para la deformación de tubos hipodérmicos.
Ingeniería la inversa
Mediante un análisis del sistema, se identifica todos los componentes
originales, realizando un estudio para determinar su material, funcionamiento,
factibilidad de fabricación y conexión, con un análisis regresivo, desde el
ensamble general a cada parte, transformando las partes que no se adaptan a
las condiciones actuales de los hospitales. (M.Echeverri, 2020)
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Rediseño
Se comprueba en primera instancia que la mayoría de las partes originales
del dispositivo CPAP. Sin embargo, las partes que se enlistan a continuación
necesitaron un rediseño para su construcción.
Figura 1
Dispositivo CPAP original
• Entrada de aire:
Su diseño original no se adapta a los accesorios de conexión para las
tomas de aire de los hospitales, por este motivo se realizaron cambios
adaptando a las necesidades hospitalarias del Ecuador, el diseño final
cuenta con cinco partes incluyendo el conector al dispositivo, el acople a
la manguera de oxígeno, el seguro, empaque y o-ring, conjunto que brinda
en total la entrada de aire del dispositivo.
• Cuerpo central:
Para el rediseño de este elemento se llevó a cabo un análisis mecánico
de fluidos computacional (CFD) (M.Echeverri, 2020) en el cual se comparó
el diseño original y el rediseño el cual tiene dimensiones reducidas, en
este análisis se determinó que la mezcla de aire y oxígeno no resulta
afectada tanto en flujo como en porcentaje de FiO
2
, esto se demostró
tanto en el software como en el prototipo realizado.
• Soporte:
Para la sujeción del dispositivo se realizó un modelo versátil en el cual se
monta en el cuerpo del CPAP de forma permanente. Este diseño cuenta
con un perno de acero inoxidable con cabeza hexagonal que se inserta
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en el cuerpo del dispositivo, se asegura por medio de una tuerca de acero
inoxidable que se encuentra incrustado en el cuerpo evitando
movimientos fuera del lugar, cuenta con una tuerca para el ajuste con el
soporte metálico y un seguro autoblocante para evitar la pérdida de alguno
de estos elementos.
• Salida de flujo:
Este elemento se vio forzado a cambiar su longitud debido a la reducción
realizada al cuerpo central, sin embargo, su funcionalidad y acabados no
se vieron afectados. como calibrador pie de rey micrómetro y rugosímetro.
Materiales
Los materiales elegidos por medio de una selección acorde a los parámetros
necesarios para el dispositivo, son: acero inoxidable 304 y poliacetal. A cada
elemento del prototipo CPAP se le ha asignado una denominación “GIN”
seguida de un número, para identificarlas con facilidad más adelante, en el
siguiente capítulo, se muestra una tabla con la imagen de cada parte y su
designación. Las partes GIN 15756, GIN 1736, GIN 1761, GIN 1762, GIN1767,
GIN 1791, GIN1792, GIN 1768 fueron realizadas en acero inoxidable, y las
partes GIN 1794, GIN1741, GIN 1758, GIN1759, GIN 1808 fueron realizados
en el polímero poliacetal blanco.
Para los accesorios se realizó una selección, adquiriéndolos en el mercado
ecuatoriano, encontrándose de acuerdo a los parámetros de diseño acorde a
las medidas de cada parte de los elementos del CPAP.
Fabricación
Se determina el tipo de maquinaria a utilizar, entre las que se encontraban el
torno de tres ejes, centro de mecanizado torno y fresadora de 3 ejes,
dobladora, taladro de banco. En el proceso de mecanizado se realiza por
arranque de viruta por medio de giro de la pieza y con el uso de una
herramienta de corte, esta se desplaza de manera horizontal, entra en contacto
con la pieza y empieza con la eliminación del material, este proceso puede ser
manual o automático siendo estos últimos programados mediante códigos.
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Los acabados dependieron del material, tipo de maquinaria, herramienta,
velocidad de corte, lubricación, y otros factores que inciden en los resultados.
Todos estos analizados para obtener piezas con los mejores terminados.
Ensamble
Con todos los elementos ya mecanizados, el ensamble de todas las piezas
y accesorios se los definió por los parámetros calculados y las herramientas
para el montaje, según el manual de ensamble y los protocolos adecuados.
Las herramientas para montaje se adquirieron en el mercado y se fabrica una
herramienta especial para el montaje y desmontaje de dos elementos del
dispositivo.
Pruebas
Para realizar las pruebas se emplearon protocolos del dispositivo original el
cual incluye varias partes y mediante el banco de pruebas se obtuvo datos
tanto del dispositivo original como los de prototipo mecanizado. Esta
metodología tiene varias etapas las cuales debe culminarse para empezar la
siguiente las cuales constan a continuación.
Resultados
Al aplicar la Ingeniería inversa del dispositivo presión positiva CPAP, se efectuó
el análisis de las partes, la selección de materiales, se modelaron las partes
mediante software y se rediseñaron parte de ellas.
Mediante cálculos de ajustes, cálculo de resistencia, análisis de esfuerzos por
medio de modelados, factor de seguridad, análisis de material, métodos de
fabricación, cálculos de mecanizado, todo esto para para adaptar un dispositivo
al contexto nacional.
Geometrías originales
La geometría original es parte del proyecto de UCL-Ventura, la imagen a
continuación contiene las partes originales proporcionadas por los propietarios
del dispositivo.
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Figura 2
Dispositivo CPAP de UCL Ventura
Las especificaciones del dispositivo original se muestran:
Tabla 1
Especificaciones de CPAP
Especificación
Rango
Especificación
Rango
Dispositivo
CPAP UCL -
Ventura
Dimensiones
158 x 140 x 48 mm
Peso
495 gr
Rango de operación
temperatura
Temperatura: de 0 a
40 ⁰C
Rango de operación
humedad:
Humedad: de 0 a
95% RH
Presión de entrada
4 ±0.25 bar
Flujo
5.5 LPM a 60 LPM
Con el análisis y modelado se determinó que las partes que debían ser
modificadas para adaptarse al contexto ecuatoriano fueron las siguientes:
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Tabla 3
Partes rediseñadas
Parte
Esquema
Entrada de
oxígeno
Salida de flujo
Cuerpo central
Soporte
Selección de alternativas para la entrada de oxígeno
Con todas las propuestas analizadas se procedió a realizar una selección
según cuatro parámetros estos son: material, conexión, seguridad al operar y
costo, permitieron seleccionar la mejor alternativa la cual fue la propuesta
número 7.
Tabla 4
Selección de alternativas
Propuesta
Material
Facilidad
de
conexión
Seguridad
Costo
Total
1
1
1
1
0
3
2
1
1
0
1
2
3
1
1
1
0
3
4
1
0
1
1
3
5
0
1
1
1
3
6
1
0
1
1
3
7
1
1
1
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Descripción de séptima propuesta
Este elemento definitivo cuenta con cinco partes, la parte número 1 es el
acople este se conecta al cuerpo del CPAP, la parte dos es el conector a la
manguera de oxígeno, la parte tres es el seguro que se conecta a la parte
número 1, la parte 4 y 5 es el empaque y el o-ring respectivamente, que en
conjunto con la parte dos fungen de sello para el conducto ya que esta parte
no es roscada.
Detalles del diseño: La primera parte se tomó del diseño original el GIN 1756
del dispositivo original y su geometría interna. Tomando en cuenta estos dos
parámetros se diseñaron los elementos restantes a continuación se detalla la
realización de cada parte.
Selección de alternativas para el soporte
Con todas las propuestas analizadas se realizó la selección de las alternativas
tomando en cuenta cuatro parámetros estos son: material, montaje, seguridad al
fijar el prototipo y costo, permitieron seleccionar la mejor alternativa la cual fue la
propuesta número 4.
Tabla 5
Selección de alternativas
Propue
sta
Material
Montaj
e
Fabricación en
serie
Segurid
ad
Cos
to
Total
1
1
0
0
1
0
2
2
1
1
0
1
1
3
3
1
1
1
0
0
3
4
1
1
1
1
1
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Descripción de la cuarta propuesta
Este diseño se basó en la propuesta anterior, la cual, mediante algunas mejoras
consideradas, brindó todos los parámetros de seguridad requeridos.
Figura 3
Propuesta 4
Geometrías rediseñadas
Entrada de oxígeno:
Se plantearon diseños tanto para adquirir las piezas para la conexión,
como para fabricarlas, al ser una parte tan importante fue necesario un
análisis exhaustivo, tanto de las configuraciones como de los diseños, así
como de la funcionalidad de estos, siendo el fin de esta parte conectarse a
la red hospitalaria sin inconvenientes. Entre las propuestas de encontraban
la adquisición de accesorios. Por medio del análisis de algunas propuestas
desarrolladas se determinó un diseño final para el prototipo que se compone
del acople, el conector a la manguera de oxígeno y el seguro.
Figura 4
Esquema de diseño final
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Salida de flujo:
Al igual que los demás elementos analizados este elemento cambio
debido al rediseño del cuerpo central, no fue necesario un cambio en los
chaflanes, redondeos y conductos internos, sino en su longitud, por esta
razón y según el análisis de la investigación de análisis en CFD se
determinó que no existe cambio de la cantidad de flujo, por lo que se
modeló en el software.
Cuerpo central:
Por medio del análisis de flujo realizado en la investigación “Análisis del
flujo de fluidos de un dispositivo mecánico generador de flujo de presión
positiva CPAP usado como alternativa en el tratamiento de pacientes con
COVID 19 mediante fluidodinámica computacional CFD” (M. Echeverri,
2011), se determinó cambios en la geometría, esto fue una reducción en
la distancia longitudinal del cuerpo con ello no mostraron variaciones en
la cantidad del flujo comparado al diseño original. Se mantuvieron,
además, todas las demás dimensiones como: la entrada de las válvulas,
entrada y salida de aire y tapón con sus respectivos chaflanes, redondeos
y roscado.
Soporte:
El soporte original fue fabricado mediante inyección, sin embargo, para el
presente proyecto se plantearon otras alternativas que se puedan adaptar
al dispositivo, entre estas se consideraron las opciones que permitan la
fabricación en serie y materiales compatibles, por ello este diseño se
encuentra en el cuerpo del dispositivo y por medio de un perno pasante
se conecta al soporte de tubo como se observa en la siguiente figura.
Figura 5
Diseño final
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Resultados del par torsor en los elementos cpap:
Los cálculos realizados se hicieron en los elementos que tienen una rosca para
acoplarse al cuerpo central, necesario para que estos no salgan de la
compresión y evitar fugas, en la tabla 4, se muestran el momento torsor para
colocar cada elemento:
Tabla 6
Resultados del par torsor
Elemento
Par
torsor
Válvula ON OFF
5,73 Nm
Válvula de ajuste de flujo
1,1 Nm
Válvula de ajuste de
oxígeno
1,1 Nm
Elemento salida de flujo
6,37 Nm
Tapón
1,08 Nm
Elemento de entrada de
oxígeno
5,73 Nm
Acople de manguera
9,09 Nm
Diseño de planos:
Se realizaron planos de cada elemento del dispositivo rediseñado,
esperando que este prototipo, que ya es realizable en el contexto ecuatoriano,
se produzca para seguir combatiendo las deficiencias ocasionadas por la
pandemia del COVID-19.
Selección de materiales
En cuanto a los materiales del dispositivo CPAP de UCL Ventura se utilizaron los
siguientes:
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Tabla 7
Materiales de dispositivo de CPAP UCL Ventura
N⁰
Partes
Materiales
1
GIN 1794, GIN 174,
GIN 1758, GIN 1759
Tecaform AH
MT Black
2
GIN 1756, GIN 1736,
GIN 1761, GIN 1762,
GIN 1765, GIN 1766,
GIN 1767, GIN 1791,
GIN 1792, GIN 1768,
Acero
Inoxidable 316
3
GIN 1808
Lupital F20
Accesorios
4
BIC 0054, BIC0059,
BIC 0060, BIC 0055
Acero
inoxidable
5
O-Ring
Fluorcarbonato
Según los parámetros del diseño se debe seleccionar materiales que sean
compatibles con la finalidad del dispositivo es decir uso medicinal, por tal motivo
y con este tipo de análisis se investigó sobre la disponibilidad en el mercado
ecuatoriano, entre las alternativas que se tiene en el mercado.
Análisis en software
Para los valores encontrados anteriormente y mediante el uso de software se
encontraron resultados de tensiones (von Mises), desplazamientos y factor de
seguridad en la válvula ON/OFF, para la válvula de flujo, de la válvula de oxígeno,
Tapón de perforación transversal y del tapón de perforación.
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Figura 6
Factor de seguridad en la válvula On/Off
Mecanizado
Para el proceso de mecanizado y después del modelado, se analizó las piezas
en software en donde se realiza la simulación de acuerdo a la forma, material,
acabado. Lo primero que se realizó fue el proceso de análisis, en el programa y
seleccionar los parámetros adecuados. Primero se colocó la pieza en posición
para poder formar el perfil que se va a mecanizar.
Herramientas de corte
Para obtener la mayor exactitud se seleccionó las herramientas de corte
adecuadas, las cuales se encuentran normalizadas, varían según el ángulo,
forma y material, en este caso se utilizó una plaquita de torneado para acero
inoxidable, fueron apropiadas para controlar la fricción y el calor por el
mecanizado.
Fabricación
Con todos los anteriores métodos analizados, seleccionados, rediseñados,
calculados y verificados, se procedió a realizar la fabricación en las máquinas
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seleccionadas. Y como era necesario probar los cambios realizados en los
rediseños se elaboró un primer prototipo para realizar las pruebas
correspondientes.
Proceso
En la siguiente tabla se mostrará el proceso de mecanizado de los elementos.
Tabla 8
Proceso de mecanizado
Alcance
Materiales
Proceso
Fabricación de
partes
Torno y
fresadora CNC
Colocar la herramienta en la
torreta.
Ubicación de material en bruto
y centrado.
Ingreso de códigos en panel de
control.
Posicionamiento de cero.
Procesamiento de códigos y
movimientos.
Remoción de pieza de torno
Pruebas de funcionamiento del dispositivo CPAP rediseñado
Las pruebas de funcionamiento se realizaron por medio de un banco de pruebas,
el cual se esquematiza a continuación. No se utilizó en pacientes.
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Figura 7
Test en banco de pruebas
El dispositivo finalizado se muestra en la siguiente imagen.
Figura 23
Prototipo CPAP adaptado al contexto ecuatoriano
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Protocolo de inspección
Para las pruebas el suministro de oxígeno debe ser de 4 bar ± 0,25 y la válvula
PEEP con 10cm H2O. La primera prueba realizada fue para verificar el
funcionamiento básico. Este protocolo permite realizar un control de calidad
midiendo las características del dispositivo.
Tabla 9
Protocolo de inspección
Test Tipo de test
Válvula
ON/OFF
Válvula control
de flujo
Válvula
control de
FiO2
Resultado
óptimo
A Ausencia de flujo cerrada cerrada cerrada
Flujo < 0,3
L/min
B
Mínimo oxígeno
disponible
calibración flujo
máximo
abierta Cerrada cerrada Oxígeno < 32%
C
Mínimo oxígeno
disponible a 60
L/min
abierta 60 ± 3 L/min cerrada Oxígeno < 36%
D
Máximo oxígeno
disponible a 30
L/min
abierta 30 ± 3 L/min abierta Oxígeno > 70%
E
Fugas de flujo
(purga de flujo)
cerrada cerrada cerrada
Flujo < 0,3
L/min
Test de rendimiento
Las pruebas realizadas brindaron datos, en donde variaba el flujo y la
concentración de oxígeno. Con esto se realizó una gráfica en donde se puede
observar que el prototipo se mantiene dentro de rango de funcionamiento.
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Christian Sánchez León
Diego Núñez Nuñez
Cesar Arroba Arroba
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Figura 24
Curva de funcionamiento
Discusión
Como alternativa al tratamiento de COVID 19, se diseñó y construyó mediante
ingeniería inversa un dispositivo mecánico ventilatorio basado en el modelo de
la UCL y adaptando al contexto ecuatoriano; para garantizar la ingeniería inversa
se debe mejorar o igualar las características del modelo original es así que los
materiales seleccionados para su realización el A304 y POM suplen esta
necesidad al ser compatibles con el tacto humano, el poliacetal resulto ser un
material con un buen comportamiento en el mecanizado mientras que los
elementos realizados en acero inoxidable y con detalles muy finos resultaron
más complicados de mecanizar puesto que requieren tiempos más largos y
condiciones herramentales específicas.
- La exploración del dispositivo CPAP original y de las fuentes bibliográficas
permitieron determinar el funcionamiento del mismo, en este ingresa oxígeno
con una presión de hasta 4 bares y pasa por distintas cámaras controladas por
válvulas de alta precisión las cuales controlan el flujo y la fracción de aire que
inspirará el paciente, así mismo y dentro del CPAP, el oxígeno pasa por un tubo
hipodérmico que le genera un efecto Venturi, incrementando su velocidad y
permitiendo la entrada de aire del exterior a través de un orificio diseñado para
el caso. El dispositivo diseñado y construido cumple ampliamente la tarea de
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proporcionar una mezcla de oxígeno y aire a presión constante de hasta 20
mmH2O a través de una mascarilla, esta presión ayuda a abrir las bases de los
pulmones y llevar el oxígeno al torrente sanguíneo del paciente.
- Tomando como base el dispositivo original de la UCL y mediante un análisis de
Ingeniería Asistida por Computadora, así como la consideración de
especificaciones, normas, reglamentos y materiales, se adaptó el diseño al
contexto ecuatoriano diseñando válvulas, elementos de entrada y salida,
roscados y tapones; realizando los principales cambios en la entrada de aire, en
la longitud del cuerpo central y adaptando un soporte pasante en la sección
transversal del cuerpo que permite al usuario ubicarlo con facilidad en un
pedestal sin que ninguno de estos cambios afecten a la funcionalidad del
prototipo.
- La construcción del prototipo permitió validar los valores obtenidos previamente
en software. Una vez realizados los planos de diseño y seleccionados los
materiales alternativos (A304 y POM) los cuales suplen las necesidades del
dispositivo medico en el mercado nacional, se llevó a cabo la manufactura de los
componentes mediante procesos de mecanizado CAM alcanzando los acabados
superficiales e internos requeridos. Así también, los cálculos de par de apriete
cuyos valores oscilan entre 1,08 y 9,09 N-m (dependiendo del componente)
fueron necesarios para acoplar las válvulas al cuerpo central una vez estén
ensamblados.
- Finalmente, mediante pruebas de campo, se concluye que el prototipo funciona
bajo los parámetros esperados: no existen fugas al estar todas las válvulas
cerradas y el oxígeno ingresando; el valor de FiO2 es menor al 32% con la
válvula de flujo abierta al máximo; el valor de FiO2 es menor a 36% cuando existe
un caudal de 60LPM y el valor máximo de FiO2 con 30LPM es mayor al 70%.
Estos valores dan razón al diseño realizado en software de análisis de fluidos
(CFD) realizado por la investigación conjunta a la presente.
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Cesar Arroba Arroba
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Agradecimientos
Los autores agradecen a la Embajada Británica en Ecuador y a la Dirección de
Investigación y Desarrollo de la Universidad Técnica de Ambato. Resolución
UTA-CONIN-2020-0306-R
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