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CONSTRUCCIÓN DE UNA INCUBADORA NEONATAL CON SISTEMA DE ENERGIA ALTERNATIVA Resumen En la actualidad, uno de los problemas sociales que sufre la población en general, es la alta tasa de mortalidad infantil, pese a que en la actualidad se han incrementado diferentes centros de salud con presupuestos públicos y privados asignados, dentro del territorio boliviano. Bajo este escenario, a pesar que se incrementaron los servicios de salud en Bolivia, cada año mueren en promedio 2.800 bebés prematuros, es decir siete al día, según datos del Ministerio de Salud. Existen algunas políticas gubernamentales como es la estrategia de “madre canguro”, lael mismao que consiste en que la madre permanece al lado del bebé el mayor tiempo posible, además si se observamenciona qué si un bebé necesita oxígeno, estese le es administrado con una mascarilla mientras 33duerme sobre el pecho de su madre. Ante este hecho, debemos considerar que la salud es un aspecto importante y prioritario para todos, por lo cual la universidad UTEPSA con la carrera de Ingeniería Eelectrónica y de S sistemas, realizó la primera fabricación de una incubadora neonatal para bebes prematuros. Este equipo muestra un control de las principales variables de condiciones climatizadas en un recinto térmic o;o, así mismo, la estructura presenta un panel de control para observar y controlar su funcionamiento, además por la importancia del suministro de energía continua, la misma, está conectada a un panel solar el mismo cual que proporciona la energía suficiente para la su operación del mismo y donde el paciente puede cumplira con la rehabilitación controlada por especialistas. Finalmente, dentro de este proyecto se muestra la factibilidad de los costos financieros, además del conocimiento científicotecnológico donde la meta es contribuir con conocimientos y dar soluciones inmediatas al tema de salud partiendo de la ciencia.

Introducción Dentro del ciclo de la vida, existen diferentes factores endógenos y exógenos que pueden alterar diferentes situaciones reales en el desarrollo del ser humano. En este entendido, debemos comprender que a pesar que el ser humano se adapta a las condiciones del medio ambiente, existen diferentes patrones físicos, químicos y biológicos que alteran el reloj de la vida. Por esta razón, debemos tomar en cuenta que él organismo biológico puede producir una aceptación o rechazo de diferentes fenómenos que ocurren en el organismo, por ejemplo: Un problema que se tienen desde hace mucho tiempo en el continente sud americano es la mortalidad infantil y neonatal., Een este entendido, según las revisiones bibliográficas podemos mencionar que: “ Las muertes maternas y neonatales, como expresión máxima de las complicaciones del embarazo, parto y puerperio, aún constituyen un grave tema de salud pública en América Latina y el Caribe (ALC). A pesar de ser un problema altamente evitable y de haber sido reducido en forma considerablemente en algunos países, en otros (y en algunas áreas vulnerables al interior de los países) se ha progresado poco, y por tanto continúa siendo una agenda inconclusa. El embarazo y el parto no son enfermedades, pero tienen riesgo de complicación, especialmente durante el proceso de parto. Las urgencias maternas son sumamente difíciles de predecir, por lo cual todas las mujeres necesitan acceso a los cuidados obstétricos esenciales. La adopción de las medidas necesarias para lograr un nacimiento seguro pueden disminuir significativamente el riesgo de complicación y muerte de la madre y el recién nacido. A su vez, el período neonatal (especialmente inmediatamente después del nacimiento) representa el momento más vulnerable y crítico del primer año de vida. [ CITATION Org17 \l 16394 ] Bolivia es una nación pluricultural y de una geografía rica en la naturaleza. Los individuos del país buscan salir adelante con diferentes aspectos culturales. Con el incremento de la densidad poblacional los gobernantes han creado diferentes políticas económicas y sociales para que losel habitantesgobernado puedan tener los accesos básicos principales dentro de su región de vida como es el caso de agua y electricidad, entre otros principalmente. A pesar de las importantes mejoras en los indicadores de salud materno-infantil de Bolivia en los últimos años, las cifras permanecen dentro de las peores de la región. No se podrán cumplir los Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM) relacionados con la salud y las desigualdades en materia de salud se han incrementado, mostrando que o y las poblaciones rurales e indígenas están cada vez más lejos de alcanzar estos objetivos. De acuerdo con los últimos datos reconocidos por las Institucionesel Gubernamentalesobierno, en 2003, la tasa de mortalidad materna era de 229 por cada 100.000 nacidos vivos. Los datos del Censo de 2012 muestran que el 67% de los nacimientos fueron atendidos en centros de salud, en comparación con el 53% en 20012. Además, un 9% de las mujeres adolescentes entre 15 y 18 años ya eran madres, en comparación con el 10% en 20013, y un 18% de las mujeres jóvenes de entre 15 y 19 años estaban embarazadas. Las mujeres indígenas tienen cuatro veces más riesgo de sufrir complicaciones durante el embarazo, parto y postparto que las mujeres que viven en la ciudad, con cifras de un 64% y un 15%, respectivamente. Hay una gran brecha en

la salud materna entre los diferentes departamentos, cuya población es mayoritariamente indígena. [ CITATION Uni17 \l 16394 ]. Ante estos hechos desarrollados dentro del país, la salud puública lamentablemente no cuenta con la infraestructura necesaria para cubrir todas las necesidades básicas y enfrentar el problema de la mortalidad neonatal a nivel de las ciudades capitales y peor aún en las zonas del área rural. Uno de los problemas más críticos que sufren los centros de salud es en la parte de instrumentación pediátrica como, por ejemplo; la carencia de las incubadoras que permiten mejorar y controlar los signos vitales del recién nacido en condiciones inestables y/o prematuras. La importancia de las incubadoras en un centro de salud, juegan un rol determinante en la etapa de los primeros días del recién nacido, el cual es muy vulnerable a contraer diferentes problemas en las funciones fisiológicas y patológicas, y más aún en las zonas del área rural donde no existen las condiciones apropiadas de instrumentación y energía eléctrica. Además, se debe tomar en cuenta que actualmente una incubadora con características particulares dentro del mercado comercial, es muy difícil de acceder por los precios elevados y tardanza en la entrega inmediata a los centros de salud, sumándose a esta la extensa burocracia que existe en las adjudicaciones por la gestión gubernamental nacional y/o departamental. Con este antecedente, la Universidad Tecnológica Privada de Santa Cruz “UTEPSA” que cuenta con carreras estratégicas para el desarrollo y formación de recursos humanos, además de tener una misión emprendedora para servir a la sociedad, realizó un primer trabajo prototipo en la construcción de una incubadora neonatal con características técnicas particulares. De esta manera , el presente trabajo se focaliza en el objetivo social de minimizar el problema de la mortalidad neonatal por ausencia de equipos principales para la rehabilitación y cuidado del recién nacido, con la implementación de una incubadora de funcionamiento electrónico automatizado y generado por energía solar. Este equipo es una muestra de las capacidades que tiene la institución en el área del conocimiento de la ciencia y tecnología, además de demostrar el alto grado de compromiso de la institución con la sociedad. Desarrollo. A partir de las definiciones técnicas y bases del conocimiento podemos mencionar que una incubadora es un reciento o ambiente donde se controla principalmente la humedad y temperatura de manera adecuada. Para el cuomplimiento del objetivo de este proyecto, se cuantifica n los valores de la temperatura y humedad oscilantes en el tiempo, así mismo se analizanó los diferentes componentes electrónicos requeridos para la construcción de una placa madre, en donde se constituye por diferentes circuitos combinados. Cada componente electrónico, está debidamente descrito en el manual de usuario (DATA-SHET, en inglés), con todas sulas características técnicas. Por medio del sistema de control de lazo cerrado PID (Control Proporcional Integral y Derivativo), se llega a mantener el estado estable de las variables requeridas por el equipo y de esta manera se logra la eficiencia del circuito de control, donde el sistema de control nos permite correlacionar las variables oscilantes en el tiempo dentro de la incubadora. Para establecer las condiciones óptimas en la construcción de la incubadora neonatal se tomaronó en cuenta aspectos técnicos en el consumo de energía, donde la potencia requerida por el circuito electrónico debe cumplir parámetros nominales y de rectificación en las señales de entrada. Con este fin, se propone el siguiente diagrama de bloques para la implementación de la incubadora neonatal:

Figura 1: Diagrama de Bloques de la Incubadora Neonatal

Bloque de Sensores: Constituidos por los sensores de temperatura y humedad, estos son los que continuamente están censando las variables fundamentales de ingreso al bloque de control. Para este bloque, se utilizó el sensor digital DHT22, que determina simultáneamente la temperatura y humedad con alta fiabilidad., Eeste dispositivo electrónico está constituido internamente por un sensor capacitivo de humedad y un termistor para medir el aire circundante, donde muestra los datos mediante una señal digital en el pin de datos, y la lectura se hace por un solo hilo de comunicación serial propia del dispositivo;, así mismo, este sensor presenta un registro de datos cada 2 segundos, lo que origina una mayor perspectiva en el análisis al tiempo de la operación de las variables. Su función en la incubadora neonatal es de enviar señales de la Temperatura Ambiente, Temperatura Neonatalal y de la Humedad Relativa Iinterna de la incubadora. Bloque de Teclado: Dentro de las condiciones de la entrada electrónica, el equipo presenta diferentes pulsadores para programar los valores de máximos (MAX) y mínimos (MIN), registros en las variables de la humedad relativa (R_H), la temperatura ambiente (T_A), y la temperatura del neonatal (T_N). También está constituido por interruptores que activan el control de la resistencia calefactora, ya sea por la temperatura neonatal o ambiente y el seleccionador del nebulizador de Humedad Relativa. Así mismo este está constituido por un pulsador, que permite el paso de la corriente eléctrica. Todo este bloque permite tener un buen control en las variables dentro de la incubadora, ya que la misma debe presentar óoptimas sincronizaciones para el buen funcionamiento del equipo. Bloque de Visualización: Dentro de las características electrónicas principales de la incubadora neonatal, es importante visualizar los cambios que sufre la temperatura y humedad. Para este fin, se utilizó el dispositivo electrónico “displays” de siete segmentos, el mismo que permite representar los valores en tiempo real de las variables estudiadas. Bloque de Potencia: Dentro del sistema electrónico un aspecto muy importante que se debe analizar es el bloque de potencia, el mismo que controla la tensión y el flujo de la corriente necesaria para el circuito, la misma que está constituida por: Optoacoplador MOC3021, que es un dispositivo de acoplamiento óptico, que se basa su funcionamiento en el empleo de un haz de radiación luminosa, para pasar señales de un circuito a otro. La función principal del MOC3021 en el circuito de potencia es de aislar la corriente baja de 5V DC (corriente continua) con la señal eléctrica 220V AC (corriente alterna) de la incubadora, que es lael que controla la resistencia calefactora a

través de un TRIAC, que está constituido por tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente. En este circuito también se utilizó el transistor TIP31C., Eeste componente es fundamental e imprescindible en cualquier circuito electrónico que realiza las funciones de estabilizaciones de tensión o corriente, y se encarga de activar loas motoreventiladoras de refrigeración y ventilación de la incubadora. Otro dispositivo es la resistencia calefactora que tiene la función de transformar la energía eléctrica en energía térmica (calor), lael mismao que es imprescindible para calentar la cúpula del interior de la incubadora, la capacidad de consumo de corriente para esta es de 220V AC y 400W. Finalmente, el equipo está constituido por un nebulizador ultrasónico. , eEl funcionamiento de este dispositivo se realizaes a través de una frecuencia alta mediante un zumbador, que pulveriza el agua convirtiéndola en vapor de agua, lael cualmismo que acondicionaráa el recinto con una determinada humedad, con el objetivo de mantener al neonato en un ambiente cuasi-ideal al de la madre. Bloque de Control: Este bloque es el sistema principal del equipo, que se encarga de analizar y controlar todas las acciones principales de la incubadora neonatal, ella mismoa que opera con corriente directa y con energía solar. El sistema está compuesto por un microcontrolador lógico (PIC 16f876A), que se programó con un código de acuerdo a las necesidades, la capacidad de corriente en cada uno de los pines de los puertos en modo sumidero (sink) es de 25 mA y en modo fuente (source) es de 20 mA. La máxima capacidad de corriente total de los puertos conformado s por Tipo A en el Sumidero es de 80 mA y Tipo B 150 mA y en el modo fuente para el tipo A es 50 mA y en el Tipo B 100 mA, donde internamente está constituido por un oscilador de frecuencia que acciona el buen funcionamiento del microcontrolador. El regulador 7805 aplicado al bloque de control, es un dispositivo electrónico que regula el voltaje a 5V, donde el mismo puede soportar en la entrada un voltaje hasta 15V y una corriente de 1A máximo. Con todas estas características señaladas los circuitos de control serán:

(a)

(b)

Figura 2: Circuitos electrónicos de (a) Control Humedad Relativa (b) Control de Temperatura

Resultados Una vez establecido el diseño de todos los componentes electrónicos , es importante calibrar los sensores de temperatura y de humedad, para lo cual se utilizó como referencia la estación meteorológica-UTEPSA, ela mismoa que presenta un sensor calibrado por la marca DAVIS, donde con este se cotejo por comparación el grado de error e incertidumbre de medida que tienen los sensores de la incubadora. Una vez realizada las pruebas de error de medidas, se diseñó un método experimental en donde se observó el comportamiento temporal de las variables internas y externas de la incubadora neonatal., Een este sentido, en la siguiente Fifigura 3, se muestran las curvas de registro de datos de manera estadística.

Figura 3: Comportamiento de la Temperatura vs Tiempo, interna y externao de la incubadora.

Para este análisis, un factor predeterminante fue el de controlar la temperatura ambiente, ella mismao que es una variante oscilante en el tiempo por las condiciones del medio y de la región., Een este entendido, el comportamiento de esta se ajusta a un parámetro cuasi-lineal (ajuste de curva de color azul), en el tiempo y permite controlar mejor la transferencia de energía al sistema cerrado, por lo cual en este tiempo de experimentación la temperatura está cuasi constate en el valor promedio de 25 °C, permitiendo trabajar más a los sensores internos para climatizar el recinto de la incubadora. Al inicio del funcionamiento electrónico de la incubadora, se debe tener un tiempo de 30 minutos promedio (dependiendo de la temperatura ambiente), para estabilizar el recinto interno de la incubadora neonatal, donde la temperatura y la humedad estén dentro de los parámetros requeridos. Este comportamiento de inicio como se muestra en la Ffigura 3 (curvas de ajuste de verde y amarillo), deben ser controlado cuidadosamente por el personal de electro-medicina, teniendo cuidado en los

tiempos donde llega a una estabilización requerida y controlada en los fenómenos de transferencia de energía cuando el clima está por encima de los 30 °C. Asimismo, se debe tomar en cuenta que el equipo propuesto tiene un funcionamiento de estabilidad de 45 minutos, pasado este tiempo la temperatura ira disminuyendo,, Een esta situación actúan los controladores programados en el bloque de control por un lazo cerrado, que activan y desactivan el calentador, el nebulizador, los ventiladores de extracción de aire caliente, y ventiladores de filtro constante, donde de esta manera intervienen para estabilizar y climatizar el recinto de la incubadora, teniendo cuidado en la transferencia de energía externa a la incubadora entrando en operación el Set Point y el análisis interno de las histéresis de temperatura; quienes definirán cuánto tiempo necesita operar el sistema para mantener estable el mismo. Dentro del sistema de operación, la histéresis es un aspecto muy importante para el tema de control en el sistema. Eestae origina un periodo de relajación en el todo el circuito, lo cual permite un control adecuado en el consumo de energía que es de 140WH (Watts por hora), donde el flujo del consumo de energía está concentrado en la resistencia calefactora y en el nebulizador. Se analizó el periodo de tiempo que transcurre pPara que el equipo entre en una periodofase de descanso y en una estabilidad térmica, se analizó el periodo del tiempo con el motivo de cuidar el sistema electrónico y las corrientes estáticas que pueden ser un problema para la placa como para el entorno del sistema. Como se puede observar en la Ffigura 3, el periodo de relajación electrónica tiene un tiempo prolongado mayor a los 30 minutos, este comportamiento polinómico nos hace entender que los sensores tienen una disipación térmica de manera gradual. Es significativo también mencionar que la incubadora cuenta con un sistema de alimentación de energía solar, el mismo que permite tener una alternativa para el consumo de energía alternativa., Ppara esta situación se analizó el tiempo de Horas Pico Sol (HPS), en la estación meteorológica-UTEPSA, el mismo que muestra la potencia de radiación solar incidente dentro del área de experimentación, en la Figura 4el siguiente recuadro:

Figura 4: Incidencia de la Radiación Solar estación meteorológica UTEPSA.

Como se puede observar,describir el comportamiento de la radiación solar es oscilante en la medida del tiempo, este comportamiento muestra que las HPS, tienen su máximo

en las horas de 10:00 a.m. hasta las 16:00 pm. dando una mayor garantía para el funcionamiento de los paneles solares que fueron implementados a la incubadora neonatal. Para mantener la temperatura adecuada dentro de la cúpula de la incubadora, se aplicó en la construcción un material de policarbonato el mismo que concentra la temperatura adecuada y una geometría donde los flujos de calor encuentren el equilibrio térmico. L, la cúpula cuenta también con orificios y sistemas de cuidado y manipulación del neonato. En este entendido, el prototipo de equipo neonatológico terminado, se presenta en la Fsiguiente figura 5:.

Figura 5: Prototipo de Incubadora Neonatal fabricadao en el Lab.oratorio de Electrónica-UTEPSA.

Conclusiones Bajo la problemática planteada, el presente trabajo se focalizó en la construcción de una incubadora neonatal, con un equipamiento electrónico comercial, donde la principal tarea es el desarrollo del conocimiento científico-tecnológico. Los criterios de funcionalidad de este trabajo toman en cuenta los principios fundamentales de la electrónica con un mecanismo de diseño, control y programación en los diferentes componentes electrónicos. La incubadora presenta un diseño acorde a las necesidades requeridas por los especialistas en neonatología, así mismo esta cumple con diferentes estructuras que permiten posicionar los diferentes elementos electrónicos para suel buen funcionamiento y para una buena operación en el control de las variables, como: la temperatura, humedad y el sistema de ventilación que proporciona el umbral correspondiente para la oxigenación y las transferencias de energía por ...