REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN

VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO PROGRAMA: MAESTRÍA DE INGENIERÍA DE CONTROL Y

AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS

SISTEMA MÉDICO ASISTENCIAL DE AUTORREGULACIÓN DE OXIGENO POR MONITOREO NO INVASIVO, BASADO EN LÓGICA

DIFUSA.

Trabajo presentado como requisito para optar al Grado de Magíster en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos.

Autor: Ing. Adalberto Ospino C C.I. 7.144.305

Tutor: M.Sc. Gabriel Villa Hómez

C.I.: 13.296.434

Maracaibo, Enero de 2013.

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VEREDICTO

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DEDICATORIA

Quiero dedicarle este trabajo A Dios que me ha dado la vida y fortaleza

para terminar este proyecto de investigación, A mis Padres por estar ahí

cuando más los necesité; en especial a mi madre por su ayuda y

constante cooperación y A mi Esposa por apoyarme y ayudarme en los

momentos más difíciles.

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AGRADECIMIENTO

Al M.Sc. Gabriel Villa por su gran orientación en la asignatura de

investigación II Y III, y por estar siempre dispuesto a colaborarme y

resolver todas mis dudas durante todo el desarrollo de la maestría.

Al Médico especialista en Anestesiología Gustavo Corrales por

orientarme y colaborarme a pesar de corto tiempo libre, gracias por

conducirme a este logro y estar dispuesto siempre a ayudarme.

A la Ph.D. Carmen Romero por sus grandes aportes en la

asignatura seminario de investigación I que me permitieron elaborar una

propuesta que culminó con la consecución de los objetivos planteados

desde un inicio.

Al Ph.D. Marcos De Armas por ser siempre un amigo, apoyarme y

asesorarme durante todo el transcurso de la maestría.

A mis compañeros y amigos que siempre estuvieron dispuestos a

colaborarme brindándome su apoyo.

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ÍNDICE GENERAL

VEREDICTO ............................................... ¡Error! Marcador no definido. DEDICATORIA .......................................................................................... iii AGRADECIMIENTO .................................................................................. iv ÍNDICE GENERAL ..................................................................................... v LISTA DE GRAFICOS ............................................................................. viii LISTA DE CUADROS ................................................................................ x RESUMEN ................................................................................................. xi ABSTRACT ............................................................................................... xii INTRODUCCION ....................................................................................... 1 CAPÍTULO EL PROBLEMA .......................................................................................... 3

1.Planteamiento del problema ................................................................ 3 2.Formulación del problema ................................................................... 4 3.Objetivos de la investigación ............................................................... 4 4.Justificación de la investigación ........................................................... 5 5.Delimitación de la investigación. .......................................................... 7

MARCO TEORICO .................................................................................... 8

1.Antecedentes de la investigación ........................................................ 8 2.Bases teóricas ................................................................................... 12 3.El Oxígeno en el Gas Atmosférico ..................................................... 13 4.El Oxígeno en el Gas Alveolar ........................................................... 15 5.Presión parcial de oxígeno (PO2) ...................................................... 17 6.Oxigenoterapia .................................................................................. 21 7.Administración ................................................................................... 22 7.1. Sistemas de Administración........................................................... 22 7.2. Métodos de Administración............................................................ 25 8.Precauciones y Riesgos de la Administración de Oxígeno Suplementario....................................................................................... 28 8.1. Toxicidad del Oxígeno ................................................................... 28 8.2. Depresión de la ventilación ............................................................ 31 8.3. Retinopatías del Prematuro ........................................................... 31 8.4. Atelectasias por Absorción ............................................................ 32 9.Sistemas de Control .......................................................................... 33 9.1. Control a lazo abierto ..................................................................... 34 9.2. Control a lazo cerrado ................................................................... 35

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10.Controladores .................................................................................. 36 10.1. Controlador PID ........................................................................... 37 11.Principios de lógica difusa ............................................................... 40 11.1. Control difuso............................................................................... 41 11.1.1. Funciones de membresía ......................................................... 42 11.1.2. Proceso de fuzificación ............................................................. 43 11.1.3. Reglas difusas .......................................................................... 44 11.1.4. Inferencia en la lógica difusa .................................................... 45 11.1.5. Defuzificación ........................................................................... 45 11.1.6. Método del centro de áreas ...................................................... 46 12.Sistema de Variables ....................................................................... 47 12.1. Definición conceptual .................... ¡Error! Marcador no definido.7 12.2. Definición operacional ................................................................. 48

MARCO METODOLÓGICO ..................................................................... 52

1.Tipo de Investigación ......................................................................... 52 2.Diseño de la Investigación ................................................................. 53 3.Población y Muestra .......................................................................... 54 4.Procedimiento de la investigación ..................................................... 55 4.1. Fase 1. Estudio diagnóstico del funcionamiento de regulación de oxígeno. ................................................................................................ 56 4.2. Fase 2. Identificación de variable asociada al funcionamiento de regulación de oxígeno. ......................................................................... 56 4.3. Fase 3. Modelación matemática de válvula asociada al funcionamiento de regulación de oxígeno. ........................................... 57 4.4. Fase 4. Desarrollo del control difuso para regulación de oxígeno. 57 4.5. Fase 5. Validación del control Difuso. ............................................ 58

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ................................................ 59

1.Modelado de la curva de disociación de hemoglobina ...................... 59 2.Modelado de la válvula de control ..................................................... 71 2.1.Sintonización del controlador mediante Ziegler-Nichols ................. 73 2.2.Simulación del proceso de la válvula de control en Matlab............. 75 3.Función de transferencia del transmisor de Flujo .............................. 76 4.Especificaciones del sistema de control lógico difuso ....................... 77 4.1.Primera entrada: error .................................................................... 78 4.2.Salida: Movimiento del blender ....................................................... 80 4.3.Reglas difusas ................................................................................ 80 5.Simulación del Sistema a Lazo Cerrado ............................................ 83 6.Simulación para diferente valores de Saturación de Oxigeno (SO2) . 86

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CONCLUSIONES .................................................................................... 88 RECOMENDACIONES ............................................................................ 91 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 92 ANEXOS ANEXO A ................................................................................................. 96 ANEXO B ................................................................................................. 97 ANEXO C ................................................................................................. 98 ANEXO D ............................................................................................... 101

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LISTA DE GRAFICOS

Grafico 1. Cambio de la PiO2 respecto a la presión barométrica ............ 17 Grafico 2. Curva de Severinghaus. .......................................................... 18 Grafico 3. Desplazamiento de la curva de Severinghaus......................... 21 Grafico 4. Diagrama de un sistema de control. ........................................ 34 Grafico 5. Diagrama de bloque lazo de control abierto. ........................... 35 Grafico 6. Diagrama de bloque lazo de control cerrado. .......................... 35 Grafico 7. Obtención de los parámetros según el método de Ziegler y Nichols. .................................................................................................... 39 Gráfico 8. Esquema general del control difuso ........................................ 42 Gráfico 9. Funciones de membresía ........................................................ 43 Grafico 10. Funcionamiento de un sistema difuso Tipo Mamdani. ........... 44 Grafico 11. Método de desdifusificación de Centro de Area(COA). ......... 46 Grafico 12. Relación entre la saturación de O2 y PaO2 .... ¡Error! Marcador no definido. Grafico 13. Entorno de Toolbox de ajuste de curvas con MATLAB. . ¡Error! Marcador no definido. Grafico 14. Ajuste de función matemática................................................ 62 Grafico 15. Entorno programa valor Flujo Aire y Oxigeno ........................ 65 Grafico 16. Bloque del sistema de Modelo matemático ........................... 66 Grafico 17. Subsistemas del bloque principal del modelo. ....................... 67 Grafico 18. Subsistemas Curva de Saveringhaus. ................................... 68 Grafico 19. Subsistemas para cálculo del Nuevo FiO2............................. 68 Grafico 20. Oxigeno Vs FiO2. ................................................................... 69 Grafico 21. Entrada FiO2 salida Flujo de Oxigeno.................................... 70 Grafico 22. Subsistemas de la cantidad de Aire y Oxigeno. .................... 70 Grafico 23. Comportamiento de la válvula en lazo abierto. ...................... 71 Grafico 24. Cruce del 0.632% lpm de la válvula. ..................................... 72 Grafico 25. Parámetros PID. .................................................................... 74 Grafico 26. Sistema a lazo cerrado con PID. ........................................... 75 Grafico 27. Función de Transferencia del Transmisor. ............................ 76 Grafico 28. Transmisor simulado en SIMULINK. ..................................... 77 Grafico 29. Sistema de inferencia difuso.................................................. 78 Grafico 30. Funciones de membresía primera entrada. ........................... 79 Grafico 31. Funciones de membresía de la salida. .................................. 80 Gráfico 32. Ventana para visualizar las reglas. ........................................ 82 Grafico 33. Superficie del sistema de control. .......................................... 82 Grafico 34. Sistema lazo cerrado Control difuso Oxigeno. ...................... 83 Grafico 35. Respuesta controlador difuso O2. .......................................... 84 Grafico 36. Respuesta controlador difuso Aire. ........................................ 84

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Grafico 37. Respuesta difusa en la salida del blender (FiO2). .................. 85 Grafico 38. Modelo deautorregulación de FiO2 completo. ....................... 85

Grafico 39. Respuestas del sistema a un valor de 94% SO2. .................. 87 Grafico 40. Paciente con valores estables. .............................................. 87 Grafico 41. Características de la válvula Teknocraft 202316. .................. 97 Grafico 42. Sistema del modelo matemático paciente. ............................ 98 Grafico 43. Subsistemas de análisis de datos FiO2, PaO2 y SO2. .......... 98 Grafico 44. Modelo matemático que analiza el nivel de flujo del Aire y Oxigeno y lo relaciona con un FiO2. ......................................................... 99 Grafico 45. Modelo matemático para analizar FiO2 Vs PaO2 ................... 99 Grafico 46. Modelo matemático que analiza el PaO2 para saber el nivel de SO2 alcanzado. ...................................................................................... 100

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LISTA DE CUADROS

Cuadro 1. Fracción Inspirada de Oxigeno con dispositivos de bajo y Alto flujo. ......................................................................................................... 24 Cuadro 2. Regla de sintonía Ziegler y Nichols ......................................... 39 Cuadro 3. Operacionalización de la variable............................................ 50 Cuadro 4. Calculo de FiO2 a partir de la mezcla de Aire Vs Oxigeno ..... 64 Cuadro 5. Relación mezcla de gases Vs FiO2 ......................................... 64

xi

Ospino Castro Adalberto jose. Sistema médico asistencial de autorregulación de oxigeno por monitoreo no invasivo, basado en lógica difusa. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Programa de Maestría en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos. Diciembre, 2012.

RESUMEN

El objetivo de esta investigación es el diseño de un sistema de control de autorregulación de oxigeno suministrado a pacientes en los centros hospitalarios. Mediante lógica difusa para controlar el suministro de oxígeno y aire necesario con el propósito de optimizar el proceso de la mezcla de los dos gases y hacer una entrega exacta de la fracción inspirada de oxígeno (FiO2) para poder alcanzar los niveles estables de Saturación de Oxígeno. Se desarrolla un modelo matemático donde se establece los niveles de oxígeno y aire necesarios para lograr la mezcla del FiO2 teniendo en cuenta los niveles de Saturación de Oxigeno (SO2) del paciente. Para el desarrollo del sistema de autorregulación de Oxigeno se identificó una válvula de control proporcional para aplicaciones médicas; se utiliza Matlab/Simulink para simular el comportamiento dinámico de la válvula asociada al sistema. La investigación es del tipo factible y se desarrolla en cuatro fases: estudio diagnóstico del funcionamiento de regulación de oxígeno, identificación de las variables, modelación matemática de la válvula, desarrollo del control difuso y validación del control diseñado. Estas fases se apoyan en un diseño de campo documental. El instrumento utilizado para la validación de los diseños es la simulación. Al incorporar el controlador en un sistema de suministro de oxígeno se evita y/o disminuyen significativamente algunos estados de deficiencia de oxígeno en la sangre que incurren en hipoxia cerebral que ocurre cuando no llega suficiente oxígeno al cerebro, además de algunos efectos tóxicos de oxígeno. Con los resultados obtenidos se comprueba la efectividad de la lógica difusa para sistemas no lineales como es el caso de un sistema de autorregulación de oxígeno.

Palabras Claves: lógica difusa, autorregulación de oxígeno, Fracción Inspirada de oxígeno, saturación de oxígeno.

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Ospino Castro Adalberto Jose. Health care system of self-regulation of oxygen by non-invasive monitoring, based on fuzzy logic. Dr. Rafael Belloso Chacin University. Masters Program in Control Engineering and Process Automation. December, 2012.

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ABSTRACT

The objective of this research is to design a control system of self-regulation of oxygen given to patients in hospitals. Using fuzzy logic to control the supply of oxygen and air necessary in order to optimize the mixing of the two gases and make accurate delivery of inspired oxygen fraction (FiO2) in order to achieve stable levels of Oxygen Saturation . A mathematical model is developed which provides the levels of oxygen and air mixture needed to achieve the given FiO2 levels of oxygen saturation (SO2) of the patient. For the development of self-regulatory system was identified Oxygen proportional control valve for medical applications using Matlab / Simulink to simulate the dynamic behavior of the valve associated with the system. Research is the type feasible and is developed in four phases: diagnostic performance study of oxygen regulation, identification of variables, mathematical modeling of the valve, development of fuzzy control, designed control validation. These phases are supported by documentary field design. The instrument used for the validation of the designs is the simulation. By incorporating the controller in a oxygen supply system is prevented and / or significantly reduce some states of oxygen deficiency in the blood that incur cerebral hypoxia occurs when not enough oxygen to the brain, plus some toxic effects of oxygen. With the results obtained is checked for effectiveness of fuzzy logic for nonlinear systems such as a self-regulation system of oxygen.

Keywords: fuzzy logic, self-regulation of oxygen, inspired fraction of oxygen, oxygen saturation.

1

INTRODUCCION

Los sistemas de control hoy en día han asumido un papel cada vez

más importante en el desarrollo de la civilización moderna y la

tecnológica; Prácticamente, cada aspecto de las actividades de nuestra

vida diaria está afectado por algún tipo de sistema de control; Debido a

que los avances en la teoría y la práctica del control automático aportan

los medios para obtener un desempeño óptimo de los sistemas

dinámicos, mejorar la productividad, aligerar la carga de muchas

operaciones manuales repetitivas y rutinarias, así como de otras

actividades.

El punto de partida en el análisis de un sistema de control es su

representación por un modelo matemático del proceso que se quiere

estudiar obtenidos de forma teórica o experimental, generalmente como

un operador entre entradas y salidas del sistema, o como un conjunto de

ecuaciones diferenciales, a partir de estos modelos se pueden usar

métodos o estrategias de control para obtener sistemas de control para

los mismos.

La lógica difusa o borrosa como se le llama también, como parte de

la inteligencia artificial es una de esas estrategias para el control que

últimamente está siendo muy utilizada en la ingeniería, sobre todo porque

no es un algoritmo matemático, sino lingüístico al que se le asocia la

2

solución de problemas en los que no se tiene bien definido las fronteras

de los cambios ocurridos en un proceso, a estos cambios se les da el

nombre de conjuntos difusos, por ejemplo en los procesos de temperatura

no se tiene una definición ni lógica, ni física, ni matemática, de en cuántos

grados, la temperatura se cataloga como fría, tibia o caliente, ya que sería

muy subjetivo definir un rango para cada estado, lo mismo ocurre con

muchos sistemas como el estudiado en el presente trabajo de

investigación, el cual es un sistema de autorregulación de oxígeno que se

pretende controlar, haciendo uso de la lógica difusa.

En el capítulo I se realiza el planteamiento global del problema, se

enumeran los objetivos que se persiguen con el estudio en específico, así

como también se da el criterio de justificación y delimitación del estudio.

En el capítulo II se enmarca teóricamente la investigación, se

presentan los antecedentes y su relación con este tema, se define el

sistema de variables y se conceptualiza todo los términos relacionados

con el mismo.

En el capítulo III se describe la metodología que se sigue para el

desarrollo del estudio, asociando el tema a un tipo de investigación

específica.

En el capítulo IV se muestran todos los resultados obtenidos a lo

largo de la investigación, sobre los cuales se realizarán las Conclusiones

y Recomendaciones en la sección subsiguiente. Y por último se muestran

las Referencias Bibliográficas y los Anexos que complementan la

información acerca de la investigación.