bomba de infusão peristáltica

UNIVERSIDADE DO VALE DO PARAIBA – UNIVAP
FACULDADE DE ENGENHARIAS ARQUITETURA E URBANISMO – FEAU
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO - ENGENHARIA ELÉTRICA/ ELETRÔNICA
BOMBA DE INFUSÃO PERISTÁLTICA
Aluno: Leandro de Lima Azevedo
Orientador: Marcio Tadeu de Assis Honorato Muella
São José dos Campos, 10 de Dezembro de 2012.
1
RESUMO
No cotidiano médico hospitalar, principalmente no que diz respeito à Unidade de Terapia
Intensiva (UTI), é comum a necessidade de um controle maior na administração de fluidos
como, medicamentos ou até mesmo alimentos. Nesse contexto, a precisão no controle é
indispensável, surgindo, assim, a exigência de procedimentos adequados para infusão de tais
fluidos. A bomba de infusão é um equipamento que proporciona infusão constante e é
controlada pelo operador de acordo com o que for desejado. Esse controle maior oferecido
pela infusora permite sua utilização em situações onde a infusoterapia deve atender a
requisitos como: erro menor que 5% durante a inserção de medicamentos, paciente sob
restrição hídrica, proteção contra oclusão, bolhas de ar e interrupção repentina de infusão. O
presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um protótipo microcontrolado que
proporcione eficiência e precisão na infusão de medicamentos.
Palavras chave: Bomba de Infusão, eficiência e microcontrolador.
ABSTRACT
Everyday in the hospital, mainly regarding to the Intensive Care Unit (ICU) is common the
need for greater control in the administration of fluids as drugs or even food. In this context,
accuracy control is necessary, appearing, therefore, the requirement of adequate procedures
for infusion of such fluids. The infusion pump is an infusion device which provides constant
and is controlled by the operator according to what is desired. This greater control offered by
infusion allows its use in situations where infusion therapy must meet requirements such as:
error of less than 5% during insertion of medication, patient under water restriction, protection
against occlusion, air bubbles and sudden infusion interruption. This study has a goal to
develop a prototype microcontroller that provides efficiency and accuracy in drug infusion.
Keywords: Infusion pump, efficiency and microcontroller.
INTRODUÇÃO
A bomba de infusão é utilizada principalmente em Unidades de Terapia Intensiva (UTI)
onde é comum a necessidade de um controle maior na administração de medicamentos.
Historicamente, os métodos de infusão foram sofrendo várias adaptações, desde o método
manual, por meio de injeções, criado após a descoberta da circulação sanguínea pelo médico
britânico Willian Harvey durante o século XVI, em Londres. Na ocasião, demonstrou
claramente que o coração era o órgão central do sistema, que dependia da propulsão do
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sangue para as artérias e, depois, o seu retorno pelas veias, ate o ponto de partida, bem como
com a produção da primeira agulha hipodérmica e do primeiro procedimento de transfusão
sanguínea feita em animais no século XVII por Richard Lower, em Oxford, no ano de 1665
(OLIVEIRA, 2010).
A bomba de infusão é um equipamento que realiza a infusão constantemente e é
controlada conforme os parâmetros desejados pelo operador. Esse controle permite sua
utilização em situações onde a infusoterapia deve atender os seguintes requisitos: erro menor
que 5% durante a infusão do medicamento, paciente sob restrição hídrica, proteção contra
oclusão, e bolhas de ar. No caso de bombas de infusão peristáltica, foco deste estudo, seu
funcionamento é similar ao sistema digestório humano. Assim, um tubo maleável (geralmente
de silicone), por onde passará a solução a ser infundida no paciente, sofrerá sucessivos
esmagamentos por roletes dispostos em volta de um rotor, que ao rotacionar, permitirá o
deslocamento desses roletes e, consequentemente, o movimento do líquido no tubo. Esse
processo ocorrerá de forma segura, precisa e sem contaminações, além de ser constante por
não haver variações nas taxas de infusão e vazão indesejáveis ao operador. Um sistema de
controle envolvendo um microcontrolador fará a administração minuciosa da vazão do fluido
pelo tubo de soro. O equipo utilizado para infusão de alimentos possui características
diferentes em relação ao equipo de infusão de soro, portanto, o projeto foi focado somente ao
equipo de soro. A bomba de infusão desenvolvida utiliza componentes de fácil acesso no
mercado nacional, minimizando, assim, os custos (AREDES, 2005).
O equipamento desenvolvido é composto por um microcontrolador ARM (Advanced
Risc Machine), motor de passo para o controle de vazão, teclado para executar as funções
predeterminadas e um visor gráfico de cristal líquido com resolução de 128x64.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para o desenvolvimento deste projeto tornou-se necessário fazer uma análise crítica,
um estudo de qual microcontrolador deveria ser usado devido à complexidade do projeto por
utilizar um sistema de acionamento do motor de passo juntamente para interfacear um display
gráfico. A princípio cogitou-se a hipótese de se utilizar um MSP430 da Texas Instruments,
porém este microcontrolador não é muito utilizado para acionar dispositivos que consomem
correntes elevadas, sendo assim, optou-se por utilizar um microcontrolador mais avançado
3
que suporta esses tipos de cargas, além de obter maior velocidade de processamento do que o
MSP430.
1. O microcontrolador ARM
O microcontrolador ARM (Advanced Risc Machine) é uma arquitetura de processador
de 32 bits, é usado principalmente em sistemas embarcados e é muito conhecido pela sua
versatilidade por possuir poucas instruções para programação (COLLEMAN, 2007). Ele é do
tipo RISC (Reduced Instrustion Set Computer) – Computador com conjunto de instruções
reduzidas, ou seja, é um processador que favorece um conjunto simples e pequeno de
instruções que levam aproximadamente a mesma quantidade de tempo para serem executadas.
A maioria dos microprocessadores modernos é do tipo RISC, já os microprocessadores
utilizados em desktops são do tipo CISC onde possuem um número muito maior de instruções
do que o RISC. É muito encontrado em aplicações de controle industriais e em sistemas
médicos.
1.1. Características:
O microcontrolador ARM possui as seguintes características:
o Microcontrolador RISC 16/32 bits;
o 32kb RAM estática e 512kb de Flash para programa;
o 2 canais de 8 bits para AD de 10 bits que são convertidas em até 2.44us;
o 2 Timers de 32bits;
o Clock de 30 – 50 MHz e RTC (Real-Time Clock) de baixo consumo alimentação
independente;
o Múltiplas interfaces seriais: 2 UARTS, 2 Fast I²C bus, SPI, SSP;
o Controladores de vetores de interrupções com prioridades configuráveis;
o 47 pinos de I/O com tolerância de 5V e até 9 pinos de interrupção externa sensíveis
a borda ou nível;
o Modos de economia de energia: “Idle e Power down”.
4
1.2. Diagrama de Blocos:
Figura 1: Diagrama de Blocos do ARM.
5
1.3. Sistema de Memória do ARM LPC 2368:
O microcontrolador ARM LPC2368 inclui um sistema de memória Flash com capacidade de
512kB. Esta memória pode ser usada para o armazenamento de programa (código) e dados,
sua programação pode ser realizada de várias maneiras inclusive por sistema via porta serial.
O programa pode ser apagado e/ou escrito na memória Flash enquanto a aplicação estiver
sendo executada possibilitando um alto grau de flexibilidade para armazenamento de dados.
1.4. Sistema de mapeamento de memória do ARM:
Figura 2: LPC2364/65/66/67/68
6
2. Dual Full – Bridge driver L298N:
Figura 3: Dispositivo acionador do motor de passo (Multiwatt15).
Além do microcontrolador ARM, outro componente indispensável é o driver utilizado para o
acionamento do motor de passo. É um dispositivo de alta tensão e alta corrente projetado para
aceitar o padrão de níveis lógicos TTL e acionar cargas indutivas, tais como: relés, solenoides,
motores DC e motores de passo. Possui proteção contra altas temperaturas, altamente imune a
ruído, tensão de saturação baixa e, também, possui transistores internamente com os seus
emissores, de cada ponte, interligados e, externamente, é conectado um resistor de
sensibilidade. Cada saída do dispositivo (OUT1, OUT2, OUT3 e OUT4) é conectada à uma
bobina do motor de passo, já as entradas (IN1, IN2, IN3 e IN4), são conectados ao pino do
microcontrolador para que possa ser feito o acionamento bit a bit. Os terminais Enable A e
Enable B são colocados em nível lógico 1 (alto) para que seja habilitado ambas as pontes. A
Figura 4 mostra o diagrama interno do driver L298N.
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Figura 4: Dual Full – Bridge Driver, L298N, diagrama interno.
Os resistores Rsa e Rsb fazem a conexão entre o pino e o GND para controlar a
corrente da carga. O driver é alimentado por duas tensões diferentes onde, no pino 4 (+Vs) é
aplicada a tensão mais alta podendo chegar até 50V. O capacitor conectado entre o pino e o
GND serve para eliminar ruídos externos. O pino 9 (+Vss) é a tensão lógica, podendo chegar
até 7V e também deve ser colocado um capacitor de filtragem.
8
Figura 5: Estágio de acionamento do motor de passo.
3. Display Gráfico 128 x 64:
Todos os parâmetros de volume, vazão e tempo são mostrados através de um monitor gráfico
com resolução 128 x 64 (Figura 6) interfaceado com o microcontrolador ARM LPC2368 onde
o mesmo foi programado em linguagem C utilizando a biblioteca padrão do display gráfico. A
partir desta biblioteca, foram desenvolvidas rotinas para que houvesse comunicação entre
homem e máquina. Para o acionamento do display, foi necessário conectar os seus pinos de
dados nos terminais de entrada e/ou saída do microcontrolador e a sua alimentação.
Figura 6: Display Gráfico 128 x 64 (OPTREX).
9
Na alimentação do dispositivo, Figura 7a, foi colocada uma tensão proveniente do transistor
de efeito de campo (MOSFET), FDG 6323 (Integrated Load Switch), cuja função é fornecer
uma tensão chaveada de 5 Volts nos pinos 2 e 19 (Vcc) do display acionando-o. Ele é um
dispositivo utilizado em aplicações onde se necessita de um gerenciamento mínimo de energia
e a tensão de entrada pode variar de 2,5 a 8 Volts com corrente de 0,6 Ampères. Este
dispositivo eletrônico compõe, em seu interior, um MOSFET (Q1) do tipo N que alimenta um
MOSFET de potência (Q2) do tipo P, Figura 7b.
Figura 7a: Estágio do acionamento do display com alimentação chaveada.
Figura 7b: Conexão interna do FDG 6323 (Integrated Load Switch).
O diagrama esquemático do FDG 6323, na Figura 7, mostra a conexão para a presente
aplicação. O pino 5 (Von/Voff) do circuito integrado é conectado ao pino P2(6) do ARM onde
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fará o acionamento do mesmo comutando-se o nível lógico na saída, pinos 2 e 3 (Vout,C1). O
pino 4 (Vin,R1), dreno do MOSFET (Q2), é conectado diretamente à alimentação externa de 5
Volts. No pino 6 é conectado um resistor de polarização alimentado por um tensão de 5 Volts.
Figura 7: Estágio de tratamento da tensão de alimentação de 5V com o FDG6323.
Todas as conexões externas são feitas para polarização dos dois MOSFET’s que vão garantir
um bom desempenho.
4. J-TAG:
Na placa de circuito impresso, foi colocado um estágio de gravação do microcontrolador
ARM onde se tem um conector com seus pinos interligados aos pinos de gravação do
microcontrolador (Figura 8). Este conector foi feito com o objetivo principal de realizar a
gravação do microcontrolador já soldado, fixado na placa.
Para o processo de gravação, é utilizado o dispositivo ARM-JTAG-EW, um gravador capaz de
transferir o código em linguagem C do software IAR Embedded Workbench para o
microcontrolador. De acordo com o manual do dispositivo, devem-se ter algumas precauções
com relação à eletrostática, onde o mesmo não deve ser submetido a altos potenciais
eletrostáticos, devendo, assim, trabalhar com dispositivos antiestáticos quando trabalhar com
o ARM-JTAG-EW.
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Figura 8: Conexão do J-TAG ao microcontrolador ARM LPC2368.
O dispositivo ARM-JTAG-EW na Figura 9 tem um padrão de conector USB que exige um
padrão de cabeamento USB A-B para conexão com o computador.
Figura 9: Conector USB A-B Padrão.
A descrição dos pinos do conector JTAG é mostrada na Tabela 1.
12
Tabela 1: Descrição dos pinos do JTAG.
Pino
Sinal
Direção
1
UTG
I
Descrição
Tensão de referência. A placa deve conectar ao
barramento de alimentação do MCU que aciona o
pino JTAG. Possui resistência de entrada de 4kΩ.
2
UTG,2
I
A placa deve conectar o barramento de
alimentação que aciona o pino JTAG.
3
nTRST
4
GND
-
5
TDI
O
6
GND
-
7
TMS/SWDIO
O
8
GND
-
9
TCK/SWCLK
O
10
GND
-
11
RTCK
I
12
GND
-
13
TODO/SWO
I
14
GND
-
15
nSRST
16
GND
-
17
NC
-
18
GND
-
19
UTGPWR
O (Open
Drain)
JTAG TAP reset. ARM-JTAG-EW tem um
resistor de 100Ω em serie com a saída. Saída
acionada com dreno aberto.
Terra.
Entrada de dados. Possui um resistor de 100Ω em
serie com esta saída.
Terra.
Modo Seleção JTAG e Entrada/Saída de dado
serial. ARM-JTAG-EW tem um resistor de 100Ω
em serie com a saída.
Terra.
Clock JTAG e Clock Serial. ARM-JTAG-EW tem
um resistor de 100Ω em serie com a saida.
Terra.
Retorno de clock JTAG. ARM-JTAG-EW tem um
resistor de 100Ω em série com a saida.
Terra.
Saída de dados seriais e saída de dados do JTAG.
ARM-JTAG-EW possui um resistor de 100Ω em
serie com a saida.
Terra.
O (Open
Drain)
O
Sistema de reset do dispositivo. ARM-JTAG-EW
tem um resistor de 100Ω em série com a saída.
Terra.
No Connection
Terra.
Tensão de alimentação proveniente do dispositivo
ARM-JTAG-EW. Alimentação é dada pela USB e
é chaveada por um transistor MOSFET. Tem um
resistor de 4kΩ conectado entre este pino e o
GND (Terra).
13
20
GND
-
Terra.
Cada pino descrito na Tabela 1 pode ser visto onde está localizado no conector JTAG (Figura 10). Este
conector possui um guia que auxilia na conexão evitando a ligação invertida entre dispositivos. Ele é
utilizado para gravação de microcontroladores ARM e MSP430.
Figura 10: Conector JTAG.
5. Motor de Passo (Step Motor)
Um dos principais componentes do projeto tem como função principal controlar a vazão de
fluido que passa pelo tubo plástico do equipo de soro. O motor de passo possui uma precisão
muito grande do seu movimento. É utilizado onde é necessário o controle de inúmeras
rotações, tais como impressoras, drivers de disquete e sistemas de automação industrial e
robótica. O passo que este motor pode dar equivale ao menor deslocamento angular para o
qual está projetado, e o número de passos depende do número de pólos que o seu rotor possui.
No seu interior há estatores (Figura 11) formados por bobinas que geram, quando percorridos
por uma corrente elétrica, o campo magnético necessário para o movimento do rotor, que é
construído com ímãs permanentes confeccionados de acordo com o número de passos. Essa
rotação é controlada por meio de um circuito externo que promove a oscilação do sinal que
percorrerá os pares de estatores e, por isso, não pode ser conectado diretamente à alimentação,
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pois deste modo, não haveria a pulsação necessária para que o motor girar. Dessa forma, a
cada vez que um par de estatores é magnetizado, ocorre um passo no eixo do motor.
Figura 11: Esquema de acionamento dos estatores do motor de passo.
6. Teclado
O teclado utilizado no protótipo foi projetado em uma rede resistiva em série formando
divisores de tensão com o objetivo de gerar tensões diferentes no momento em que for
pressionado determinado botão. Alem da facilidade de montagem e manuseio, faz com que
não haja interferência sobre o outro, pois o sinal é lido e tratado pelo conversor
analógico/digital do microcontrolador ARM. A rede resistiva foi dimensionada, obviamente,
com valores diferentes de resistências para que houvesse quedas diferentes de tensões
conforme é mostrado na Figura 12.
15
Figura 12: Diagrama do teclado.
7. Mecanismo de Infusão
O mecanismo de direcionamento da bomba de infusão é peristáltico rotativo, onde o equipo é
comprimido em um ritmo por uma série de roletes rotatórios ou por uma série de pulsos
conforme é mostrado na Figura 13. O motor de passo que direciona esse mecanismo tem a
velocidade de compressão controlada por um microcontrolador.
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Figura 13: Mecanismo de infusão peristáltico rotativo.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados obtidos durante o desenvolvimento do projeto foram satisfatórios com a
utilização do equipo de soro, que teve melhor resposta durante o processo de infusão. Foi
utilizado um equipo com câmara graduada - bureta, Figura 14, em sistema fechado com filtro
hidrófobo bacteriológico na tampa da bureta.
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Figura 14: Equipo com câmara graduada (EMBRAMED).
Para a realização do teste, foi removido o rolete de controle de vazão de fluido e encaixou-se
a mangueira do equipo ao mecanismo do protótipo para que pudesse ser feito o controle de
vazão automaticamente. No primeiro teste, não foi obtido o correto funcionamento do
mecanismo devido ao torque não ser forte o suficiente para esmagar a mangueira do equipo.
Este problema foi visto pelo fato de o motor ser acionado no modo Full – Step 1, Tabela 2,
onde somente uma bobina é energizada a cada passo. Sendo assim, foi necessário alterar o
software para o modo Full – Step 2 aumentando o torque do motor esmagando, assim, a
mangueira do equipo.
Tabela 2: Modos de acionamento do motor de passo.
Full - Step 1
- Somente uma bobina é energizada a cada passo;
- Menor Torque;
- Pouco consumo de energia;
- Maior velocidade.
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Full - Step 2
- Duas bobinas são energizadas a cada passo;
- Maior Torque;
- Consome mais energia que o Full - Step 1;
- Maior velocidade.
Half – Step
- A combinação do Full - Step 1 e o Full - Step 2 gera um efeito de meio
passo (Half - Step);
- Consome mais energia que os modos anteriores;
- Maior precisão em relação aos modos anteriores;
- O torque é próximo ao Full - Step 2;
- A velocidade é menor em relação aos modos anteriores.
Existem no mercado diversos tipos de equipo, dentre eles se destacam, os equipos para
infusão de soro e para infusão de alimentos ou líquidos mais espessos. O objetivo deste estudo
foi desenvolver um protótipo que funcionasse com equipo de soro, pois os de alimentos
possuem um material diferente com a mangueira mais rígida em relação as que são utilizados
para infusão de soro. Sendo assim, seria necessário trocar o motor de passo por um de torque
maior, alem de alterar todo o mecanismo de infusão caso se desejasse trabalhar com ambos os
equipos.
A operação do equipamento ocorre de forma simples fornecendo-se somente apenas dois
parâmetros: volume (ml) e vazão (ml/h ou gotas/min) na tela de configuração do monitor
LCD 128 x 64 (Figura 15). Conforme o usuário fornece ambos os dados, o parâmetro tempo
vai ajustando-se automaticamente de acordo com a Equação 1.
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Figura 15: Tela de Configuração do Monitor LCD.
Fornecidos todos os parâmetros necessários, será mostrado, em seguida, conforme Figura 16,
todos os valores programados pelo usuário na tela de operação.
Figura 16: Tela de Operação do monitor LCD.
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Além de uma boa precisão nos resultados, o equipamento bomba de infusão peristáltica
dispõe de um seletor de idioma com o objetivo de facilitar a leitura do operador de qualquer
nacionalidade utilizando a linguagem universal, o inglês. Os idiomas disponíveis para esta
versão do projeto são o português e o inglês e podem ser selecionados na tela de idiomas,
conforme mostra na Figura 17.
Figura 17: Tela de idiomas do monitor LCD.
O circuito eletrônico possui baixo consumo de corrente elétrica, I = 500 mA a plena carga
(presença do motor) e I = 200mA em vazio (ausência do motor), tensão de operação igual a
12V com potencia de 6 Watts.
Um dos fatores críticos do circuito se encontra no estágio de alimentação onde ocorre o
superaquecimento do regulador de tensão LM7805 devido a uma potência muito alta sendo
dissipada sobre ele. No terminal de entrada é aplicada uma tensão de 12V para que seja
regulada para 5V no terminal de saída e é submetido a uma corrente de 500 mA. Utilizando os
cálculos da 1ª Lei de Ohm temos que a potência máxima será:
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Portanto, há uma potência de 3,5 Watts sendo dissipada sobre o regulador de tensão na forma
de calor e para corrigir esta falha, é possível colocar um resistor deΩ1 / 5
Watts para que a
potência seja dissipada apenas no resistor sem comprometer o funcionamento do regulador de
tensão.
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CONCLUSÃO
Neste protótipo foi desenvolvido um dispositivo capaz de controlar a vazão de soro
automaticamente em um intervalo de tempo determinado pelo próprio dispositivo. Para esta
função foi utilizado um motor de passo acoplado a um mecanismo que faz um movimento
peristáltico rotativo e um microcontrolador ARM que faz o acionamento das bobinas deste
motor de passo. O desenvolvimento do programa em linguagem C, em partes foi complexo,
pois tiveram que ser feitas diversas telas de monitoração e cada imagem teve que alocar
corretamente as palavras, tanto em inglês quanto em português, para que houvesse fácil
entendimento e manuseio do operador. A metodologia foi executada com sucesso iniciando-se
pelo projeto do circuito e pesquisa dos componentes, desenvolvimento do software de baixo
nível e finalizando-se com o acoplamento do circuito ao mecanismo de infusão de soro. O
problema encontrado durante o desenvolvimento do protótipo foi a incapacidade do circuito
em operar com equipos especiais para infusão de alimentos, pois a tubo plástico por onde
trafega o alimento é mais rígido comparado com o equipo de infusão de soro, sendo assim, o
protótipo foi desenvolvido somente para infusão de soro ou qualquer medicamento líquido,
para medicamentos mais espessos e alimentos, o equipamento não funciona corretamente.
Caso houvesse um período maior de dedicação no projeto, seria possível dimensionar o
circuito, o motor e até mesmo o mecanismo para que funcionasse com qualquer tipo de
equipo existente no mercado, porém, os resultados obtidos até o presente momento não
poderão ser desconsiderados, tendo em vista que, o equipamento funcionou corretamente
conforme o esperado para a infusão de soro.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- HITEX Development Tools. The Insider’s Guide to the NXPLPC2300/2400 Based
Microcontrollers. An Engineer’s Introduction to the LPC2300 & LPC2400 Series. Disponível em:
http://docweb.khk.be/Patrick%20Colleman/ARM7/lpc2300_book_v2_srn.pdf, acesso em 15/08/2012.
- AREDES, S.V. Projeto de uma Bomba de infusão de baixo custo. Trabalho de graduação, 2005.
FEAU-UNIVAP.
- OLIVEIRA, Amanda; SANTOS, Carolina Schekiera; LERICH, Jessica Cristiane; RODRIGUES,
Monique. Bomba de infusão Peristáltica. Faculdade de Tecnologia de Sorocaba. Disponível em:
http://pt.scribd.com/doc/75303422/Seminario-Bomba-de-Infusao-Final, acesso em 16/08/2012.
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