Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR

Departamento Acadêmico de Eletrônica – DAELN

Departamento Acadêmico de Informática – DAINF

Engenharia de ComputaçãoOficina de Integração 3 (IF66J) – S71 – 2015/1

Relatório TécnicoNEST: Protótipo de incubadora neonatal de

baixo-custo

André V. P. Lopes – andrevitorlopes@gmail.com

Carlos E. L. S. G. Silva – carlosgrell@live.com

João P. A. Curti – joaocurti@hotmail.com

Vinicius S. Mazzola – vinimaz@gmail.com

Julho de 2015

Resumo

O trabalho consiste no desenvolvimento do protótipo de uma incubadoraneonatal. Considerando que o período neonatal requer extremo cuidadoe monitoramento para conservar a saúda dos recém nascidos, há a neces-sidade do desenvolvimento de tecnologias para o cuidado de neonatos.A tecnologia empregada neste projeto é de baixo custo, consistindo emuma estrutura de madeira e polímero, uma resistência blindada, circuitospara sensoriamento, um umidificador e um cooler compondo o esqueletodo protótipo. Entre as principais características do projeto estão o moni-toramento e controle térmico do interior com base em uma temperaturadefinida pelo usuário, o monitoramento da umidade interna e o monito-ramento de temperatura e batimentos cardíacos do neonato. Como re-sultado de todo o trabalho do grupo, tem-se uma estrutura funcional que,apesar de relativamente simples e rústica, cumpre as funções básicas deuma incubadora.

1 Introdução

O objetivo do projeto NEST é o desenvolvimento de um protótipo de uma in-cubadora neonatal com temperatura controlada. A incubadora foi construídacom materiais de baixo custo e de fácil obtenção. O nome NEST é uma sigla doinglês Newborn Electronic System for Thermoregulation (Sistema eletrônico determorregulação de recém-nascidos).Para um melhor entendimento do funcionamento do projeto a Figura 1 repre-senta como o sistema NEST funciona.

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Figura 1: Visão geral do projeto da incubadora neonatal. Autoria própria.

Para o aquecimento da incubadora, um túnel de vento contendo uma resistên-cia blindada na região inferior do protótipo faz a movimentação do ar quente naincubadora. Para o monitoramento dos dados, um software foi desenvolvido naestação base (EB). Neste software o usuário pode modificar a temperatura dese-jada para o controle, o set-point, verificar os dados atuais e visualizar gráficos detemperatura, umidade dentro do protótipo e batimentos cardíacos. O sistemamicrocontrolado executa o controle e monitoramento do sistema enviando in-formações por meio de uma comunicação sem fio com a EB.

A motivação dos membros do grupo para o desenvolvimento do protótipo con-siste em criar algo de baixo custo em um mercado onde as tecnologias são carase muitas vezes inacessíveis. Um artigo de uma ONG chamada PATH [PAT09] foium grande incentivo para levar o projeto à frente. Além disso, o projeto englobaalgumas áreas da engenharia , tornando-o interessante no âmbito de matériasde desenvolvimento de projetos, como é o caso de Oficina de Integração 3.

O projeto possui alguns requisitos definidos na Tabela 1 e que servem de guiapara todas as modificações e aperfeiçoamentos que foram realizados durantesua execução.

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Tabela 1: RequisitosRequisitos principais propostos no projeto

O microcontrolador deve manter a temperatura interna da incubadora dentroda variação de 1,5ºC + erro da definida como {set-point} quando em regimeO sistema, em caso de perturbação, deve estabilizar a temperatura em até 15minutos após a mesmaO software deve avisar em texto no software em caso de anormalidadesna medida dos batimentos cardíacos por minutoO software deve gerar um gráfico com as informações obtidas de umidadeO software deve gerar um gráfico de temperaturainternaO software deve gerar um gráfico de temperaturado neonatoO sistema deve ligar o sistema de umidificação caso seja constatada umidadebaixaO software deve mostrar a temperatura atual interna do protótipoO software deve mostrar a umidade atual interna do protótipoO software deve mostrar a taxa de batimentos por minuto do neonatoO protótipo deve possuir uma forma de acesso ao bebêO protótipo deve possuir entradas de ar que sejam suficiente para o fluxointerno

2 Sistema de monitoramento

2.1 Sobre as incubadoras

Segundo [E. 09], a prematuridade é a principal causa da morbidade e mortali-dade neonatal, sendo responsável por 75% das mortes neonatais. Para aumen-tar a taxa de sobrevivência, deve-se colocar os recém-nascidos pré-maturos emcâmaras fechadas com temperatura mantida em uma faixa específica. essa câ-mara é chamada de Incubadora Neonatal.

As Incubadoras são equipamentos eletromédicos, ou seja, destinadas ao diag-nóstico, tratamento ou monitoramento do paciente sob supervisão médica que,como [E. 09] comenta, estabelece contato físico ou elétrico com o paciente. Oequipamento interage fornecendo energia para o paciente ou recebendo a quedele provém.

Para seguir as normas de temperatura como mostradas por [E. 09], a variávelinterna na incubadora no projeto deve manter-se dentro da variação de 1,5ºC+ erro do sensor, e a mesma deve ser estabilizada em até 15 minutos após umaperturbação forçada.

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2.2 Programa monitor

O Software de monitoramento consiste em uma tela principal com as ultimasinformações disponíveis, como: umidade, temperatura interna, temperatura doneonato e também o set-point para a temperatura do protótipo. Sendo que oset-point pode ser alterado mesmo com o sistema ligado. O design da interfacepode ser visto na Figura2.

O programa também contém abas, nas quais gráficos das medidas são mostra-dos. Para uma pós-análise, os dados captados são guardados em um banco dedados que pode ser acessado de qualquer gerenciador de Banco de Dados.

O Software NEST foi desenvolvido com a linguagem JAVA. Para o desenvolvi-mento da interface gráfica, foram utilizadas as IDEs IntelliJ[Int] e Netbeans[Net],e para o banco de dados, SQLite[SQL]. Recomenda-se o plugin SQLite Manager[Man] do navegador Firefox para visualização e gerenciamento do banco de da-dos do programa, por ser leve e de fácil utilização.

Quanto à comunicação do software monitor com o sistema microcontrolado,a mesma se dá através de socket cliente/servidor, no qual o servidor (computa-dor executando o programa monitor) é configurado para periodicamente obteros dados provenientes da saída do microcontrolador, em seguida enviando devolta o set-point de temperatura atual. Isso possibilita que o sistema de controleseja atualizado o mais rápido possível em relação a esse set-point.

Considerando que o microcontrolador envia os valores obtidos pelos sensoresna ordem em que são obtidos e não exatamente em uma ordem específica, fez-se necessária a implementação de uma codificação básica para auxiliar na iden-tificação das medidas pelo software monitor. Através dessa codificação, cadavalor recebido possui como prefixo uma legenda (tag), indicando o tipo de infor-mação que aquela medida representa: "@" para umidade, "!" para temperaturainterna da incubadora, "#" para temperatura do neonato e "$" para batimentos.

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Figura 2: Interface gráfica criada com a IDE [Int]. Autoria própria.

2.3 Variáveis Monitoradas

Quando se trata do controle de temperatura, várias normas devem ser seguidasquando trabalha-se com equipamentos médicos. Para que os riscos sejam mí-nimos, existe regulamentações presentes na norma NBR IEC 601-2-19 da ABNT.Por questões de estudo no protótipo foi reduzida à quantidade exigida de sen-soriamento, mas seguidas as normas de estabilização de temperatura e faixa deoperação. A norma originalmente diz que deve-se medir a temperatura do ar e aumidade relativa em cinco pontos diferentes, isso evita erros muito exorbitantesde medida e tempos de resposta, além de poder haver diferentes temperaturasem áreas diferentes internamente na Incubadora.

Segundo [A. ], a atribuição de avaliar e monitorar as condições clínicas do RNcabe à equipe de enfermagem, devendo assim estar capacitada para detectare intervir adequadamente frente as intercorrências que acometem os neonatosno período neonatal precoce. Logo, é de grande importância o auxílio de umdispositivo eletrônico para monitorar a frequência cardíaca do neonato.

Segundo [G.B09], a perda de calor por evaporação dos neonatos em um ambi-ente a 30°C é de 16 %, e quando em 36°C, a perda de calor sobe para 56 %. Taisvalores demonstram o quão importante é manter um ambiente com umidaderelativa do ar alta para neonatos, principalmente os de baixo peso.

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3 Elementos do protótipo

3.1 Estrutura

A parte estrutural ou carcaça do projeto é feita basicamente de madeira e plás-tico. A madeira foi obtida a partir de placas de compensado OSB(Oriented StrandBoard, do inglês Painel de Tiras de Madeira Orientadas), um material compostopor pequenas lascas de madeira orientadas em camadas cruzadas seguindo umadeterminada direção, que lhe conferem alta resistência e rigidez. Um rascunhoinicial da parte estrutural foi feito utilizando o software Google SketchUp[Ske],posteriormente substituído pelo SolidWorks[Sol]. A Figura 3 contém o projetoestrutural da incubadora no SolidWorks:

Figura 3: Projeto da carcaça no SolidWorks. Autoria própria.

As lâminas de compensado foram cortadas utilizando máquina de corte CNC,com o modelo em formato .dxf gerado pelo SolidWorks. Após o corte, as peçase dobradiças foram pregadas, coladas, e parafusadas conforme o projeto. A car-caça da incubadora é constituída de duas partes: um compartimento inferioronde há divisão do espaço para os elementos elétricos/eletrônicos do protótipoe sistema de aquecimento, e um compartimento superior, onde há os sensorese o local onde se situaria o neonato.

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A cobertura do compartimento superior é constituída de plástico PVC Cristalcom 0.5mm de espessura, pregada na incubadora com o auxílio de fita dupla-face esponjosa para vedação. Entre os dois compartimentos, uma lâmina demadeira foi projetada com furos que permitem o escoamento do ar quente pro-veniente do aquecimento, e também do ar úmido proveniente do sistema deumidificação.

3.2 Sistema Microcontrolado

Figura 4: Placa do microcontrolador CC3200 utilizado no projeto. Autoria própria.

O microcontrolador utilizado no protótipo é o modelo CC3200 SimpleLink Wi-Fi, fabricado e comercializado pela Texas Instruments, dotado de um proces-sador ARM Cortex-M4, de 80MHz. A escolha do microcontrolador baseia-seno baixo custo em comparação a outros microcontroladores com conexão Wi-Fi (cerca de 100,00 reais) e também na existência de uma IDE baseada na doArduino, gerando um aproveitamento de muitas bibliotecas já existentes. En-tre suas principais características, estão o Wi-Fi 802.11g/b/n embutido, MAC ebanda-base auto-calibrados. O software para funcionamento do projeto como microcontrolador foi desenvolvido em linguagem C utilizando o ambiente dedesenvolvimento integrado Energia. A Figura 4 mostra em detalhes a placa (co-nhecida como CC3200 LAUNCHPAD) utilizada no projeto.

3.3 Sensores e atuadores

Foi desenvolvido um sensor de batimentos cardíacos baseado em modificaçõesde projetos de [sena] e [senb], cujo princípio de funcionamento é através damedição da luz (emitida através de um led) que atravessa o dedo do paciente eincide sobre um LDR (Light Dependent Resistor, ou Resistor Dependente de Luzem português). No momento em que o coração bombeia o sangue, a pressão

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arterial sobe drasticamente, e consequentemente a quantidade de luz do emis-sor que atravessa o dedo para o detector diminui, o que por sua vez provoca umaumento de resistência no LDR e consequentemente um aumento de tensãode entrada no circuito amplificador. Este sensor usa dois amplificadores ope-racionais em conjunto com um filtro passa-banda para estabelecer um sinal desaída limpo, enfatizando os picos e filtrando ruídos que abrangem uma faixa defrequência fora da estabelecida (1 a 3 Hz, correspondente a faixa de 60-180 bati-mentos por minuto).A Figura 5 representa o esquemático do sensor construídopela equipe e a Figura 6 corresponde ao circuito em placa impressa.

Figura 5: Esquemático do sensor de batimentos cardíacos. Autoria própria.

Figura 6: Placa de circuito impresso do sensor de batimentos cardíacos. Autoria pró-pria.

Quando o sensor construído é conectado a uma entrada analógica de um micro-controlador a sua tensão de saída, ao decorrer do tempo, é visualizada atravésdo software Processing como mostrado na Figura 7, consistindo em pulsos bemdefinidos, separando os níveis 1 e 0 lógicos de forma a ser usado diretamente deforma digital pelo microcontrolador.

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Figura 7: Saída do sensor de batimentos cardíacos conectado a uma entrada analógicado microcontrolador e visualizada com o software Processing. Autoria própria.

Para realizar a medição da temperatura corporal do neonato, foi utilizado dosensor DS18B20 com encapsulamento de metal, conforme demonstrado na Fi-gura 8. Além do baixo preço, faixa de operação de -55°C a 125°C, precisão de0,5°C e de ser um sensor digital, o DS18B20 trabalha em 3,3 V, que é a tensãofornecida pelo microcontrolador utilizado pela equipe, o que o torna ideal parao projeto.

Figura 8: Sensor de temperatura DS18B20. Fonte: Amazon.com

Para realizar a medição da temperatura e umidade do ambiente, foi utilizadoum único sensor, DHT22, ilustrado pela Figura 9. Este sensor possui um baixopreço, faixa de operação de -40°C a 80°C, precisão de 0,5°C e trabalha em 3,3 V,o que também o torna ideal para o projeto.

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Figura 9: Sensor de temperatura e umidade DHT22. Fonte: thepolyscope.com

Para realizar a circulação do ar do túnel de vento na parte inferior da IN para aparte superior, foi utilizado um cooler do modelo Cooler Master PL71S12HH-1alimentado em 20V, ilustrado pela Figura 10.

Figura 10: Cooler utilizado para ventilação. Fonte: coolermaster.com.br

3.4 Sistema de aquecimento e umidificação

O sistema de aquecimento do protótipo da IN consiste em uma resistência blin-dada, disposta na Figura 11, alimentada em 220V e adaptada a um relé. Umtúnel de vento foi montado para um melhor direcionamento do calor e do fluxode ar interno do protótipo, pois sem o mesmo a temperatura do set-point nãoera alcançada em tempo hábil, segundo as normas. Este túnel foi isolado termi-camente com um feltro de lã de vidro para altas temperaturas.

Figura 11: Resistência blindada ELBAC 250W. Autoria própria.

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Um túnel de vento foi feito para permitir com que a temperatura de set-pointfosse atingida e a maior quantidade de calor ser aproveitada. O túnel de ventosofreu algumas transformações, iniciaram-se os testes com um material isolantesimples utilizado em residências e foi verificado que o mesmo não resistia a tem-peratura que a resistência em 220v alcançava.

Figura 12: Túnel de vento com lã de vidro.

Após a utilização de lã de vidro isolado para altas temperaturas no lugardo material isolante simples previamente utilizado, o isolamento mostrou-semuito mais efetivo e o túnel cumpriu o propósito de otimizar o sistema de aque-cimento. A Figura 12 mostra o túnel em sua versão final.O sistema de umidificação consiste em uma adaptação do Umidificador de ArUltrassônico do modelo Techline UM-04. Neste caso, também foi adaptado aum relé para interfaceamento com o microcontrolador. O modelo do umidifi-cador utilizado é ilustrado pela Figura 13:

Figura 13: Umidificador de Ar Ultrassônico Techline UM-04. Fonte:loja.paguemenos.com.br

4 Ensaios

Segundo [E. 09], um sistema muito comum em Incubadoras Neonatais é o sis-tema automático de duas posições (ON-OFF), é o mais antigo e o mais barato,

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o que se encaixa perfeitamente em na busca por um controle aceitável para umprojeto de 4 meses e de baixo custo. A temperatura é uma variável de dinâmicaconsiderada lenta, sendo possível com esse controle cumprir os requisitos pro-postos.

Após ter a estrutura concluída, foram realizados testes com um sistema de con-trole ON/OFF com alguns set-points diferentes para análise do aquecimento daIN. Os resultados dos testes encontram-se na tabela 2

Tabela 2: Tabela de testes de erro em regime.Set-point Limite inferior Limite superior32º 30.7º 33.2º33º 31.7º 34.1º34º 32.6º 34.9º35º 33.6º 36º36º 34.6º 36.9º37º 35.5º 37.7º38º 36.4º 38.8º39º 37.4º 39.7º40º 38.3º 40.7º

A faixa em que os valores variam econtra-se dentro da requerida pelas normas,1,5ºC + erro.

Figura 14: Gráfico da temperatura interna da incubadora na estação base. O eixo Xrepresenta a quantidade de amostras coletadas. Autoria própria.

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Figura 15: Gráfico da umidade interna da incubadora na estação base. O eixo X repre-senta a quantidade de amostras coletadas. Autoria própria.

Figura 16: Gráfico da temperatura interna variando os set-points. Autoria própria.

Para que fosse possível a construção do projeto, foram necessário vários ma-teriais e componentes, fazendo assim que haja um custo para a elaboração doprojeto. Todos os custos do projeto realizado estão na Tabela 3 .

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Tabela 3: CustosDiscriminação R$/un Qtde ValorMadeira compensado OSB 66,50 2 133,00Sensor DHT22 26,00 1 26,00Material transparente PVC Cristal 12,00 1 12,00Dobradiças 1,50 4 6,00Velcro e apoios para as "portas" 25,00 1 25,00Umidificador USB 49,00 1 49,00Cabo termocontrátil 2,00 3 6,00Placa com 4 relés 49,00 1 49,00Launchpad CC3200 Texas Instruments 100,00 1 100,00Material isolante simples 45,00 1 45,00Total: 451,00

5 Considerações finais

Ao final, tem-se uma estrutura funcional, que apesar de relativamente simples erústica, cumpre as funções básicas de uma incubadora, que consistem em man-ter um ambiente termoneutro, com temperatura e umidade que contribuempara o bom desenvolvimento do neonato. A estação base consiste em um pro-grama de fácil manuseio, com abas para navegação entre os gráficos das medi-das e com ajuste de temperatura da incubadora e faixa de batimentos cardíacos.Como trabalho futuro, seria interessante elaborar um protótipo com material demelhor qualidade, como acrílico e realizar testes com topologias diferentes desistemas de controle de temperatura, como o PID. O que exige o levantamentomais detalahado de características dinâmicas do sistema.

Agradecimentos

Agradeçemos primeiramente aos professores da UTFPR que nos ajudaram desdeo início do projeto: Bertoldo Schneider Jr, Douglas Jakubiak, Valéria Arruda eprincipalmente ao professor Rubens Alexandre De Faria, que além da orienta-ção necessária nos forneceu o resistor de aquecimento da IN. Gostaríamos tam-bém de agradecer ao Luiz Fernando, da empresa Sulfrax soluções térmicas, peladoação do material de isolamento térmico para o túnel de vento do protótipo eaos funcionários do DADIN da UTFPR-CT pelo auxílio relacionado à parte es-trutural do projeto.

Referências

[A. ] M. Bueno M. A. J. Belli A. F. Kimura, A. P. M. Yoshitake. Avaliação dafunção respiratória do recém-nascido no período neonatal imediato.

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[E. 09] E. J. L. COSTA. Análise crítica de incubadoras neonatais a partir de me-dições de parâmetros dos ambientes interno e externo. 2009.

[G.B09] G.B. AVERY. Neonatologia: Fisiopatologia e tratamento do recém-nascido. 2009.

[Int] IntelliJ. https://www.jetbrains.com/idea?fromMenu.

[Man] SQLite Manager. https://addons.mozilla.org/en-us/firefox/addon/sqlite-manager/.

[Net] Netbeans. https://www.netbeans.org.

[PAT09] PATH ONG. Newborn thermal care devices. 2009.

[sena] http://makezine.com/projects/ir-pulse-sensor/.

[senb] http://www.instructables.com/id/homebrew-arduino-pulse-monitor-visualize-your-hear/?allsteps.

[Ske] Sketchup. http://www.sketchup.com/pt-BR.

[Sol] Solidworks. http://www.solidworks.com/.

[SQL] SQLite. https://www.sqlite.org.