Nurse, el dispensador automático de medicamentos sensorizado

NURSE, Nursing´s Unattended Robotic Service

 En los últimos años el envejecimiento de la población ha aumentado considerablemente y los pronósticos indican que en el año 2040 la población de más de 60 años superará a los que estén en su primera infancia. Este suceso se debe en parte a la mejora de la calidad de la vida: el desarrollo de la ciencia y la tecnología ha influido en todos los sectores en general; los avances en la alimentación y las mejoras sanitarias en la prevención, atención y cuidados de los enfermos son ejemplos del desarrollo del estado del bienestar.

Dos son las causas principales de aumento de la esperanza de las poblaciones humanas. Por un lado, la mejora del nivel de vida: tener recursos económicos suficientes, contar con una educación de calidad, saber cuidarse mejor... En un amplio sentido, se podría hablar de prosperidad. El otro gran avance procede de las mejoras sanitarias, fruto del conocimiento que nos ha proporcionado la ciencia: mejores medidas y políticas de higiene, un medio ambiente más saneado, una medicina cada vez más precisa y personalizada. Por tanto el avance de la medicina ha propiciado que el ser humano viva más años.

Prototipo del proyecto

 Por otro lado, gracias a factores disruptivos como Internet y la gama de servicios que ofrece la mejora de la calidad de la vida cotidiana se ha acentuado aún más. Hoy en día Internet se ha vuelto indispensable en la vida de millones de personas y empresas. La influencia que ha tenido Internet en la sociedad actual es brutal, ya que ha cambiado la forma de realizar actividades tan comunes como la comunicación, interacción, intercambio de información o las nuevas estrategias de marketing de las empresas. 

 El impacto del concepto del Internet de las cosas ha sido tal que el propósito es evolucionar hasta el punto de poder conectar cualquier cosa a la red, es decir, “el Internet de todo”. Hasta ahora pocos eran los objetos que estaban conectados a la red, pero eso ya es historia, la nueva forma de comunicarse implica el que todas las cosas y personas estén conectadas a la red y en eso consiste el reto; poder proporcionar información vital del paciente cuando sea necesario para mejorar su calidad de vida.

 La automatización de los hogares puede ayudar a mejorar el día a día de las personas que además de tener una edad avanzada tengan necesidades especiales. Los hogares domotizados permitirán en un futuro próximo que las personas mayores puedan vivir con independencia en su casa.

 La influencia y la expansión de Internet junto con la posibilidad de automatizar los hogares, y con las nuevas necesidades surgidas por los avances de la medicina, nos ha llevado a fusionar los conceptos y realizar el proyecto al cual hemos bautizado con el nombre de “NURSE” (Nursing´s Unattended Robotics Service). 

 La idea consta de dos partes (ver Ilustración 2); la primera física que tendrá el paciente en su casa y que lo componen todos los aparatos de medición del estado del paciente y un dispensador de medicamentos, y por otro lado la comunicación entre paciente-médico-objetos utilizando Internet y Google Calendar para explotar el concepto del Internet de todo. 

 De esta manera conseguimos aprovechar el potencial de Internet con los avances de la tecnología y la medicina, creando un proyecto ambicioso y a su vez con futuro prometedor.

Descripción gráfica del proyecto

Proyecto en colaboración 

El proyecto NURSE busca que profesores y alumnos sean los actores principales de una práctica real. El desarrollo de proyectos colaborativos en la Formación Profesional añade valor a las metodologías didácticas que organizan el proceso de enseñanza y aprendizaje de forma colaborativa entre los alumnos y profesores.

 El equipo NURSE lo constituyen ocho personas: 3 alumnos y un profesor del centro La Salle Berrozpe de Andoain, y otros 3 alumnos y un profesor del Instituto específico de formación profesional superior Don Bosco de Renteria.

Justificación del proyecto

El objetivo del proyecto viene marcado por las necesidades surgidas en consecuencia del envejecimiento progresivo de la población en los países con un nivel de desarrollo avanzado. La mejora general en la calidad de vida ha alargado la longevidad media de la población notablemente, un factor que ha solicitado a la medicina un avance en su modo de interactuar con los pacientes. 

 Es aquí donde la telemedicina empieza a cobrar un papel relevante ya que la implementación de sus servicios pueden aportar mejoría con las soluciones tecnológicas actualmente disponibles mejorando aspectos cualitativos, cuantitativos y de eficiencia. Los indicadores de esta mejoría deberán ser no sólo económicos, sino también de calidad y de impacto social. 

 Tal impacto se reflejará tanto en las personas como en el centro. Los pacientes, médicos, cuidadores y la familia serán los grandes beneficiados, ya que su situación será más confortable y eficiente. La conciliación de la vida familiar se verá también beneficiada, debido a que el paciente no necesita ser ingresado. 

 La automatización de las mediciones de constantes vitales en el entorno del paciente, dando una respuesta rápida y eficaz a sus necesidades, puede mejorar muchísimo su calidad de vida. Esto afecta básicamente a personas que tienen una movilidad reducida y que necesitan un seguimiento personalizado pero no precisan de ingreso hospitalario. 

 La medicina a distancia contribuye además a descongestionar la saturación de los centros de salud, ya que muchas tareas pueden ser ejecutadas en la vivienda habitual de los pacientes sin disminuir la calidad del servicio.

Descripción técnica

 El objetivo principal es construir y desarrollar un sistema de salud integral para el paciente (ver Ilustración 2). El proyecto constará de dos partes: la parte mecánica y la electrónica. En la parte electrónica irá una pantalla táctil para que el paciente pueda seleccionar las mediciones que desee y comprobar los resultados correspondientes. Junto a la pantalla se encontrará la placa e-Health, controlada por un Arduino. 

 Esta placa e-Health es una plataforma de sensores diseñada por la empresa Cooking Hacks, la cual está predestinada para supervisar a pacientes con sus diferentes sensores, también creados por ellos. En la placa se conectarán los sensores de medición de diferentes constantes corporales (glucómetro, flujo de aire, acelerómetro, medición temperatura, etc). Una vez seleccionado el parámetro en la pantalla, el correspondiente sensor hará la medición y la mostrará. Junto la placa de Cooking Hacks y el Arduino irá otra placa Arduino. Este último lo utilizaremos para transmitir nuestra información y subirla a Internet mediante el adaptador de WI-FI. 

Diagrama de flujo

 Esos datos que se han obtenido mediante los sensores y han sido procesados por el microcontrolador del Arduino serán enviados y almacenados en una base de datos alojada en un servidor privado. El médico, mediante el buscador de la página web, podrá disponer de dichos datos desde el mismo momento en que el paciente se haga las pruebas y valore la medicación que necesita. El mismo médico será el encargado de programar dicha dosis que el dispensador deba administrar al paciente, mediante la implementación de Google Calendar en esa misma web seleccionando el calendario concreto del paciente y colocando la orden a la hora indicada. 

 La parte mecánica consta de un dispensador con unos servomotores donde se almacenarán los diferentes tipos de pastillas. Cada cilindro dispone de un mecanismo de apertura conectado a la placa de Arduino que dejará caer la cantidad establecida por el médico en la plataforma Google Calendar. Así el paciente recibirá la dosis diaria necesaria.

Desarrollo y construcción del prototipo

Programación

Para crear la programación, se ha diseñado un diagrama de flujo del programa , el cual puede servir de guía a la hora de crear el programa. 

Diagrama flujo 1

                   

 En él se aprecia como tenemos una pantalla inicial que nos lleva a otra en la que el usuario puede elegir el sensor deseado para realizar la medición. Se realizará al menos una medición antes de pulsar el botón de mandar los resultados. Al pulsar el botón de resultados, se mostrarán los resultados medidos y se mandarán al Arduino. Se medirá automáticamente la posición del acelerómetro y también será trasmitida por el puerto serie, como los datos anteriores.

Diagrama flujo 2

                         

 Al principio el programa se divide en dos partes: por un lado, recibe los datos de los sensores y los guarda en una base de datos y por otro lado, mediante una pagina web se lee los datos de la base de datos de un paciente. Junto a los resultados se abre el Google Calendar en el se escribira la hora a la que se dispensara al paciente la medicina. La hora a la que se programe el Google Calendar estara continuamente comparandose con la hora actual y cuando coincidan dependiendo de lo escrito en el evento movera un servo u otro y caera la pastilla correspendiente.

Simulación del circuito

 En esta fase se carga el programa anteriormente explicado en el Arduino virtual que nos ofrece el software de Proteus llamado ISIS y así se ha podido comprobar el correcto funcionamiento del circuito. Este software es de gran utilidad para la realización de este proyecto, ya que haciendo la simulación, se da un gran paso ante la fabricación posterior, depurando los posibles fallos que puedan surgir.

Esquema ISIS

                      

Acopio de material

Una vez hecha la simulación y comprobar su buen funcionamiento, se tiene que hacer la recopilación de los componentes a utilizar. Para este proyecto se han recopilado los siguientes materiales: 

• 1x Arduino UNO Rev3
• 1x Raspberry Pi modelo B
• 1x Fuente de alimentación 5V-1A
• 1x Jack hembra 
• Resistencias 1/4w smd 
• Led amarillo smd
• Oscilador 16MHz
• Pulsador para el reset smd
• Condensador 47uF 25v smd
• Regulador de tensión 7805
• Zócalo para arduino
• Chip ATMEGA 328 
• Zócalo para chip de 28 pines 
• Conector 6 pines ICSP para Arduino
• LCD táctil para Arduino de 2.8”
• Cable macho-hembra para arduino
• Cable macho-macho para arduino
• Diodo rectificador m7 smd 
• Modulo Xbee pro 
• Wify rn-xv
• Shield e-Health para Arduino

Prueba en protoboard

 Aunque la simulación del circuito haya salido bien, no quiere decir que cuando se monte el circuito este vaya a funcionar correctamente, por ello, es muy recomendable o casi obligatorio realizar un montaje de prueba con todos los componentes a utilizar en el proyecto.

Prueba en protoboard

               

 Este punto es de una gran importancia ya que en él se dan tres puntos fundamentales:

• 1.- El correcto funcionamiento de los de los materiales reunidos en el punto anterior. Para ello, se ha utilizado una protoboard en la que se han ido montando todos los componentes con sumo cuidado, ya que cualquier pequeño error de conexión puede ocasionar que falle todo el circuito.
• 2.- El correcto funcionamiento del diseño realizado en el punto anterior del ISIS. Ya que hasta no probarlo físicamente, no se puede dar nada por bueno.
• 3.- Se ha ido creando, probando y mejorando el programa que se encarga de la conexión entre el Arduino y la página web del proyecto.   

Diseño y fabricación de la PCB

 Por desgracia, por norma general, el diseño realizado anteriormente en ISIS de la simulación del proyecto no suele ser válido a la hora de diseñar el circuito en Ares,por lo que se ha de modificar dicho diseño añadiendo las huellas y componentes que no estén disponibles en el diseño inicial. 

Como podremos leer en uno de los puntos que se verán más adelante, otro paso importante es la asignación de huellas o marcas a realizar de los componentes que no dispongan las librerías de Proteus.  

Diseño ISIS 1

Diseño ISIS 2

Diseño de la PCB

Se han realizado dos placas diferentes, cada una independiente de la otra. Cada una de las placas contiene pines, los cuales sirven a la hora de conectar otras placas encima, alimentándolas.

Esquema ARES 1

Esquema ARES 2

 Se han utilizado diferentes materiales a la hora de construir los circuitos en las placas. En uno de estos circuitos se ha utilizado una placa de Pertinax (baquelita) de tipo FR-4 (retardante de llama) y para la otra se a utilizado una placa de cobre virgen fotosensible de tipo FR4. Las placas se han diseñado en dos caras para que ocupe el menor espacio posible. Se han respetado en todo momento las recomendaciones establecidas para las distancias entre componentes y la anchura de las pistas, ya que de ser estas demasiado delgadas, pueden llegar a ocasionar problemas. 

Fabricación de la PCB

 Por suerte, Don Bosco dispone de una máquina capaz de crear circuitos impresos mediante fresado en muy poco tiempo. La máquina en cuestión es una BoardMaster LPKF Promat S62.

Para la fabricación de nuestras placas se han introducido los esquemas en el ordenador conectado a la LPKF . Una vez cargados estos archivos se le tiene que ordenar a la máquina que comience a hacer los agujeros de los componentes en la placa. 

 A continuación, se procede a realizar la primera cara de ésta y a continuación el vaciado. Tras terminar la primera cara, se voltea la placa y se repite la misma operación. 

 Al terminar las dos caras y comprobar que la placa ha salido bien, se procede al lacado de ésta. Este lacado sirve para que la placa no se vea afectada por la corrosión o factores externos debidos a la intemperie y alargue su vida útil sin que sufra desperfectos visibles.  

Placa con lacado

LPKF

Posicionamiento y soldadura

Al posicionar los componentes, se debe empezar colocando los mas bajos primero, y a continuación ir poniéndolos conjuntamente con otros de un tamaño igual o similar. Esto se hace para que al apoyar la placa y comenzar a soldar, los componentes queden apoyados en la superficie y no caigan por su propio peso.

Proceso de soldadura

Todos los integrados susceptibles de fallar han sido colocados en sus correspondientes zócalos para que al soldarlos no se deterioren, y que en caso de que alguno se estropee, sea sencillo poder sustituirlo sin tener que realizar ninguna soldadura de más. Para realizar las soldaduras, se ha utilizado una estación de soldadura, la cual dispone de estañadores de punta fina para poder realizar un trabajo más detallado. También se ha aplicado Flux en cada soldadura realizada para que el estaño se adhiera mejor y aumente su durabilidad. 

Puesta en marcha

 Una vez realizadas las soldaduras, el siguiente paso ha sido colocar el microprocesador y los servos correspondientes con sus pines y comprobar su correcto funcionamiento. Fueron varias las placas que no funcionaron a la primera debido a las pistas, ya que no coincidían todas. El problema se solucionó mirando el diseño del Ares y realizando los cambios oportunos. 

Construcción de la maqueta

Para la construcción de este proyecto se ha utilizado un cubo diseñado y fabricado con ayuda de una impresora 3D. En dicho cubo irán las pastillas que se proporcionaran al paciente y los sensores que leerán las constantes vitales que aparecerán en una pantalla táctil insertada en el cubo. Se ha cableado por dentro del cubo de forma que quede mas protegido y se han realizado las conexiones pertinentes. Una de las placas realizara la conexión con los servos mediante cableado y la otra la conexión con los sensores y la puesta en marcha de la pantalla táctil.

Conexion de los sensores a la placa

La construcción del cubo de plástico que sustentan las pastillas y del conjunto Arduino- WifiShield se han diseñado con el software “Solid-Edge” y la fabricación de las mismas se ha realizado con la impresora “Prusa I3” de Createc 3D.

 Una vez construido el cubo se le ha colocado una pieza de metacrilato trasparente para poder posicionar los tubos que contendrán las pastillas, al mismo tiempo se ha colocado una pieza rectificada manualmente de metacrilato transparente para la visualización de la pantalla táctil y del interior del cubo, para así poder ver las luces indicadoras de conexión y las conexiones eléctricas.

Conclusiones y lineas futuras

Al proyecto se le pueden añadir diferentes elementos de diseño y varias aplicaciones, ajustándose a las necesidades de los clientes, por ejemplo: reconocimiento de voz para personas invidentes; elemento acústico para cuando algún dato este fuera de limite o sea errónea para que el cliente se de cuenta; hacer un maletín o caja para poder transportar mejor nuestro producto a diferentes lugares; aplicación de móvil para poder visualizar los datos en el momento. 

 Además, aunque el objetivo principal de este proyecto haya sido crear una herramienta para el mercado de la medicina, existen diversos sensores que podríamos aplicar como lineas futuras, por ejemplo: sensor de posición, sensor de SPO2, electrocardiograma, sensor de presión arterial, sensor de GSR, sensor de EMG, etc.

  Este proyecto se llevo en representación de nuestro centro y en nombre de La Salle Berrozpe a la edición XXVIII del Premio Nacional Don Bosco, habiéndo conseguido el premio a la investigación.

                                                                                                  

 Equipo NURSE