Diseño electrónico de un sensor capacitivo para la medida de frecuencia respiratoria

Abstract

La correcta monitorización respiratoria es de fundamental importancia a la hora de diagnosticar enfermedades respiratorias, como la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) o la apnea del sueño. Un buen control de la frecuencia respiratoria reduce considerablemente el riesgo de padecer este tipo de enfermedades. En la actualidad, las técnicas que se utilizan para la monitorización son obstructivas e incómodas para los pacientes. Por tanto, surge la necesidad de diseñar un dispositivo que mida, de manera no obstructiva y cómoda, la frecuencia respiratoria en tiempo real. Partiendo del prototipo del chaleco elástico inteligente diseñado previamente por el Grupo de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Sevilla, en este proyecto se ha diseñado y miniaturizado un módulo de sensorización capacitiva capaz de medir la frecuencia respiratoria. Haciendo uso de la tecnología capacitiva basada en el oscilador de Colpitts se ha elaborado el circuito esquemático y la placa de circuito impreso, quedando un sistema modular cuadrado de 4 cm 2. Este diseño se ha llevado a cabo con la herramienta de diseño electrónico KiCad. Teniendo en cuenta las dificultades debidas a la pandemia de la COVID-19 durante 2020 y su impacto sobre el acceso a recursos de laboratorio, para la validación del diseño, se han realizado una serie de simulaciones para analizar las prestaciones de sensibilidad del módulo, así como su correcto funcionamiento. Para finalizar, se ha elaborado una hoja de datos técnica para facilitar el uso del módulo y como futura referencia para el desarrollo de aplicaciones basadas en el sensor.

The correct monitoring of respiratory rate is essential to diagnose respiratory diseases such as chronic obstructive pulmonary disease (COPD) or sleep apnea. A good control of the respiratory rate considerably reduces the risk of suffering from this type of disease. Currently, the techniques used for monitoring are obstructive and uncomfortable for patients. Therefore, the need arises to design a device that measures, in a non-obstructive and comfortable way, the respiratory rate in real time. Starting from the prototype of the smart elastic vest previously designed by the Biomedical Engineering Group of the University of Seville, in this project a capacitive sensorization module capable of measuring respiratory rate has been designed and miniaturized. Using the capacitive technology based on the Colpitts oscillator, the schematic circuit and the printed circuit board have been elaborated, leaving a square modular system of 4 cm 2. This design has been carried out with KiCad electronic design automation tool. Considering the difficultis associated to the COVID-19 pandemic during 2020 and its impact on the availability of laboratory resources, for the validation of the design, a set of simulations have been carried out to analyze the sensitivity performance of the module, as well as its correct operation. Finally, a technical datasheet has been prepared to facilitate the use of the module and for future reference of the development of applications based on the sensor.