Desde principios de la crisis del COVID19 en marzo de 2020, la Comunidad Maker se organizó para desarrollar varios proyectos y ayudar a la población: pantallas faciales, mascarillas, respiradores… Uno de ellos es el desarrollo de un capnógrafo de bajo coste.

Un capnógrafo médico es un dispositivo que mide la concentración de CO2 inspirado y expirado durante el ciclo respiratorio de una persona. La medida se produce en tiempo real y permite detectar anomalías y alertar instantáneamente de problemas en la salud del paciente.

Puede encontrarse más información sobre el proyecto, así como la forma de participar, en este documento.

Este es un proyecto de desarrollo colaborativo cuyo fin es poner a disposición de la comunidad un prototipo funcional de capnógrafo médico. Actualmente los capnógrafos están presentes en las Unidades de Cuidades Intensivos (UCIs) o unidades de anestesia más modernas, pero aún no se cuenta con gran número de dispositivos debido a su alto coste. Si fueran asequibles podrían estar presentes en más habitaciones de hospital, quirófanos, ambulancias, o incluso ser un dispositivo doméstico o de entrenamiento deportivo.

Un capnógrafo, al contrario que los pulsioxímetros que se colocan en el dedo, permite medir con mucha resolución temporal (unas 25 muestras por segundo), lo cual permite detectar mejor anomalías en tiempo real. Además permite calcular el gasto calórico de la persona a través de calorimetría indirecta, lo que los hace ideales para monitorizar el entrenamiento deportivo.

Nuestra idea es desarrollar un sistema para su uso en entornos reales críticos, por lo que requiere de pruebas de validación, experimentación con sujetos, y homologación. Además se pretende definir una cadena de fabricantes lo más cercana posible. Todos los sensores y electrónica necesaria pueden ser adquiridos en Europa.

Consideramos que la mejor tecnología actual para materializar el dispositivo son los sensores MWIR (Medium Wave Infrared) que usan la absorción óptica por parte del CO2 en la ventana alrededor de 4.2μm de longitud de onda. Sensores similares pueden usarse para medir otros gases. Estos sensores proporcionan suficiente frecuencia de medidas (más de 10 muestras por segundo)  y no necesitan estar en contacto químico con el gas, facilitando la esterilidad.

Poe ejemplo, en este trabajo se desarrolla un sistema portátil para la medición del gasto energético con la combinación de sensores de CO2 y O2.

Aunque aún no hemos obtenido el primer prototipo funcional, ya hemos realizado pruebas con distintos sensores y emisores.

En concreto los sensores de Phyreos, que nos sirvieron muy eficazmente el kit ezPyro SMD CO2 gas sensing  durante los peores momentos de la pandemia en abril de 2020, proporcionan un comportamiento adecuado y permiten distinguir perfectamente el ciclo respiratorio. Son un buen punto de partida. Su principal defecto es que el emisor y el sensor están enfrentados lo cual obliga a tener dos placas de circuito impreso.

Actualmente estamos trabajando en una versión con el sensor y el emisor en la misma placa y que usa la reflexión de la luz en la superficie del tubo por donde circula el aire, que debe tener una forma parabólica para asegurar el correcto direccionamiento del haz. Estamos imprimiendo distintas versiones de esa pieza usando nuestra impresora de SLA, que proporciona superficies con un acabado muy bueno. Además hemos recibido la ayuda de Fernando Rodríguez, del Grupo Especializado de Materiales (GEMA) de la UEx, que nos ha ayudado a aplicar finas capas de platino sobre la superficie del espejo usando sputtering.

El grupo de investigación SPHINX, al que pertenece Antonio Gordillo, también ha colaborado con la adquisición de varios sensores y emisores LWIR (Termopila T11722-01, Emisor LED L13201-0430M, Termopila P13243-016CF, Emisor LED L13201-0430C) del fabricante Hamamatsu; así como ventanas de zafiro, modelo WHS1300, de Knight Optical, que permiten el paso de la luz infrarroja y a la vez impiden que se escape el aire.

Para conseguir un sistema seguro y a la vez asequible hay que hacer una selección cuidadosa de los sensores, emisores, filtros ópticos y materiales de fabricación. Hemos detectado varias opciones que cumplirían con las especificaciones necesarias.

Aunque estos sensores son bastante eficaces a la hora de distinguir gases, es importante cuantificar las interacciones cruzadas usando líneas de gases calibradas. Para ello contamos con la colaboración del Grupo de Nanosensores y Sistemas Inteligentes , del CSIC, gracias a la ayuda de Jesús Lozano, del Grupo de Investigación en Percepción y Sistemas Inteligentes de la UEx y de José Pedro Santos, del CSIC.

Una línea que se desarrollará paralelamente al objetivo principal de medida del CO2 será la combinación de más sensores en el mismo sistema, ya que es interesante poder medir, por ejemplo, el O2, NO o el NO2 expirados por un paciente, que tienen correlación directa con patologías respiratorias y que añadirían otros usos interesantes al dispositivo, como medida directa de calorimetría.

Este es un proyecto ambicioso pero que aún está en desarrollo sin financiación propia. De momento todo el tiempo y material ha sido proporcionado por sus autores, incluyendo a sus empresas y grupos de investigación.

De momento los costes aproximados solo en materiales han sido:

• Kits de desarrollo: 700€
• Sensores, ventanas ópticas y emisores IR: 1500€.
• Componentes electrónicos y fabricación de PCBs: 700€.
• Componentes neumáticos y bombonas de gases: 200€.
• Fabricación de piezas en SLA con resina fotocurable: 40€.

Este es un proyecto motivador y que aún está en desarrollo. Se está realizando sin financiación propia por lo que vamos sin prisa pero sin pausa.

Si estás interesado en el proyecto no dudes en contactar con cualquiera de sus autores.

Aún queda trabajo por hacer pero puede quedar un bonito dispositivo para compartir con la comunidad y hacer llegar la tecnología a los sitios donde más se necesita.

• Raul Quesada (Raul.quesadanavarro@raquenaengineering.com )
• Jesús Riezu (jesus@riezu.info)
• Miguel Ángel Herranz Trillo
• Marino Linaje (mlinaje@unex.es)
• Antonio Gordillo (anto@unex.es)

Colaboran también:

• Jesús Lozano (jesuslozano@unex.es)
• Fernando Rodríguez (keko@unex.es)
• José Pedro Santos (jp.santos@csic.es)
• Juan Alberto Sánchez Margallo (jasanchez@ccmijesususon.com)