Prototipado rápido: Espirómetro Basado en Impresión 3D y Código Abierto
Rapid prototyping: Spirometer based on 3D printing and open source
1 Ingeniería en Mecatrónica. Universidad Tecnológica del Centro de Veracruz.
2 Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación (Secihti). Instituto Tecnologico de Orizaba.
3 Tecnológico Nacional de México. Instituto Tecnologico de Orizaba.
4 División de estudios de posgrado e investigación. Instituto Tecnologico de Orizaba.
5 Instituto Tecnológico de Orizaba. Universidad Tecnológica del Centro de Veracruz.
Palabras clave: salud respiratoria; software libre; dispositivo médico; Arduino
Keywords: respiratory health; free software; medical device; Arduino
RESUMEN
La respiración es un proceso vital y la espirometría la prueba estándar para determinar la salud respiratoria; sin embargo, el acceso a una espirometría en una unidad de salud suele ser limitado, debido al costo de los equipos y a la poca disponibilidad de especialistas. En este trabajo se presenta la elaboración de un espirómetro basado en plataformas de código abierto, lo cual reduce el tiempo de elaboración, permite elaborar un prototipado iterativo y disminuye los costos asociados a licencias de uso de software. El uso de impresión 3D, software libre y plataformas electrónicas de código abierto permite obtener prototipos a una velocidad cada vez mayor y con costos reducidos. Lo anterior fomenta la aparición de dispositivos de bajo costo que se acercan cada vez más al cumplimiento de los estándares requeridos para ser aprobados por los organismos certificadores de dispositivos médicos, con lo cual el acceso a este tipo de dispositivos y pruebas por parte de la población es cada vez mayor.
ABSTRACT
Respiration is a vital process and spirometry the gold standard for respiratory health determination. But, the access to a spirometry study in a health care installation is limited. This is because the cost of equipment and the low availability of specialist. In this work a spirometer based on open software is presented, this reduces manufacturing time, allowing for a iterative prototyping process and diminishing the cost associated with the software licences. The use of 3D printing, free software, and open-source electronic platforms allows for increasingly rapid and cost-effective prototyping. This fosters the development of low-cost devices that are increasingly meeting the standards required for approval by medical device certification bodies, thereby expanding access to these devices and testing for the general population.
¿Por qué es importante este tema?
Todo el tiempo respiramos es un proceso vital, sin embargo, es una actividad tan cotidiana que suele pasar desapercibida. La salud respiratoria es fundamental para el bienestar, a pesar de ello, es común que los dispositivos y herramientas para evaluar la salud respiratoria sean de uso reducido [1]. Este uso reducido se presenta con mayor intensidad en países con bajo desarrollo tecnológico o reducida inversión en investigación.
El funcionamiento de los pulmones es una incógnita para muchas personas, quienes imaginan a los pulmones como un globo que se infla y desinfla sin apenas conocer los distintos volúmenes y capacidades pulmonares. A manera de introducción es necesario mencionar que existen cuatro diferentes cantidades de aire que son empleadas para describir la respiración de una persona. El volumen corriente (también llamado volumen tidal) es la cantidad de aire que entra y sale de los pulmones en una respiración normal, esto es, la cantidad de aire que entra y sale de los pulmones de forma rutinaria. El volumen de reserva inspiratoria es la cantidad de aire que una persona puede meter a los pulmones mediante una inhalación profunda, el volumen de reserva espiratoria es similar a la reserva inspiratoria, pero en el sentido opuesto, es decir, es la máxima cantidad de aire que se puede expulsar de los pulmones. Finalmente, el volumen residual, es la cantidad de aire que siempre permanece en los pulmones y que no puede ser expulsado voluntariamente, ver Figura 1 [2].
Por otro lado, al sumar los volúmenes pulmonares se obtiene lo que denominamos capacidades pulmonares. La capacidad vital, es la máxima cantidad de aire que se puede desplazar en una sola respiración, desde una respiración profunda hasta una exhalación forzada, en un adulto sano esta capacidad es de aproximadamente 5 litros. La capacidad inspiratoria es el aire máximo que se puede inhalar partiendo de una exhalación normal, finalmente, la capacidad pulmonar total es el volumen máximo teórico que pueden soportar los pulmones [1, 2].
La medición de las capacidades y volúmenes recién descritos se denomina espirometría y es considerada la prueba de referencia (estándar de oro) para diagnosticar y monitorizar el estado de salud respiratorio. La espirometría evalúa la función pulmonar midiendo volúmenes y flujos de aire, como la capacidad vital forzada (FVC) o el volumen espiratorio forzado en el primer segundo (FEV1) [3, 4]. Sin embargo, los espirómetros comerciales, a menudo diseñados para entornos hospitalarios de alto nivel, son prohibitivamente caros, y requieren calibraciones y mantenimiento que son difíciles de sostener en entornos con recursos limitados.
Sin embargo, a menudo es común emplear pruebas rápidas o parámetros de referencia que nos indiquen a necesidad de un estudio más profundo. Aquí es donde entran dos tecnologías de amplio uso en el denominado proceso de prototipado rápido: la impresión 3D y las plataformas de microcontroladores de código abierto, como por ejemplo Arduino.
En este artículo, exploraremos las ventajas que proporciona el uso de la impresión aditiva en conjunto con microcontroladores de código abierto a través del desarrollo de un caso concreto: un espirómetro de bajo costo que combina un anemómetro impreso en 3D, un sensor de flujo de aire de tipo “hilo caliente”, un Arduino Nano y una interfaz gráfica en Unity.
¿Qué sabíamos antes?
Para poder abordar de una mejor manera el cambio de paradigma que representa la aparición de herramientas como la impresión 3D, las plataformas de código abierto, así como la aparición de sensores con la correspondiente instrumentación implementada, es necesario entender el punto de partida.
Antes del uso común de la impresión 3D y de la aparición de las plataformas de código abierto, en particular en lo referente a los microcontroladores (proceso tradicional), el desarrollo de un prototipo de cualquier tipo era un proceso lento y costoso. El diseñar moldes, inyectar plásticos, fabricar electrónica a la medida podía tomar meses e incluso años. Lo anterior sin considerar que se requería de la participación de personas expertas en el tema de diseño, así como de la electrónica necesaria para el prototipo.
La espirometría convencional
Hasta hace algunos años para poder determinar la salud pulmonar se tenían dos opciones, ambas complejas. La primer opción eran los equipos de laboratorio para medir la función pulmonar, equipos enormes y herméticos en los cuales se encerraba al paciente para poder determinar los volúmenes pulmonares [5]. La segunda opción eran los espirómetros comerciales, equipos más económicos y menos complejos. La principal desventaja de estos últimos es que el usuario no puede saber cómo se obtienen las señales y menos aún como es que se procesan, ni tampoco es posible modificar su funcionamiento [6]. Suelen depender de sensores desechables o turbinas de precisión que, si bien son fiables, encarecen el costo por prueba y generan una dependencia de un proveedor externo.
El prototipado rápido: Open Hardware
El hardware de código abierto, también llamado “open hardware”, es la forma de describir a aquellos dispositivos físicos que publican bajo licencias de acceso libre sus diseños, materiales, diagramas, etc. La disponibilidad de toda la documentación del hardware de código abierto permite a cualquier persona estudiar, modificar y construir dichos aparatos de forma libre; promoviendo con ello la innovación y colaboración de la comunidad [7].
En el ámbito de la electrónica y más en particular de los microcontroladores, la aparición de la plataforma Arduino ha permitido a cada vez más personas, tener acceso a las capacidades de los microcontroladores [8]. Arduino permite adquirir datos, controlar actuadores y crear instrumentos a medida, con la ventaja añadida de que gran parte de los códigos de programación necesarios para su desarrollo son de acceso libre y pueden encontrarse en diversos foros y sitios web. Lo que antes requería complejos circuitos impresos y conocimientos avanzados de electrónica, ahora puede programarse de forma rápida y obtener la información generada por el microcontrolador mediante una conexión USB.
¿Cómo funciona la nueva propuesta?
El espirómetro desarrollado hace uso de hardware de código abierto en conjunto con la impresión 3D para obtener información acerca de los volúmenes respiratorios. El uso de la mecánica de fluidos es primordial para obtener información de la salud respiratoria a partir de un sensor de flujo de aire. A continuación, describiremos las partes de las que se compone este espirómetro.
El anemómetro y la impresión 3D
Debido a que en la literatura se menciona diversos diámetros de boquillas para uso en espirómetros (22, 28, 30, 34 mm), se consideró en el diseño un soporte que permita emplear boquillas con diferentes diámetros. Adicionalmente a la boquilla y al soporte correspondiente, el diseño incluye una base para posicionar el sensor de flujo de aire y un mango para que el usuario pueda sostener el anemómetro. El diseño de las partes que componen a nuestro dispositivo se llevó a cabo en Solid Works. La Figura 2 muestra los diseños en CAD de las partes que componen el diseño, así como la correspondiente impresión.
A diferencia del común de los espirómetros en los cuales se emplean hélices, nuestro dispositivo emplea un sensor de hilo caliente. El empleo de un sensor de hilo caliente tiene por finalidad disminuir al máximo el esfuerzo al inhalar y exhalar, toda vez que no es necesario mover las aspas del sensor, como en el caso de los sensores de aspas. En nuestro caso, la medición proviene de la variación de temperatura en el sensor como consecuencia del flujo de aire.
En virtud de las herramientas empleadas, es posible pasar de un modelado 3D a una pieza terminada en pocos pasos. El diseño hecho en Solid Works es enviado a una impresora 3D de escritorio empleando PLA (ácido poliláctico) que es un polímero económico y de amplia comercialización. Entre las ventajas de emplear la impresión 3D se pueden mencionar
• Rapidez: El diseño puede pasar de la pantalla a la mano en cuestión de horas.
• Iteración: Si el dueño inicial no cumple con las expectativas, se modifica el archivo digital y se imprime una nueva versión. Este ciclo de iteración es prácticamente imposible con la fabricación tradicional por inyección de molde.
• Localización: La pieza se fabrica allí donde se necesita. No hay que esperar semanas a que las piezas salgan de la fábrica, adicionalmente, si una pieza se rompe, se imprime otra.
Sensor de Hilo caliente y Arduino Nano
Tal como ya se ha mencionado, las herramientas de código abierto se caracterizan por proporcionar toda la información necesaria para su funcionamiento, en este caso nuestro sensor no es la excepción, el código del sensor se encuentra a través de la plataforma de Arduino, la única condición es calibrar el sensor para obtener la velocidad del viento
Una consideración adicional al emplear el sensor de hilo caliente es que la señal de este sensor es susceptible al ruido eléctrico, por lo cual se hizo necesaria la implementación de un filtro para evitar interferencias eléctricas de 60 Hz provenientes de la red eléctrica.
Interfaz gráfica
A pesar de la versatilidad de la plataforma de Arduino en la captura de datos, la visualización de estos no es del todo sencilla. Por esta razón se decidió emplear el software Unite para desplegar los datos obtenidos a través del Arduino, la razón por la cual se eligió Unity es por su facilidad de uso y la simplicidad para diseñar escenas atractivas. La interfaz consta de cuatro escenas principales, Bienvenida, captura de datos personales, pantalla principal, y visualización de datos.
Las dos primeras escenas son para manejo del expediente de posibles pacientes. La figura 3 muestra en la porción A la pantalla de Bienvenida, en tanto que en la porción B muestra la pantalla en donde se capturan los datos del paciente con miras a integrar un expediente.
En la escena principal es donde se lleva a cabo la captura de los datos del sensor de flujo, para lo anterior, esta escena presenta un botón denominado START, con lo cual se comienza la captura de los datos, así como un botón de RESET para inicializar la captura de datos. Dos botones adicionales permiten avanzar o retroceder en las escenas. Los datos capturados mediante Arduino son enviados a la computadora mediante conexión USB y aquí un script convierte los datos de flujo de aire en litros por minuto (L/min).
Finalmente, en la escena de visualización de datos, se puede llevar a cabo el almacenamiento de los datos, en caso de que la prueba se haya concluido correctamente, se puede regresar a la captura de datos, e incluso de pueden enviar los datos a una base de datos externa habilitada para tal fin. La figura 4 muestra las escenas de captura y visualización de datos.
Pruebas de funcionamiento
Con la finalidad de verificar el funcionamiento del prototipo, se realizaron pruebas en personas diferentes con diferentes edades, estaturas y pesos. Las personas que participaron en la prueba lo hicieron de forma voluntaria, fueron informados de todos los detalles de la prueba y otorgaron su consentimiento para la participación en esta prueba. En la Figura 5 se muestran los resultados para uno de los voluntarios
Para las pruebas de espirometría simple, se le asignó un tiempo de volumen corriente de 2 segundos, para calcular el volumen de inspiración máximo se tomó el flujo de aire durante 7 segundos, en tanto que para calcular el volumen de espiración máximo se tomaron los datos durante 6 segundos. La Tabla 1 muestra un resumen de los volúmenes y capacidades respiratorios de algunos de los participantes en las pruebas del dispositivo.
Tabla 1. Ejemplos de los datos obtenidos de algunos voluntarios.
| Resultados de voluntarios | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ref. | Edad (años) |
Estatura (cm) |
Peso (kg) |
Género | VC (L) |
VRI (L) |
VRE (L) |
VR (L) |
CI (L) |
CRF (L) |
CV (L) |
CPT (L) |
| 1 | 21 | 163 | 60 | masculino | 0.48 | 2.88 | 1.27 | 1.2 | 3.36 | 2.47 | 4.63 | 5.83 |
| 2 | 18 | 150 | 49 | femenino | 0.392 | 2.93 | 1.1 | 1.2 | 3.322 | 2.3 | 4.422 | 5.62 |
| 3 | 52 | 150 | 65 | femenino | 0.52 | 3.06 | 1.66 | 1.2 | 3.58 | 2.86 | 5.24 | 6.44 |
Qué significa esto para ti
El empleo de las plataformas de código abierto, así como de impresión 3D abren las puertas a dispositivos que cumplen con los requisitos necesarios para ser empleados como dispositivos médicos. Un ejemplo de lo anterior es el espirómetro desarrollado en la Universidad de Warwick el cual emplea PLA en la impresión 3D y sensores de presión diseñados para autos [9]. con un costo por debajo de los 2 mil pesos mexicanos este dispositivo cumple con la norma ISO 26782:2009, lo cual representa que tiene errores de medición por debajo del 3%.
Por otro lado, dado el avance en plataformas de código abierto destinadas a la comunicación inalámbrica, se abre la puerta para el fácil acceso de los datos generados mediante repositorios en la nube. La propuesta de almacenar los datos en la nube permitiría al profesional de la salud acceder a los datos de personas ubicadas en lugares remotos. Este tipo de enfoque facilita el seguimiento remoto, así como la telemedicina. Este modelo ya se ha propuesto para dispositivos de medición de presión inspiratoria, subrayando el potencial del código abierto para crear herramientas de monitoreo remoto.
En el propio entorno de investigación, este sistema facilita la enseñanza. Es posible la impresión de dispositivos de bajo costo para que cada uno de los estudiantes pueda hacer pruebas individualmente y con ello familiarizarse con este tipo de pruebas. En los laboratorios de fisiología en donde se emplean animales para estudiar los efectos de fármacos y procedimientos, es posible imprimir un espirómetro del tamaño exacto del animal y de esta forma llevar a cabo pruebas con mayor precisión. Este tipo de enfoque puede reducir el costo de las pruebas, así como el tiempo de experimentación.
Finalmente, para el común de la población el desarrollo de este tipo de dispositivos permitiría efectuar a diagnósticos respiratorios más accesibles y asequibles. Adicionalmente, al ser tecnologías de código abierto, fortalecerían la resiliencia del sistema de salud.
El futuro que nos espera
El desarrollo de espirómetros es solo el principio, dadas las tendencias actuales, el siguiente paso es la integración de algoritmos de inteligencia artificial (IA). La integración de IA podría servir de ayuda al profesional para identificar patrones respiratorios característicos de padecimientos particulares. Adicionalmente, el uso de técnicas de IA podría ayudar en las etapas de diseño, para de esta forma, optimizar el funcionamiento de los dispositivos, e incluso reducir el uso de los materiales asociados a la fabricación de estos [6]. La integración de las herramientas de diseño tales como los escáneres 3D podría ser la base para la fabricación de dispositivos adaptados a la anatomía de cada persona, para de esta forma mejorar la comodidad y precisión de los dispositivos terminados.
Uno de los requisitos más importantes en el desarrollo de un dispositivo médico, es obtener la certificación de organismos de salud como la FDA. La FDA es una Agencia estadounidense responsable de garantizar la seguridad, eficacia y calidad de medicamentos, dispositivos médicos, entre otras funciones. Por lo anterior cumplir con las certificaciones de FDA garantiza poder entrar al mercado de los dispositivos médicos. Para ello es necesario asegurar la trazabilidad y seguridad de todos los materiales de fabricación del dispositivo, lo cual es una de las principales limitantes actualmente en el desarrollo de este tipo de dispositivos [10].
Conclusión
La combinación de impresión 3D, electrónica de código abierto y el uso de software flexible han sentado las bases para un ecosistema propicio para la innovación en dispositivos médicos. Adicionalmente, se fomenta la colaboración, sentando las bases para un diseño distribuido, esto es que se permite la participación de diversos actores, en diferentes ubicaciones trabajando sobre un mismo desarrollo; de esta forma conceptos como la inteligencia colectiva aparecen en el desarrollo de dispositivos médicos facilitando el acceso a la tecnología a la mayor parte de la población.
Contribución de autores
Galván Chávez, Jorge Moises: Conceptualización, Análisis formal, Recursos, Supervisión.
Flores Cuautle, Jose de Jesus Agustin: Análisis formal, Supervisión, Redacción — borrador original, Redacción — revisión y edición.
Posada Gómez, Ruben: Conceptualización, Administración del proyecto, Supervisión.
Nuñez Dorantes, Juan Carlos: Investigación, Metodología, Recursos.
Lara Hernandez, Gemima: Supervisión, Visualización, Redacción — borrador original.
Bautista Bautista, Alberto Nicolas: Recursos, Validación.
Referencias
© 2026 Los Autores. Publicado por TECING. Artículo de acceso abierto bajo licencia CC BY.