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Yulök Revista de Innovación Académica, ISSN 2215-5147, Vol. 7, N.º 1
Enero-Junio 2023, pp. 31-39
Vargas, A. y Salazar, H. Modelo de ventilador articial UTN contra Covid 19.
Modelo de ventilador artificial
UTN contra Covid 19
Ana Beatriz Vargas Badilla
Universidad Técnica Nacional, Ingeniería Electrónica, Sede Central, Alajuela, Costa Rica
avargasb@utn.ac.cr
https://orcid.org/0000-0002-0722-9460
Resumen
A inicios del año 2020 la pandemia del COVID-19 comenzó a propagarse, afectó y perturbó muchos países, particularmente
la salud respiratoria de millones de habitantes del mundo, de manera que impactó la continuidad de los servicios hospitalarios,
particularmente la demanda de equipos de asistencia respiratoria. Objetivo. Explicar el desarrollo y descripción del primer
modelo de ventilador respiratorio elaborado en la Universidad Técnica Nacional (Costa Rica), Metodología. Conceptualiza-
ción, organización, ensamblaje, ensayos y puesta en marcha, desde el contexto mecánico hasta la tecnicidad digital, llevado
a cabo por estudiantes de la carrera Ingeniería Electrónica bajo la supervisión y guía de los autores de este artículo, el cual se
convirtió en un destacable trabajo para la comunidad universitaria. Resultados. Los principales resultados proponen tabla de
costos, fórmulas matemáticas en función a las variables que caracterizan el tema de la respiración, velocidad y periodos de
inhalación y exhalación que se conjuntan con los elementos digitales y mecánicos hasta convertir en un dispositivo funcional
para la salud. Conclusiones. Se creó un modelo funcional y económico que permite salvaguardar la vida, aplicando materia-
les PLA, hierro sobre una bomba ambu, gracias a un lenguaje de programación que favorece el control del dispositivo en el
motor.
Palabras clave: modelo, ventilador, pandemia, covid19, electrónica.
Abstract
At the beginning of 2020, the COVID-19 pandemic began to spread and affect many countries, greatly disturbing the respi-
ratory health of millions of inhabitants of the world, in such a way that it affected the continuity of hospital services, in many
cases demanding medical equipment. respiratory assistance. Therefore, this global crisis also meant an opportunity for each
sector to innovate and contribute to society to mitigate the effects of the pandemic. Therefore, the purpose of this document
is to explain the development of the first respiratory ventilator model developed at the National Technical University, from
its conceptualization, organization, assembly, testing and commissioning, from the mechanical context to digital technicality,
which became a challenge for a group of students from the Electronic Engineering major, who were studying the subject of
Power Electronics, in the Bachelor’s section, who with the guidance of the authors of this article and despite the limitations
that in its moment occurred as the reality of virtualization, closures and restrictions established by the government authorities,
was not an impediment to carry out the model, which became a remarkable work for the university community. With this,
among the results, a cost table is proposed, mathematical formulas working according to the variables that characterize the
subject of respiration, speed and periods of inhalation and exhalation that are combined with digital and mechanical elements
so that it becomes a functional device for health in respiratory assistance. Therefore, thanks to the method and the findings,
it is possible to create a functional and economic model that allows to save life, using PLA materials, iron on an ambu pump,
thanks to a programming language that favors the control of the device in the motor.
Keywords: model, fan, pandemic, covid19, electronics.
UTN Artificial Ventilator Model
Against Covid 19
Referencia/ reference:
Vargas, A. y Salazar, H. (2023). Modelo de ventilador articial UTN contra Covid 19. Yulök Revista de Innovación Académica,
Vol.7 (1), 31-39. https://doi.org/10.47633/yulk.v7i1.571
Recibido: 21 de junio del 2022 Aceptado: 9 de diciembre del 2022
Heriberto Salazar Agüero
Universidad Técnica Nacional, Ingeniería Electrónica, Sede Central, Alajuela, Costa Rica
hsalazar@utn.ac.cr
https://orcid.org/0000-0002-4431-0882
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Yulök Revista de Innovación Académica, ISSN 2215-5147, Vol. 7, N.º 1
Enero-Junio 2023, pp. 31-39
Vargas, A. y Salazar, H. Modelo de ventilador articial UTN contra Covid 19.
Introducción
El respirador artificial o ventilador es un equipo tecno-
lógico construido con el fin de ayudar a las personas
afectadas por una insuficiencia respiratoria por motivos
diversos como una neumonía que presenta dificultad al
respirar de forma natural. Este modelo genera aire que
es introducido a los pulmones por una bomba ambu que
es accionada por un motor DC (corriente directa), el cual
transmite el movimiento rotacional a un par de piezas
mecánicas que simulan las manos de un humano me-
diante un eje y así proporciona flujo de aire al paciente.
El sistema de automatización es controlado con una tarje-
ta electrónica Arduino, la cual contiene la programación
destinada al funcionamiento del modelo.
El ventilador tiene una pantalla LCD (liquid-crystal dis-
play), un potenciómetro para el control, el cual permite
al usuario definir el modo de operación, volumen, pre-
sión y frecuencia requerida. Este modelo es alimentado
por una fuente de 24 voltios AC/DC. Se realizó con un
costo de $178 dólares estadounidense con el fin de poder
demostrar que es fiable y se pueda construir para ayudar
a la emergencia nacional ocasionada por la pandemia.
Si bien es cierto, la herramienta no brinda una solución
de cura directamente, no obstante, permite ayudar a los
pacientes infectados que presenten dificultad al respirar.
Estos modelos además de poder multiplicar la capacidad
de ventilación pueden servir para gestionar el riesgo de
cualquier incidente.
El impacto de esta herramienta contra la lucha del CO-
VID-19 es muy positivo, debido a que actualmente no
se cuenta con una gran capacidad de estos tipos de ven-
tilación mecánica fabricados que puedan ayudar con la
emergencia que está pasando el país, por lo que cada vez
que haya un modelo nuevo y cumpla con todos los es-
tándares establecidos por el ministerio de salud pueden
llegar a salvar una vida humana.
Referencial Teórico
En ocasiones las personas con insuficiencia respiratoria
requieren un respirador artificial mecánico para ayudar
en el proceso de inhalación-exhalación; el cual puede
salvar vidas. Los respiradores artificiales se pueden uti-
lizar de varias formas; generalmente, se coloca un tubo
de plástico por las fosas nasales o en la boca hasta la trá-
quea. Si el individuo requiere ventilación mecánica por
más tiempo, se puede poner el tubo en la tráquea a través
de una pequeña cisura en la parte antepuesta del cuello.
Por lo general, una traqueotomía es más inequívoca y có-
moda para la ventilación mecánica a mayor tiempo; gra-
cias al tubo que se enlaza al respirador, según sea la nece-
sidad del paciente. Existen muchos tipos de respiradores
y formas de ejecución, por ejemplo, como indica Hernan-
do & otros (2017) “Cuando un enfermo está conectado a
un ventilador, el aire no pasa a través de las fosas nasales,
que humedecen y calientan el aire” (p. 331), para ello se
incorporan sistemas de humidificación.
Este artefacto es aplicado por medio de resucitador-ma-
nual que físicamente es una bolsa-autoinflable, para fa-
cilitar la ventilación con presión positiva para pacien-
tes que no respiran o que no lo hacen adecuadamente.
La manufactura es un proceso que alcanza dos vías de tra-
tamiento: manual o a máquina (automático). Para el ma-
nejo de este ventilador a nivel de Ingeniería Electrónica,
es relevante incorporar algunos temas de digitalización.
En este caso los estudiantes trabajaron bajo la plataforma
de la tarjeta arduino ATMega. Esta tarjeta microcontrola-
dora según Moreno (2018) “es utilizada para realizar la
traducción del protocolo USB a un protocolo serie más
sencillo y entendible por la placa, y viceversa”. (p. 46).
Incorporar un código a este dispositivo hará un movi-
miento mecánico repetitivo, lo cual es importante con su
objetivo de la inhalación y exhalación. Para este punto
es muy importante la utilización de los sensores; que son
elementos electrónicos con la funcionalidad de identifi-
car la diferencia de una magnitud física como tempera-
tura, iluminación, movimiento y presión; así como mo-
dificar la magnitud de ésta, en una señal eléctrica ya sea
Ilustración 1. Tarjeta Arduino con Microcontrolador ATMEGA
Fuente: https://startingelectronics.org/
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Vargas, A. y Salazar, H. Modelo de ventilador articial UTN contra Covid 19.
analógica o digital. Aunado con lo que indica Sánchez
(2018): “La señal que proporcionan se activa cuando se
supera cierto umbral” (p.41); esto dependerá claramente
de los datos del fabricante, y que se requiera controlar.
Muchos países se han visto afectados por una nueva pan-
demia que surgió en el continente asiático (COVID-19),
este virus ha llegado a tener un gran impacto social y eco-
nómico al punto de llegar a colapsar hospitales, ya que
ataca mayormente el sistema respiratorio de las personas
afectadas. Durante la emergencia se ha tenido que utilizar
resucitadores manuales y resucitadores mecánicos para
poder solventar esta crisis, es decir, cuando se necesita
asegurar una ventilación normal a un paciente o cuando
éste se encuentre imposibilitado de mantener su respira-
ción por sí solo.
Los resucitadores manuales no son del todo prácticos, ya
que, el funcionamiento de este se vería limitado al desem-
peñar el equipo, por el esfuerzo físico que se ejecuta a la
hora de accionar el ventilador manual, con el transcurso
del tiempo la fuerza aplicada se va perdiendo y presión
y cantidad de aire que se aplican al paciente no son del
todo seguro, provocando riesgo de alteración en el siste-
ma respiratorio en lugar de obtener una eficiente de recu-
peración en la persona.
Por otra parte, se encuentran los resucitadores mecánicos,
estos representan en gran parte el sistema respiratorio
mismo, el cual se compone de un elemento resistivo (vías
aéreas) y un elemento elástico (tejido pulmonar y pared
torácica). Este tipo de respirador artificial es caracteriza-
do para simular el funcionamiento de los pulmones, este
tipo de ventilación está compuesto por una bomba ambu
y esta va conectada a una mascarilla que es la que se colo-
cara en el paciente, entre la bomba y la mascarilla va co-
nectado una válvula de presión la misma que controla el
paso del aire hacia la mascarilla. El aire exhalado es des-
viado por una ranura de escape que en general se ubica a
un lado de la mascarilla, la mayoría de los resucitadores
proveen una ventilación no invasiva y pueden trabajar sin
necesidad de adicionar oxígeno suplementario. Algunos
de estos equipos contienen una pequeña bolsa adicional
en la parte posterior, la cual se utiliza de reserva cuando el
resucitador es conectado a un tanque de oxígeno.
Metodología
El marco metodológico es el componente principal de la
investigación, se debe tomar en cuenta que la informa-
ción prevista se procesa para que puedan ser estudiados
por personas involucradas con la temática y elevar así la
comprensión.
El personal docente y estudiantil crean un producto tec-
nológico con una finalidad social de beneficio en el área
de la salud.
A. Análisis de Requerimientos
Se tomaron en cuenta muchos de los estándares de equi-
pos existentes en el mercado, para evitar poner en riesgo
la salud humana. Se elaboró el modelo con una serie de
requerimientos necesarios para enfrentar la crisis y así
ayudar a los médicos según las necesidades de las perso-
nas afectadas.
B. Descripción detallada de la solución
El equipo se compone de un conjunto de prensas y engra-
najes fabricados por una impresora 3D, además de algu-
nos componentes electrónicos, las prensas son controla-
das por un motor tipo DC con caja reductora. La funcio-
nalidad del modelo corresponde a que mediante la acción
del motor este accionará las prensas en movimientos de
cerrado y abierto, que a su vez presionará la bomba ambu
continuamente para así poder suministrar el oxígeno ne-
cesario al paciente.
Primeramente, se realiza el diseño de la prensa en un
programa de modelado 3D, en un extremo tiene la forma
para que pueda sujetar la bomba ambu y en el otro tie-
ne la forma de un engranaje, de modo que estas puedan
funcionar como unas “tenazas”, para ello se requieren de
dos piezas para formar la prensa, estas dos realizarán el
movimiento de abrir y cerrar, debido a la forma de adap-
tación del engranaje en su base. Para poder ejecutar los
movimientos se opta por colocar un motor DC con caja
Tabla 1. Estructura y funcionamiento del modelo
Estructura Funcionamiento del modelo
• Solida
• Liviana
• Portátil
• Materiales no corrosivos
• Diseño accesible al fa-
bricar
• Modelo autónomo a partir
de su activación.
• Medición de volumen
• Medición de Presión
• Medición de Frecuencia ci-
clos/minutos.
• Regular el flujo de entrada
de aire
Fuente: Elaboración Propia