Resumen

Las estancias prolongadas en cama para personas que presentan algún tipo de discapacidad motriz, han generado un serio problema en un sector de la población, ya que la falta de movimientos continuos de posturas por decúbito, así como la verticalización de dichas personas, han favorecido a la aparición de úlceras así como las problemáticas mayores. Afectando su salud y calidad de vida incluso de las personas que están a su cuidado, que en muchas de los casos son sus propios familiares. El presente trabajo de investigación busca, con el apoyo de las Nuevas Tecnologías, “ayudar” a evitar o prevenir úlceras por presión, problemas digestivos, articulares y deformaciones de la columna vertebral. Esto derivado de las personas que presentan estancias prolongadas en cama ya sea por algún tipo de discapacidad temporal o permanente. Es por ello que en el presente trabajo proyecta un diseño integral, donde se combinen disciplinas como la ingeniería y el diseño, sin olvidar los conceptos de  ergonomía y antropometría, que permita a los pacientes tener posturas de decúbito y verticalización de sí mismos, de manera automatizada y programada. Considerando determinados tiempos para cada posición, permitiendo con esto que los puntos de presión puedan distribuirse en el cuerpo así como la movilidad y verticalización del mismo, y con ello ayudar a evitar dichas problemáticas, de la misma forma se genera un sistema de monitorización de signos vitales permanente, que permita emitir señales al personal médico y que le indique el estado de salud del paciente en tiempo real.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Según la OMS (2019), en muchos países de ingresos bajos o medianos, solo entre el 5% y el 15% de las personas que necesitan dispositivos y tecnologías de apoyo tienen acceso a ellos. La producción es escasa y con frecuencia de poca calidad. Hay escasez de capacitación para administrar la facilitación de dichos dispositivos y tecnologías, especialmente a nivel municipal. En muchos lugares donde el acceso sería posible, los costos son tan altos que se vuelve imposible costearlos. Si sumamos el hecho de que se está incrementando de manera acelerada el número de personas adultas mayores, que los accidentes en donde se discapacita a una persona han crecido, que el deterioro ambiental está provocando nacimientos en donde el niño nace con discapacidades físicas, entonces el problema se agudiza.

Según datos del INEGI, en 2015, existe una cama de hospital por cada 1000 habitantes, mismas que no cuentan con las características para poder ser ocupadas en estancias prolongadas por pacientes, en la zona Sur del Estado de México, la falta de camas especializadas para el cuidado de pacientes estacionarios es mayor, ya que las instituciones de salud, tanto públicas como privadas, no cuentan con el número de camas necesarias para atender a los pacientes, llamados ambulatorios, y si se suman los casos de personas que pierden parcial o totalmente la movilidad sumando que las instituciones no cuentan con equipo suficiente ni con personal capacitado, entonces se vuelve necesario brindar alternativas que permitan a familiares contar con equipos que apoyen el cuidado y monitoreo del paciente. Un paciente en estado estacionario llega a ser muy complicado su cuidado, el personal de enfermería argumenta que para hacer cambios de ropa, ya sea a paciente o cama, mínimo se requieren 3 personas, y si se tienen 3 pacientes en este estado el tiempo de respuesta se incrementa, los cuidadores primarios de igual forma tienen muchos problemas para el adecuado manejo del paciente, situación que lleva a que no se cuente con una eficiente y cálida atención. El descuido ocasiona en estos casos que se formen úlceras por presión, que si no son cuidadas pueden ocasionar hasta llegar a formar llagas muy profundas o gangrena.

Antecedentes

El avance de la mecatrónica ha permitido que sistemas, maquinas, procesos que estén involucrados en los diferentes campos de la ciencia puedan ser automatizados permitiendo reducir tiempo, riesgos y mejorar la productividad; la medicina no está fuera de esta tendencia  por lo que dentro de este campo existen una infinidad de instrumentos que pueden ser automatizados (Aretz, 2015).

Gracias a nuevas tecnologías se puede mejorar procesos y maquinas existentes al automatizarlas, con esto se logra un mejor control, reducción de costos y aumento en la productividad y seguridad. En el caso del sector salud, los datos digitales provienen de registros médicos electrónicos e imágenes, aunque también pueden considerarse datos farmacológicos, ambientales y hábitos de los pacientes, entre otros (Chen et al 2012; Manyika et al, 2013; Kambatla et al, 2014; Kayyali et al, 2013). De esta manera, Big Data permitiría mejorar la capacidad de respuesta del sistema de salud pública, incrementarla detección temprana de enfermedades y reducir los tiempos de investigación médica, o bien, avanzar hacia una medicina personalizada utilizando los datos de pacientes. Las mejoras en productividad se alcanzarían a partir de la reducción de costos por tratamientos poco efectivos, efectos adversos, errores médicos y criterios sesgados hacia intervenciones no adecuadas; y mejoras en la identificación de patrones en las patologías, monitoreo remoto de los pacientes y sistemas personalizados.

La automatización de equipos y procesos es aplicable a cualquier ámbito, desde la industria hasta el hogar, claro está es también a la medicina. Ya en este campo la  automatización de este tipo de equipo médico esencial en la recuperación de los pacientes es muy importante ya que permite tener un mejor y más preciso control en los movimientos de la cama, así como facilitar esta tarea al personal encargado del paciente, permitiendo al enfermero realizar otras actividades encaminadas al cuidado del paciente (Forero, 2014).

Como indica la Organización Mundial de la Salud (2019), los dispositivos y las tecnologías de apoyo como sillas de ruedas, prótesis, ayudas para la movilidad, audífonos, dispositivos de ayuda visual y equipos y programas informáticos especializados aumentan la movilidad, la audición, la visión y las capacidades de comunicación. Con la ayuda de estas tecnologías, las personas con discapacidad pueden mejorar sus habilidades y, por tanto, están más capacitados para vivir de forma autónoma y participar en sus sociedades. En este orden de ideas, presenta en el informe que se ha incrementado de manera alarmante el número de personas con algún tipo de discapacidad, ocasionado por el crecimiento de la población, enfermedades crónicas, la malnutrición, minas terrestres, la violencia, el SIDA, la degradación ambiental, el tránsito rodado, los accidentes domésticos y las actividades recreativas y laborales.

La llegada de la Cuarta Revolución Industrial ha traído consigo una nueva visión y metodología capaz de transformar las operaciones de cualquier sector. Gracias a tecnologías como La Nube, Inteligencia Artificial, Big Data e Internet de las Cosas, hoy se cuenta con más y mejor información para una toma de decisiones más acertada que permita reducir costos, optimizar recursos y hasta curar enfermedades (Top Management, 2018).

La salud 4.0 permite asegurar asistencia remota y el seguimiento y control de pacientes crónicos e incluso la formación a distancia de los profesionales del sector, a lo que habría que sumar valores de eficiencia y sostenibilidad (CiudadesDelFuturo, 2015).

En este sentido, el sector Salud ha sido uno de los más beneficiados, ya que con los últimos avances tecnológicos como impresión 3D, nanomedicina y wearables se han podido redefinir y eficientar los servicios de salud públicos y privados. De hecho, según la Consultora McKinsey & Co se estima que el empleo de IoT en el sector salud permitirá un ahorro de 63 mil millones de dólares , a nivel mundial,  en costos y gastos médicos durante los próximos 15 años (Top Management, 2018).

Esta situación lleva a repensar en las aplicaciones que se tendrán que hacer con equipos como sillas de ruedas, camas de hospital, prótesis, y todos aquellos sistemas, mecanismos y equipos que requieren adaptarse a la nueva revolución, y que permitan que el paciente tenga una mejor calidad de vida, así como se encuentre conectado de manera constante y en tiempo real con el médico especialista, que se monitoree sus signos vitales, así como el consumo adecuado de los medicamentos.

A este ritmo frenético de innovación, podemos predecir una nueva fase en el área médica con equipos más avanzados que consigan cosas tan impresionantes como la impresión 3D de órganos y huesos, los nanorobots dentro de nuestro organismo o el autodiagnóstico de enfermedades (CiudadesDelFuturo, 2015).

Objetivo

General

Diseñar de un sistema inteligente de cama multiposiciones, para personas con estancias prolongadas, utilizando las aplicaciones de la I4.0, para mejorar la calidad de vida de un paciente estacionario.

Específicos

• Seleccionar la tarjeta de adquisición de datos que se adapte al sistema de control.
• Generar el sistema mecánico que permita los movimientos.
• Seleccionar el método de adquisición de datos, así como el estadístico de análisis más adecuado.
• Desarrollar el sistema de seguimiento al paciente para su control.

Justificación

En la actualidad nos encontramos en los albores de la llamada cuarta revolución industrial o Industria 4.0, que se articula en torno al concepto de las denominadas empresas inteligentes, en las que máquinas y sistemas están interconectados entre sí, es la búsqueda de la adaptabilidad y de la eficiencia de los sistemas de producción. Esta situación ha llegado fuertemente al sector salud, gestando el término salud 4.0, ya que hace referencia a dotar de sistemas inteligentes a los elementos médicos, de tal forma que facilite al paciente, al cuidador primario, al personal de enfermería y al médico el cuidado, tratamiento y seguimiento de un paciente, contando con medios de apoyo que permitan monitorear, estimar y/o tomar decisiones importantes; hoy es necesario contar con seguimiento médico las 24 horas del día, y esta situación se ha visto favorecida gracias a las aplicaciones y usos que las nuevas tecnologías brindan.

Este proyecto busca desarrollar tecnología que coincida con las definiciones de salud 4.0, diseñando una cama para ser ocupada en  estancias prolongadas por pacientes con problemas de movilidad, proponiendo un diseño multiposiciones, es decir que brinde movimientos controlados en diferentes posiciones al paciente, que pueda ser manipulada de forma fácil y rápida ya sea por el personal de enfermería, por el cuidador primario o por el mismo paciente, evitando de esta forma que se generen úlceras por presión, apoyando en el cambio de ropa de cama, de ropa del paciente, además de que contará con un sistema de monitoreo que permitirá conocer su estado de salud en tiempo y forma real, enviando información continua al médico.

Hipótesis

El desarrollo y adaptación de un sistema de cama inteligente multiposiciones, utilizando la tecnología I4.0, permitirá contar con la certeza al cuidador primario, al personal de enfermería y/o al médico de que el paciente, que está recluido de forma estacionaria en una cama, que cuenta con los movimientos necesarios al día para evitar la formación de úlceras por presión, además servirá de apoyo en labores como cambios de cama, cambio de ropa del paciente, de la misma forma contará con un sistema de monitoreo que permitirá contar con el estado que guardan los signos vitales del paciente, datos que brindan trazabilidad al tratamiento de un paciente.

Método (materiales y procedimiento)

El estudio se llevará a cabo  dentro de las instalaciones de la Universidad Tecnológica del Sur del Estado de México, situado en la parte sur del Estado de México, en el Municipio de Tejupilco San Miguel Ixtapan, Km. 12 Carretera Tejupilco – Amatepec). Tejupilco (en náhuatl “Texopilco”) es uno de los 125 municipios pertenecientes al Estado de México. Cuenta con una población de 71,077 habitantes según el censo de población y vivienda 2010. Su clima varía de cálido a húmedo y a semi-cálido húmedo con lluvias en verano y con un porcentaje menor de lluvias en invierno. Varían al igual que el máximo es de 40° en verano.

El tipo de diseño de estudio que se desarrollará es del tipo experimental, en donde las variables que se controlarán serán la posición, la velocidad, el tiempo y de forma adicional se desarrollará el seguimiento y control a variables como la temperatura del paciente, las pulsaciones cardíacas, el peso corporal, es importante mencionar que en esta etapa del proyecto no se trabajará con humanos participantes.

En donde en la primera parte se aplicará una encuesta para conocer los tipos de camas con los que se cuenta, principalmente en Tejupilco, Estado de México, por hospitales tanto públicos como privados, de la misma forma para conocer si el modelo de cama que se desarrolla sería aceptado y adquirido tanto por hospitales como por particulares. Dicho cuestionario se encuentra en el anexo 1.

Posterior a los resultados de la encuesta se prosigue con el diseño del sistema de cama multiposiciones, en donde se presentará el dibujo propuesto para el diseño de la cama, de acuerdo a las posiciones recomendadas para mejor la estancia del paciente en cama, posterior a ello se calcularán los grados de libertad de cada movimiento, para determinar de igual manera los ángulos de posición adecuados para el movimiento del paciente.

El desarrollo del sistema de control se espera en dos etapas, la primera de ellas deberá de considerarse de forma manual, es decir que a solicitud del personal de enfermería o cuidador primario permita el movimiento como ayuda para el cambio de ropa del paciente o de la cama, de la misma forma les permita brindarle el aseo adecuado.

Durante la segunda etapa se presentará la forma automática de control, en donde se programarán los movimientos necesarios para el paciente, los tiempos y los ángulos, para que de esta forma si por razones ajenas no es posible brindar el movimiento de manera manual, el sistema mueva al paciente y esta situación disminuya la presencia de úlceras por presión y mejore su calidad de vida.

A continuación se describen los pasos del proyecto y las actividades que involucran.

1. Diseño más adecuado de cama, dependerá de las dimensiones de una cama normal de hospital, así como de los movimientos que deba de tener, éstos determinarán las posiciones del paciente. Con estos datos, se puede determinar qué mecanismos resultan ser los más adecuados.

2. Incluir en el sistema no sólo los cambios de posturas del paciente de forma automatizada, sino también de forma manual, para efectos de falta de energía eléctrica o mantenimiento en el sistema eléctrico o electrónico, se seguirá el sistema diagrama de flujo para desarrollar de forma eficaz el sistema de control, mostrado en la figura 1.

Figura 1. Diagrama de flujo para control de cama
Fuente: elaboración propia

3. Diseñar el sistema de monitoreo de las variables, que aseguren que el paciente ha sido movido durante el día, así como el seguimiento a los parámetros médicos a cuidar como son temperatura, peso del paciente y ritmo cardíaco, que indicarán su comportamiento y enviarán los datos al médico que da seguimiento.

4. Diseño de la interfaz con el usuario, que permita conocer si el paciente ha tenido movimiento, y si se ha cambiado a la forma manual, asimismo la pantalla que permita monitorear las variables que proporcionen su estado físico. Se utilizará tecnología rapsberry y arduino para generar una pantalla que sea amigable para los usuarios.

5. Implementación del sistema en conjunto para generar pruebas y observar posibles ajustes al mismo, esta parte se considera indispensable, ya que permitirá evaluar la eficiencia del diseño.

Galería Método

Resultados

Se aplicó la encuesta diseñada para poder conocer la aceptación de la cama, de la misma forma si estarían dispuestos a adquirirla, en donde se encontraron los siguientes resultados:

Figura 1. Gráfica de resultados para adquirir la cama

En la figura 1 se presenta uno de los resultados más importante y el que más preocupa, el adquirir el sistema de cama multiposiciones, en donde los entrevistados, entre médicos, enfermeras y público, mencionaron que sí lo adquirirían, siempre que cumpliera con los requisitos del paciente, en especial los parientes de pacientes mencionan que esta cama sería de gran ayuda y apoyo, ya que las camas que hoy en día se tienen son en su mayoría mecánicas, sus movimientos están muy limitados y para mover a un paciente deben de tener apoyo de más de uno, por lo que cuando se encuentran solos es muy complicado darles movimiento, lo que influye en que se le lleguen a formar úlceras, lo que hace más complicado su estado de salud.

Estos resultados motivan aún más continuar con el diseño de la cama, en donde se presentan a continuación las dimensiones antroprométricas tomadas para la cama y recomendadas por médicos y enfermeras. Con base en lo anterior, para el desarrollo del diseño se consideró a un usuario de sexo masculino de 45 años de edad, un peso aproximado de 55 kg y las dimensiones antropométricas estructurales que se muestran en la figura 2.

Figura 2. Dimensiones antropométricas estructurales del paciente (Zelnik, 1996)

Las posiciones recomendadas para el movimiento del paciente se resumen en la tabla 1, en donde las enfermeras y cuidadores primarios coinciden.

Tabla 1. Movimiento y ángulo aproximado de posicionamiento

Fuente: Entrevistas realizadas a personal de enfermería y cuidadores primarios

A partir de estas dimensiones, se realizará el concepto de diseño del sistema, buscando desarrollar varios conceptos con la intención de tener opciones que permitan realizar la mejor selección.

En la figura 3, se  muestra el análisis de uno de los mecanismos, considerando algunos ángulos de posicionamiento.

Figura 3. Análisis cinemático gráfico del mecanismo
Fuente: Autoría propia

En esta  propuesta se desarrolla un concepto de diseño, pretendiendo también considerar las diferentes posturas por decúbito lateral como se muestra en la figura 4 en el inciso a) el movimiento a decúbito lateral derecho, e inciso b) movimiento para decúbito lateral izquierdo y en el inciso c) posición sentado del paciente.

(a)                                          (b)                                      (c)
Figura 4. Posición para: (a) decúbito lateral derecho (b) decúbito lateral izquierdo y (c) Posición sentado.
Fuente: Autoría propia

En la figura 5 se muestra un análisis de las trayectorias del sistema para poder lograr el movimiento para decúbito requerido, en donde se limitará cada uno de ellos a contar con un mecanismo de un solo grado de libertad, además de limitar con topes físicos y seguros mecánicos la posición, y de esta forma evitar que el paciente pueda sufrir una caída o que el movimiento lastime su condición, de la misma forma estos ángulos permitirán realizar el cambio fácil de la ropa de cama o un cambio del paciente.

Figura 5. Trayectoria de inclinación para posiciones por decúbito
Fuente: Autoría propia

Para verticalizar al usuario, el diseño se encuentra limitado todavía, ya que para lograr este movimiento y postura se debe de posicionar en mínimo 45º, aún se tiene que incorporar este movimiento y seleccionar la forma más adecuada de seguridad para evitar algún tipo de accidente o caída, además de diseñar el seguro adecuado para asegurar la postura durante el tiempo designado, así como para hacer que el movimiento de regreso sea de la forma más amortiguada posible, este problema se pretende resolver mediante el uso de pistones hidráulicos que ayuden a esta tarea, falta el desarrollo en el diseño. Logar la verticalización es uno de los movimientos más complicados, ya que la gravedad es uno de los factores que intervienen, sumando el peso del paciente. A continuación se muestra, en la figura 6, el primer prototipo construido para probar el sistema mecánico y de control:

Figura 6. Prototipo de prueba para cama
Fuente: autoría propia

En la figura 7, se muestran en el inciso a, el prototipo con la inclinación para decúbito lateral derecho, el inciso b, el movimiento para decúbito lateral izquierdo, para cada caso se consigue brindando una posición de 25º medida con respecto a la vertical; y en el inciso c, el movimiento que se ha conseguido para la verticalización del paciente, llegando a un ángulo máximo de 30º.

(a)                                   (b)                            (c)
Figura 7. Posiciones en movimiento para (a) Decúbito lateral derecho, (b) Decúbito lateral izquierdo y (c) Verticalización
Fuente: autoría propia

Para el cálculo de los grados de libertad, se considera al mecanismo como uno de 4 barras, del tipo manivela-balancín, figura 8, para poder tener un mayor control del movimiento, por lo que el resultado en cuanto a los grados de libertad debe de ser igual a uno, para poder asegurar que el paciente no sufrirá accidentes al momento del movimiento, además de generar expectativa positiva en el sistema de control.

Figura 8. Mecanismo de 4 barras manivela-balancín
Fuente: autoria propia

Galería Resultados

Discusión

Para lograr los objetivos de diseño de este proyecto y con ello poder “ayudar” a evitar las problemáticas ya mencionadas, se ha trabajado en diferentes aspectos en el proceso de la investigación, los cuales se comentan a continuación.

Se realizaron visitas a diferentes clínicas, hospitales y casas habitación, para entrevistar al personal médico, familiares y sobre todo a las personas que presentaban dichas estancias, con el objetivo de conocer más a fondo las problemáticas derivadas y el cómo las resuelven desde el punto de vista del diseño e ingeniería, buscando con ello identificar las variables a controlar, mismas que se consideraron en el diseño. Se realizaron formatos para las entrevistas realizadas en esta investigación de campo, y que ayudaron a generar especificaciones.

Conclusiones

A partir de los resultados se diseña el concepto general del sistema automatizado, así como también un análisis cinemático del mecanismo, permitiendo, con esto el desarrollo de un diseño que pueda cumplir con los movimientos propuestos, de la misma forma que cumpla con los resultados del análisis cinemático realizado.

La realización del modelo funcional, ha permitido observar entre otras cosas, los cambios de postura por decúbito y verticalización del sistema, así como sus respectivos ángulos de inclinación en estas posiciones. Se aprecia que en el diseño se consideró  ángulos de 45° para la verticalización del paciente, sin embargo en el modelo del sistema sólo se obtuvo un ángulo de 30° para este concepto. Un punto importante en este aspecto, es que se pueden realizar ajustes al diseño de los mecanismos encargados de controlar este ángulo de inclinación, y con ello lograr la inclinación proyectada en el diseño. En el caso de la inclinación de las posturas por decúbito, no se tuvo ningún problema para alcanzar estos ángulos de inclinación deseados en el diseño.

Para poder llevar a cabo la automatización del sistema en el presente modelo, se utilizó una tarjeta arduino duo y una tarjeta rapsberry pi, para controlar los tiempos y formas de la activación de los motores y con ello los cambios de postura del paciente en el sistema. El uso de estas tecnologías involucra rutinas de programación, misma que en estas se pueden definir los intervalos de tiempos entre los diferentes cambios de postura del paciente, además de que lo vuelve más robusto en el sentido de detectar errores. Es conveniente que los cambios de postura de un paciente con estancias prolongadas en cama sean en intervalos de 40 minutos entre cada una de estas, esto de forma cíclica hasta un número determinado de ellas, esta información se integra en la rutina de programación, una vez terminado este proceso, la forma de controlarlo, actualmente en modo automático se da utilizando un control alámbrico, pero se observa que esta situación podría causar mayores problemas, por lo que ya se está trabajando con la conexión vía inalámbrico del sistema, en el modo manual el control se da por medio de  botoneras.

Un punto importante y complejo en el desarrollo del presente proyecto es el diseño del sistema de mecanismos, que ha permitido generar los diferentes cambios de postura del paciente de forma eficaz en el modelo funcional realizado, con base a lo requerido por los diferentes cambios posturales para con él paciente. En un proyecto de esta naturaleza, el diseño mecánico juega un papel fundamental en la búsqueda de “ayudar” a mejorar la calidad de vida del ser humano en este rubro, otro punto que no ha resultado sencillo es el enviar los datos bioeléctricos a un sistema de alarmas, ya quer las conexiones vía wifi no han resultados tan eficientes, lo que retrasa el envío, actualmente se trabaja en la mejora de protocolos que ayuden a conservar estos datos, una posible solución propuesta es utilizar la nube, que se genere una Bigdata y a través de machine learning enviar los datos de manera inteligente para su atención y lectura.

Bibliografía

Aretz, B. (2015). Development of an Innovative Hand Prosthesis . Madrid: Universidad Pontificia de Madrid.

Barros Lozada, T. (2017). La Industria 4.0: Aplicaciones e Implicaciones. Sevilla: Escuela Técnica Superior de Ingeniería. Universidad de Sevilla.

Chen, C. L., y Chun-Yang Zhang (2014). Data-Intensive Applications, Challenges, Techniques and Technologies: A Survey on Big Data. Information Sciences.

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Forero, A. (2014). Tecnología que revoluciona la medicina , Colombia: EL TIEMPO Casa Editorial.

Kambatla K, Kollias G, Kumar V, Grama A. (2014). Trends in big data analytics. Journal of Parallel Distributed Computation, 74, 2561-2573.

Kayyali, Basel, Knott, David y Van Kuiken, Steve (2013). The big-data revolution in US health care: Accelerating value and innovation. Mc Kinsey & Company, 1-13

Manyika, James, Chui, Michael, Brown, Brad, Bughin, Jacques, Dobbs, Richard, Roxburgh, Charles y Byers, Angela Hung. (2011). Big data: The next frontier for innovation, competition, productivity. McKinsey Global Institute. Report May 2011.

OMS. (2005). Discapacidades y rehabilitación. Resolución de la Asamblea Mundial de la Salud (WHA58.23)

Top Management. (2018). http://topmanagement.com.mx. Recuperado el 22 de febrero de 2019, de http://topmanagement.com.mx/industria-4-0-sector-salud/

Summary

Prolonged bed stays for people with some type of motor disability, have generated a serious problem in a sector of the population, since the lack of continuous movements of postures by decubitus, as well as the verticalization of these people, have favored the appearance of ulcers as well as major problems. Affecting their health and quality of life even of the people who are in their care, which in many cases are their own relatives. The present research work seeks, with the support of the New Technologies, to “help” to prevent or prevent pressure ulcers, digestive, joint problems and deformations of the spine. This is derived from people who have long stays in bed due to some kind of temporary or permanent disability. That is why in this work he projects an integral design, where disciplines such as engineering and design are combined, not forgetting the concepts of ergonomics and anthropometry, which allows patients to have recumbent and vertical positions of themselves, so Automated and scheduled. Considering certain times for each position, allowing with this that the pressure points can be distributed in the body as well as the mobility and verticalization of the body, and thereby help avoid such problems, in the same way a sign monitoring system is generated permanent vitals, that allow to emit signals to the medical personnel and that indicate the state of health of the patient in real time.

Research Question

Problem approach

According to the WHO (2019), in many low or middle income countries, only between 5% and 15% of people who need support devices and technologies have access to them. Production is poor and often of poor quality. There is a shortage of training to manage the facilitation of such devices and technologies, especially at the municipal level. In many places where access would be possible, the costs are so high that it becomes impossible to afford them. If we add the fact that the number of older adults is increasing rapidly, that accidents where a person is disabled have grown, that environmental deterioration is causing births where the child is born with physical disabilities, then the Problem is exacerbated.

According to INEGI data, in 2015, there is a hospital bed for every 1000 inhabitants, who do not have the characteristics to be able to be occupied in prolonged stays by patients, in the South of the State of Mexico, the lack of specialized beds for the care of stationary patients is greater, since health institutions, both public and private, do not have the number of beds necessary to attend to patients, called outpatients, and if the cases of people who partially or totally lose mobility adding that the institutions do not have sufficient equipment or trained personnel, then it becomes necessary to provide alternatives that allow family members to have equipment that supports patient care and monitoring. A patient in a stationary state becomes very complicated care, the nursing staff argues that to make changes of clothes, either a patient or bed, minimum 3 people are required, and if you have 3 patients in this state the time of response is increased, primary caregivers also have many problems for the proper management of the patient, a situation that leads to lack of efficient and warm care. Neglecting causes pressure ulcers to form in these cases, which, if not taken care of, can lead to very deep sores or gangrene.

Background

The advance of mechatronics has allowed that systems, machines, processes that are involved in the different fields of science can be automated allowing to reduce time, risks and improve productivity; Medicine is not out of this trend, so within this field there are an infinite number of instruments that can be automated (Aretz, 2015).

Thanks to new technologies, existing processes and machines can be improved by automating them, with this, better control, cost reduction and increased productivity and safety are achieved. In the case of the health sector, digital data comes from electronic medical records and images, although pharmacological, environmental and patient habits can also be considered, among others (Chen et al 2012; Manyika et al, 2013; Kambatla et al, 2014; Kayyali et al, 2013). In this way, Big Data would improve the response capacity of the public health system, increase early detection of diseases and reduce medical research times, or move towards personalized medicine using patient data. Improvements in productivity would be achieved by reducing costs for ineffective treatments, adverse effects, medical errors and biased criteria towards inappropriate interventions; and improvements in the identification of patterns in pathologies, remote monitoring of patients and personalized systems.

The automation of equipment and processes is applicable to any field, from industry to home, of course it is also to medicine. Already in this field the automation of this type of essential medical equipment in the recovery of the patients is very important since it allows to have a better and more precise control in the movements of the bed, as well as to facilitate this task to the personnel in charge of the patient, allowing the nurse to perform other activities aimed at patient care (Forero, 2014).

As indicated by the World Health Organization (2019), support devices and technologies such as wheelchairs, prostheses, mobility aids, hearing aids, visual aids and specialized computer equipment and programs increase mobility, hearing, Vision and communication skills. With the help of these technologies, people with disabilities can improve their skills and, therefore, are better able to live autonomously and participate in their societies. In this order of ideas, he presents in the report that the number of people with some type of disability has been alarmingly increased, caused by population growth, chronic diseases, malnutrition, landmines, violence, AIDS, environmental degradation, road traffic, domestic accidents and recreational and labor activities.

The arrival of the Fourth Industrial Revolution has brought with it a new vision and methodology capable of transforming the operations of any sector. Thanks to technologies such as The Cloud, Artificial Intelligence, Big Data and Internet of Things, today there is more and better information for a more accurate decision making that allows to reduce costs, optimize resources and even cure diseases (Top Management, 2018) .

Health 4.0 makes it possible to ensure remote assistance and the monitoring and control of chronic patients and even the distance training of professionals in the sector, to which we should add efficiency and sustainability values ​​(CiudadDelFuturo, 2015).

In this sense, the Health sector has been one of the most benefited, since with the latest technological advances such as 3D printing, nanomedicine and wearables, public and private health services have been redefined and efficient. In fact, according to the McKinsey & Co Consultant, it is estimated that the use of IoT in the health sector will allow savings of 63 billion dollars, worldwide, in medical costs and expenses over the next 15 years (Top Management, 2018) .

This situation leads to rethinking the applications that will have to be done with equipment such as wheelchairs, hospital beds, prostheses, and all those systems, mechanisms and equipment that need to adapt to the new revolution, and that allow the patient to have a better quality of life, as well as being constantly and in real time connected with the specialist doctor, who monitors your vital signs, as well as the proper consumption of medications.

At this frenetic pace of innovation, we can predict a new phase in the medical area with more advanced equipment that achieves such impressive things as 3D printing of organs and bones, the nanorobots within our organism or the self-diagnosis of diseases (CitiesDelFuturo, 2015) .

Objective

Justification

Currently we are at the dawn of the so-called fourth industrial revolution or Industry 4.0, which is articulated around the concept of the so-called intelligent companies, in which machines and systems are interconnected, is the search for adaptability and The efficiency of production systems. This situation has strongly reached the health sector, creating the term health 4.0, since it refers to providing intelligent systems with medical elements, in such a way that it facilitates the patient, the primary caregiver, the nursing staff and the doctor the care , treatment and follow-up of a patient, with supportive means to monitor, estimate and / or make important decisions; Today it is necessary to have medical monitoring 24 hours a day, and this situation has been favored thanks to the applications and uses that the new technologies offer.

This project seeks to develop technology that matches the definitions of health 4.0, designing a bed to be occupied in prolonged stays by patients with mobility problems, proposing a multi-position design, that is, providing controlled movements in different positions to the patient, which can be handled easily and quickly either by the nursing staff, by the primary caregiver or by the same patient, thus avoiding pressure ulcers, supporting the change of bedding, of the patient’s clothes, in addition that you will have a monitoring system that will allow you to know your health status in real time, sending continuous information to the doctor.

Hypothesis

The development and adaptation of a multi-position smart bed system, using I4.0 technology, will allow for certainty to the primary caregiver, the nursing staff and / or the doctor that the patient, who is stationary in a stationary bed, which has the necessary movements a day to prevent the formation of pressure ulcers, will also support work such as bed changes, changing the patient’s clothes, in the same way it will have a monitoring system that will allow for the state of the patient’s vital signs, data that provide traceability to the treatment of a patient.

Method (materials and procedure)

The study will be carried out within the facilities of the Technological University of the South of the State of Mexico, located in the southern part of the State of Mexico, in the Municipality of Tejupilco San Miguel Ixtapan, Km. 12 Carretera Tejupilco – Amatepec). Tejupilco (in Nahuatl “Texopilco”) is one of the 125 municipalities belonging to the State of Mexico. It has a population of 71,077 inhabitants according to the 2010 population and housing census. Its climate varies from warm to humid and to semi-warm humid with rains in summer and with a lower percentage of rains in winter. They vary as the maximum is 40 ° in summer.

The type of study design that will be developed is of the experimental type, where the variables that will be controlled will be the position, speed, time and additionally the monitoring and control will be developed to variables such as patient temperature, pulsations Cardiac, body weight, it is important to mention that at this stage of the project we will not work with human participants.

Where in the first part a survey will be applied to know the types of beds that are available, mainly in Tejupilco, State of Mexico, by both public and private hospitals, in the same way to know if the bed model that is Develop would be accepted and acquired by both hospitals and individuals. This questionnaire is found in annex 1.

After the results of the survey, the design of the multi-position bed system is continued, where the proposed drawing for the design of the bed will be presented, according to the recommended positions to improve the patient’s stay in bed, after that the degrees of freedom of each movement will be calculated, in order to determine in the same way the position angles suitable for the movement of the patient.

The development of the control system is expected in two stages, the first of which should be considered manually, that is, at the request of the nursing staff or primary caregiver, allow the movement to help change the patient’s clothes or bed, in the same way allow them to provide the proper toilet.

During the second stage the automatic control form will be presented, where the necessary movements for the patient, the times and the angles will be programmed, so that in this way if for reasons of others it is not possible to provide the movement manually, the system move the patient and this situation reduce the presence of pressure ulcers and improve their quality of life.

The steps of the project and the activities they involve are described below.

1. More adequate bed design, will depend on the dimensions of a normal hospital bed, as well as the movements that it should have, these will determine the positions of the patient. With this data, it can be determined which mechanisms are the most appropriate.

2. Include in the system not only changes in patient positions in an automated way, but also manually, for purposes of lack of electrical energy or maintenance in the electrical or electronic system, the flowchart system will be followed to develop effectively control system, shown in figure 1.

Figure 1. Flow chart for bed control
Source: self made

3. Design the monitoring system of the variables, which ensure that the patient has been moved during the day, as well as monitoring the medical parameters to be taken care of such as temperature, patient weight and heart rate, which will indicate their behavior and send the data to the doctor who follows up.

4. Design of the interface with the user, that allows to know if the patient has had movement, and if it has been changed to the manual form, also the screen that allows to monitor the variables that provide his physical state. Rapsberry and arduino technology will be used to generate a screen that is user friendly.

5. Implementation of the system together to generate tests and observe possible adjustments to it, this part is considered indispensable, since it will allow to evaluate the efficiency of the design.

Method Gallery

Results

The survey designed to know the acceptance of the bed was applied, in the same way if they would be willing to acquire it, where the following results were found:

Figure 1. Graph of results to acquire the bed

Figure 1 shows one of the most important and most worrying results, acquiring the multiposition bed system, where the interviewees, among doctors, nurses and the public, mentioned that they would acquire it, provided that it met the requirements of the patient, especially the relatives of patients mention that this bed would be of great help and support, since the beds that they have today are mostly mechanical, their movements are very limited and to move a patient they must have support from more than one, so when they are alone it is very difficult to give them movement, which influences the formation of ulcers, which makes their state of health more complicated.

These results motivate the design of the bed even further, where the anthroprometric dimensions taken for the bed and recommended by doctors and nurses are presented below. Based on the foregoing, a 45-year-old male user with an approximate weight of 55 kg and the structural anthropometric dimensions shown in Figure 2 were considered for the development of the design.

Figure 2. Structural anthropometric dimensions of the patient (Zelnik, 1996)

The recommended positions for patient movement are summarized in Table 1, where nurses and primary caregivers agree.

Table 1. Movement and approximate positioning angle

Source: Interviews with nurses and primary caregivers.

From these dimensions, the concept of system design will be carried out, seeking to develop several concepts with the intention of having options that allow the best selection to be made.

In figure 3, the analysis of one of the mechanisms is shown, considering some positioning angles.

Figure 3. Graphic kinematic analysis of the mechanism
Source: Authorship

In this proposal a design concept is developed, also intending to consider the different positions by lateral decubitus as shown in figure 4 in subsection a) the movement to the right lateral decubitus, and subsection b) movement for the left lateral decubitus and in the subsection c) sitting position of the patient.

(a)                                   (b)                               (c)
Figure 4. Position for: (a) right lateral decubitus (b) left lateral decubitus and (c) Sitting position.
Source: Authorship

Figure 5 shows an analysis of the trajectories of the system to be able to achieve the movement for the required decubitus position, where each of them will be limited to having a single degree of freedom mechanism, in addition to limiting with physical and safe stops mechanical position, and thus prevent the patient from suffering a fall or that the movement hurts their condition, in the same way these angles will allow easy change of bedding or a change of the patient.

Figure 5. Tilt path for positions by decubitus
Source: Authorship

To verticalize the user, the design is still limited, since to achieve this movement and posture it must be positioned at a minimum of 45º, this movement has yet to be incorporated and the most appropriate form of safety must be selected to avoid some type of accident or fall, in addition to designing the appropriate insurance to ensure the posture during the designated time, as well as to make the return movement as dampened as possible, this problem is intended to be solved by using hydraulic pistons that help this task , the development in the design is missing. Achieving verticalization is one of the most complicated movements, since gravity is one of the factors involved, adding the patient’s weight. The first prototype built to test the mechanical and control system is shown below in Figure 6:

Figure 6. Prototype test for bed
Source: Authorship

In figure 7, the prototype with the inclination for right lateral decubitus, subsection b, the movement for left lateral decubitus, for each case is achieved by providing a position of 25 ° measured with respect to the vertical; and in subsection c, the movement that has been achieved for the verticalization of the patient, reaching a maximum angle of 30º.

(a)                                   (b)                               (c)
Figure 7. Moving positions for (a) Right lateral decubitus, (b) Left lateral decubitus and (c) Verticalization
Source: Authorship

For the calculation of the degrees of freedom, the mechanism is considered as one of 4 bars, of the crank-rocker type, figure 8, to be able to have greater control of the movement, so the result regarding the degrees of freedom must if equal to one, to ensure that the patient will not suffer accidents at the time of movement, in addition to generating positive expectation in the control system.

Figure 8. 4-bar crank-rocker mechanism
Source: own authorship

Results Gallery

Discussion

In order to achieve the design objectives of this project and thereby be able to “help” to avoid the aforementioned problems, work has been done on different aspects in the research process, which are discussed below.

Visits were made to different clinics, hospitals and residential homes, to interview medical staff, family members and, above all, the people presenting these stays, with the aim of knowing more about the problems derived and how they solve them from the point of design and engineering view, seeking to identify the variables to be controlled, which were considered in the design. Formats were made for interviews conducted in this field investigation, and that helped generate specifications.

Conclusions

From the results the general concept of the automated system is designed, as well as a kinematic analysis of the mechanism, allowing, with this, the development of a design that can comply with the proposed movements, in the same way that it meets the results of the kinematic analysis performed.

The realization of the functional model has allowed observing, among other things, the changes in posture position and verticalization of the system, as well as their respective angles of inclination in these positions. It is appreciated that in the design 45 ° angles were considered for the verticalization of the patient, however in the system model only an angle of 30 ° was obtained for this concept. An important point in this aspect is that adjustments can be made to the design of the mechanisms responsible for controlling this angle of inclination, and thereby achieve the projected inclination in the design. In the case of the inclination of the postures by decubitus, there was no problem to reach these desired inclination angles in the design.

In order to carry out the automation of the system in the present model, an arduino duo card and a rapsberry pi card were used, to control the times and forms of the activation of the motors and with it the changes of the patient’s posture in the system . The use of these technologies involves programming routines, which in these can define the time intervals between the different changes in the patient’s posture, in addition to making it more robust in the sense of detecting errors. It is convenient that the changes of posture of a patient with prolonged stays in bed are in intervals of 40 minutes between each of these, this in a cyclic way up to a certain number of them, this information is integrated into the programming routine, once Once this process is finished, the way to control it, currently in automatic mode, is given using a wired control, but it is observed that this situation could cause major problems, so it is already working with the wireless connection of the system, in manual mode the control is given by means of keypads.

An important and complex point in the development of this project is the design of the mechanism system, which has allowed generating the different changes in the patient’s posture effectively in the functional model performed, based on what is required by the different postural changes to With him patient. In a project of this nature, mechanical design plays a fundamental role in the search to “help” to improve the quality of life of the human being in this area, another point that has not been easy is to send the bioelectric data to a system of alarms, since I want the connections via Wi-Fi there have not been such efficient results, which delays the sending, currently working on the improvement of protocols that help conserve this data, a possible proposed solution is to use the cloud, which generates a Bigdata and through machine learning send the data intelligently for your attention and reading.

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