Electromedicina

Abstract

En la actualidad los avances científicos han sido de gran índole y tienen a interrelacionar las distintas áreas del conocimiento con la tecnología, entre estas interacciones una de las que más desarrollo tiene es la aplicación de la electrónica en el desarrollo de los avances médicos, conocimientos que son aplicados en los aparatos médicos para su desarrollo, mantenimiento, y reparación, dicha ciencia se ha denominado Electromedicina. Los profesionales de la electromedicina están especializados en facilitar y solucionar cualquier problema relacionado a la tecnología electrónica aplicada a la medicina, que son sus equipos médicos. En este ensayo hablaremos de algunos de uno de ellos como lo es el "El Pulsioximetro" sus ventajas, aplicaciones, tipos y diseños.

Introducción

En el presente documento trataremos temas de suma importancia para la medicina moderna, indagaremos en avances importantes producto de estudios realizados en electrónica con miras en la medicina, nos enfocaremos en el pulsioximetro; herramienta perfecta para los médicos residentes, internos y afines, calcula la saturación de oxigeno lo cual permite un manejo adecuado de patologías con incidencia en el aparato respiratorio y descarta casos menos importantes, también reporta la frecuencia cardiaca, ahorrando tiempo. Su uso es muy sencillo e intuitivo. Puede ser utilizado en cualquier lugar para controlar las funciones fisiológicas, tales como hospitales, clínicas, centros médicos, de emergencia, odontólogos, el hogar, etc. También analizaremos sus componentes y funciones, sus diferentes tipos y cómo actúan cada uno de ellos.

El pulsioxímetro

El pulsioxímetro mide la saturación de oxígeno en los tejidos, tiene un transductor con dos piezas, un emisor de luz y un fotodetector, generalmente en forma de pinza y que se suele colocar en el dedo, después se espera recibir la información en la pantalla: la saturación de oxígeno, frecuencia cardíaca y curva de pulso. Permite controlar de manera continua y no invasiva la saturación de oxígeno arterial del paciente.

La medida de la saturación de la hemoglobina (Hb) con el uso del pulsioxímetro se ha convertido en una práctica común en muchas áreas de la medicina clínica, incluyendo la anestesia, de la terapia respiratoria, del cuidado intensivo y de la investigación de pacientes con problemas cardiopulmonares.

Diagrama de bloques general del pulsioxímetro.

Modelo matemático.

El modelo matemático para el pulsioxímetro se basa en medir el tiempo en que la intensidad de la luz pasa a través del tejido fino como por ejemplo a través de la extremidad del dedo. El proceso de la señal se basa en este modelo simple y la en ley de la Beer-Lambert:

Donde la intensidad I0 y es la longitud de onda de la luz incidente, cHb () es la concentración y sHb() es el coeficiente de absorción de la longitud de onda dependiendo de cada derivado de Hb, z describe el espesor variable de las. El tejido fino se considera capas donde son, una capa constante de sangre venosa y arterial no pulsátil (del hueso etc.) y una capa pulsátil constante en espesor (sangre arterial solamente). Por tanto, la absorción del tejido fino viene determinada por la ley de Beer-Lambert.

Funcionamiento del pulsioxímetro.

Se utilizan diodos electroluminosos (LED) en dos longitudes de onda: 660 nm (rojo) y 940 nm (cerca de infrarrojo). Estas longitudes de onda son las adecuadas, pues son valores en los cuales la separación es la más alta entre la hemoglobina y los espectros de absorción de la oxihemoglobina. Mientras que la luz emitida pasa a través del dedo o del lóbulo de la oreja, algo de la energía es absorbida por la sangre arterial y venosa, el tejido fino y las pulsaciones variables de la sangre arterial. Usando circuitos electrónicos, se igualan las señales en las longitudes de onda infrarroja y roja y se calcula la relación de transformación de la luz de roja-infrarroja, que se relaciona directamente con el SpO2 mediante el pulso oximétrico. Cada segundo, se realizan aproximadamente 600 medidas individuales y mediante un algoritmo implementado en el interior del microprocesador, se compara con valores obtenidos anteriormente y después se usan fórmulas específicas a cada fabricante. El valor visualizado se obtiene realizando un promedio entre los 3-6 valores anteriores y actualizado cada (0,5 – 1,0) sg. El promedio se utiliza pues tiende a reducir los efectos de los instrumentos y de señales erróneas.

Precauciones.

Los pulsioxímetros no son fáciles de calibrar y se calibran generalmente utilizando voluntarios humanos normales y utilizando un catéter radial en la arteria, obtenemos estimaciones de la saturación arterial del oxígeno (SaO2) y SO2 mientras que los voluntarios respiran las mezclas de gases que contienen combinaciones de oxígeno y nitrógeno. Puesto que los voluntarios no deben ser expuestos a un nivel de concentración de SaO2 por debajo 80%, la calibración por debajo de estos niveles se realiza por extrapolación.

Como alternativa a esta calibración "en vivo", una empresa estadounidense produce una especie de emuladores físicos de un dedo. Este dispositivo simula la absorción ligera y el flujo arterial de la sangre del dedo humano.

La exactitud del sistema del oxímetro se puede evaluar en (97 – 90)% y de SO2 80%. Aunque estos dispositivos se han desarrollado específicamente para los pulsioxímetros de una empresa en particular, pueden utilizarse con otros fabricantes.

La exactitud.

La exactitud de los pulsioxímetros comerciales es generalmente (2 – 3) % de fallo en el rango de (70 -100) % de la SO2. Por debajo, la exactitud se obtiene por extrapolación y, por tanto, la exactitud se resiente.

Además, la exactitud para distintos fabricantes puede ser muy diferente a pesar de usar componentes similares. Probablemente, las diferencias se deben a los algoritmos. En los casos en los cuales la SO2 es normal, los pulsioxímetros tienen una exactitud del ~±2% uniforme en los pacientes críticamente enfermos o en los pacientes que están sometidos a un diagnóstico respiratorio. En concentraciones de SO2 menores de 80%, la exactitud deteriorarse sensiblemente hasta llegar a ±10%.

Tipos de pulsioxímetro

Existen diferentes formas y modelos de pulsioxímetros. Pero en base a su utilización se pueden diferenciar dos tipos:

• a) Estáticos: suelen estar fijos, bien formando parte de sistemas de monitorización complejos (Figura 1) o bien como grandes aparatos individuales (Figura 2). Ambos se utilizan preferentemente para mantener monitorizada la SaO2 en pacientes con insuficiencia respiratoria. Necesitan conexión a la red eléctrica.

• b) Móviles: son aparatos pequeños, muy manejables que se usan preferentemente para exploraciones puntuales en consultas y salas de hospitalización (Figura 3) o bien como monitorización temporal en pacientes durante traslados (Figura 4). Funcionan con pilas o baterías recargables.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Diseño del Pulsioxímetro y esquemas de circuitos

Sensor

Los sistemas comerciales usan como emisores diodos electro-luminiscentes (LED) en el rojo (630-660 nm) e infrarrojo (800-940 nm) para así obtener un mayor contraste entre la oxihemoglobina y la hemoglobina reducida (Figura No. 5).

El sensor (dedal o una pequeña pinza), que sin molestia alguna se coloca en uno de los dedos de las manos o pies o en el lóbulo de la oreja. Este aditamento tiene un emisor y un captor de la luz infrarroja (Figura No. 6) la cual es absorbida por la oxihemoglobina de los glóbulos rojos.

Figura 5. Espectro de absorción de las principales variedades

De esta forma determina el porciento de combinación del oxigeno (O2) con la hemoglobina (Hb) de la sangre, es decir, la saturación de la Hemoglobina (SaO2).

El circuito se inicia en la adquisición de la señal a través del sensor óptico, el cual va colocado en el dedo índice del paciente. El sensor óptico (Figura No. 7) emite dos tipos de luz de longitud de onda diferente: Una infrarroja (l = 960nm, invisible) y otra roja (l = 660nm, visible), ambas atraviesan el tejido en el pulpejo del dedo y son recibidas por un único fotorreceptor.

Figura 6. Sensor emisor-captor de la luz.

Figura 7. Circuito del sensor utilizado.

Las medidas del LED rojo son de la hemoglobina desoxigenada. Las medidas del LED infrarrojas son de la hemoglobina oxigenada.

Procesamiento analógico

Esta señal recibida se aplica a un amplificador de instrumentación de alto CMRR, (Circuito integrado INA128, Figura No. 8) específico para aplicaciones en electromedicina, el cual nos amplifica la señal de niveles extremadamente bajos a niveles de amplificación de alrededor 2.5Vpp, sin mayor distorsión. Institute. Ese mapa debería estar completado a finales de 2006.

Figura 8. Amplificador de instrumentacion utilizado.

Circuito Sample and Hold

Este circuito emplea un FET como interruptor el cual pasa la señal durante el periodo de muestreo (sample) y lo desconecta en el periodo de sostenimiento (hold). Cualquier señal presente en el momento en el que el FET está apagado es sostenida en el capacitor C (Figura No. 9)

El valor de C debe ser lo suficientemente grande para minimizar la caída de voltaje durante el periodo de sostenimiento. Así mismo, debe considerarse que la resistencia del FET cuando está encendido (de algunas decenas de ohms típicamente) forma un filtro pasa bajos en combinación con C y por lo tanto, C debe ser suficientemente pequeño para poder seguir con suficiente precisión el paso de señales de alta velocidad.

Figura 9. Circuito Sample and Hold

Circuitos de filtrado

Posteriormente está señal es sometida a filtraje, para evitar el ingreso de ruidos e interferencias. El primer filtro está constituido por un filtro activo diseñado para eliminar las frecuencias menores de 30Hz y el segundo filtro diseñado para eliminar frecuencias mayores a 150Hz (Figura No. 14).

Una vez amplificada y filtrada la señal muestra obtenida en todo el proceso es una correspondiente a la onda diente de sierra. Esta señal es aplicada al microcontrolador (PIC16F877) el cual mediante su conversor A/D convertirá la señal analógica en digital y se procesará internamente mediante un algoritmo de programación para evaluar y enviar los resultados de la saturación de oxígeno al Computador Personal.

Figura 10. Filtrado activo de 30Hz a 150Hz

FOTOS DEL MODULO DE OXIMETRIA

En la Figura No. 19 se muestra la señal obtenida con el circuito de oximetría:

Figura 11. Sensor de dedo.

• 1. Ventajas y Desventajas

• Permite la monitorización continua y no invasiva

• Es fácil de usar y no requiere entrenamiento especial

• Es fiable en el rango de 80-100% de saturación, el más común en la práctica clínica

• Nos proporciona información de la frecuencia cardiaca

• Es una técnica barata y existen aparatos portátiles muy manejables

• No nos informa sobre el pH ni la PaCO2

• No detecta hiperoxemia

• No detecta la hipoventilación

• En pacientes con mala perfusión tisular puede dar datos erróneos

Conclusiones

Mediante el presente ensayo, se puede constar que las aplicaciones tecnológicas con las cuales la electrónica aporta al desarrollo y mejoramiento de las distintas ciencias, entre ellas la Medicina, en este caso se puede apreciar como mediante la transformación de una señal ,más específicamente la variación del color de la sangre dependiendo del grado de saturación de oxígeno de la hemoglobina, se transforma en una información, medible y monitorearle, que permite evaluar los signos vitales y/o el comportamiento del pulso y la oxigenación de la sangre de un paciente, según las características del equipo.

Referencias Bibliográficas

[1] Artículo sobre electromedicina citado de internet en la página:

http://es.paperblog.com/mas-de-900-profesionales-del-mundo-en-ingenieria-hospitalaria-se-reunen-en-un-congreso-organizado-por-el-hospital-regional-de-malaga-281038/

[2] Artículo sobre Pulsioximetría citado de Internet en la página: http://www.fisterra.com/material/tecnicas/pulsio ximetria/pulsio.asp

[3] http://web.udl.es/usuaris/w4137451/webresp/contenidos_docentes/exploracion/contenidos/texpl6/pulsioximetria6-2.htm

[4] Artículo sobre Pulsioximetría, citado de Internet en la página:

http://www.edutecne.utn.edu.ar/microcontrol_congr/c omunicaciones/Sistema_oximetro_pulso.pdf

[5] Manual de Uso de un Pulsioximetro citado de Internet en la página:

http://www.serviciosk26.com/e- contenido/pdf/8500A-8500MA_ESPANOL.PDF

[6] Artículo sobre Pulsioximetría, citado de Internet en la página:

http://www.pulsioximetro.com/es/Catalogo/articulo/37822

[7] DESARROLLO DE UN TESTER PARA PULSIOXÍMETROS citado de Internet en la página:

http://www.sabi.org.ar/anales/cd_2003/Trabajos/122TPerona.PDF

[8] Artículo sobre Pulsioximetría, citado de Internet en la página:

http://webpersonal.uma.es/~ECASILARI/Research/Papers/Congresos/2005/Mundo_internetMJose.pdf

[9] Artículo sobre Pulsioximetría, citado de Internet en la página:

http://www.edutecne.utn.edu.ar/microcontrol_congr/c omunicaciones/Sistema_oximetro_pulso.pdf

[10] http://www.iberiamedic.es/es/

Autor:

Iván Alexander Cueva

Universidad Politécnica Salesiana

Cuenca, Ecuador