Sistema Automático de Monitoreo y Diagnóstico de Signos Vitales de Pacientes

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1 Sistema Automático de eo y Diagnóstico de Signos Vitales de Pacientes Autores: Augusto Baldoceda a911075@upc.edu.pe, Carlos Burga u210866@upc.edu.pe, Andrés Rodriguez, Rudy Vivas. Asesor: Ing. José Oliden Martinez pceljoli@upc.edu.pe Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas Av. Prolongación Primavera 2390, Monterrico, Surco, Lima RESUMEN El presente proyecto desarrolla un sistema que sensa e interpreta las tres principales señales o signos vitales del cuerpo humano, presentándolas de una manera amigable y muy gráfica al especialista para que pueda, a través de una interfaz muy sencilla dar un diagnóstico rápido. Durante la revisión médica a un paciente, un especialista (médico) requiere de cierto número de instrumentos para medir un número determinado de signos vitales. Este proceso se puede convertir en tedioso, laborioso y no aprovechable. La finalidad del presente sistema es automatizar el proceso de medida de las señales de temperatura, presión arterial y frecuencia cardiaca, con una visualización de la señal cardiaca (Canal II) en formato de un electrocardiograma, mostrando todas estas, en tiempo real, en un monitor de computador mediante un software realizado en ambiente visual. Así tendremos en una sola pantalla estos signos de una manera automática y segura. Palabras clave: eo, Temperatura, Presión, Ritmo cardiaco, cardiaco. INTRODUCCION Durante el proceso de chequeo que realiza el médico a los pacientes, este requiere medir básicamente las señales de temperatura y presión arterial, además del ritmo cardiaco, como señales principales o vitales. Este procedimiento se realiza en todos los pacientes, ya sea para realizar un chequeo como en la atención de una emergencia o urgencia médica. El trabajo que se plantea permite en el caso de un chequeo rutinario, que el médico obtenga las señales vitales antes mencionadas en forma automática y segura, sin necesidad de monitorear el mismo al paciente. En el caso de emergencias se tendrá un monitoreo del paciente mientras el médico puede atender otra necesidad que requiera mayor dedicación. En ambos casos el sistema ofrecería facilidad y comodidad al especialista para obtener los signos vitales de los pacientes. DESCRIPCION El trabajo que se propone utilizará sensores de presión y temperatura, así como amplificadores de instrumentación para obtener la señal cardiaca, estas señales serán adquiridas y procesadas por un microcontrolador PIC (16F877) que las digitalizará y enviará al computador mediante el protocolo RS232 para que aquí se visualicen utilizando un software visual que además dará un primer diagnóstico en base a las medidas de las señales.las etapas son: Etapa de Sensores y de acondicionamiento de señales, etapa de control y digitalización y la etapa de visualización en el computador. Este sistema propone además tener una red de monitoreo, es decir varios de estos equipo en red, por ejemplo en una sala de cuidados intensivos en

2 hospitales, de tal manera que los dispositivos se conecten todos a un computador que integrará y visualizará las señales de todos los pacientes. o +5v 1k 50% +5v 1k +5v 10k 40% ESTAPA DE SENSORES Y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES NTC 10k TL k 99.5% 1k + 1N4148 TL072 1N4148 Temp Aquí se tienen que definir los sensores y acondicionadores a utilizar de acuerdo a las señales que se van a medir. -5V Figura 2: Circuito de temperatura o Señal de Temperatura. El sensor que utilizaremos es una resistencia variable con la temperatura, un NTC. Para medidas de temperatura del cuerpo aplicaciones se utilizan los PTC, los NTC, los termo scan y algunas termocuplas. Para este equipo vamos a utilizar sensores NTC de 10KΩ a temperatura ambiente. Según su naturaleza, la resistencia irá disminuyendo al aumentar la temperatura. Debemos trabajar en la zona de temperaturas a medir para poder diseñar apropiadamente los acondicionadores. Ver figura 1. Así es que escogemos la zona entre los 30 C y los 45 C, mas bajo que este rango lo consideramos bajo o LOW, y mas alto HIGH. Estos rangos han sido determinados en base a los que nos ofrecen los termómetros normales de mercurio y los digitales T Figura 1: Respuesta del sensor del NTC El esquema del circuito sería el mostrado en la figura 2. Se utilizará esta configuración para obtener un voltaje del divisor entre el NTC y la resistencia variable de 10K y luego mediante el circuito de acondicionamiento lo amplificaríamos hasta obtener un voltaje de 0 a 5 voltios a la salida (Temp). Los dos diodos están para limitar el voltaje entre 0 y 5 voltios. R Señal de Presión. La señal de presión será obtenida del sensor MPX2300 que nos ofrece un rango hasta 300mmHg. Los brazaletes y mangueras son los utilizados por equipos estándar. Ver figura 3. Figura 3: Brazaletes y mangueras para la presión El sensor de presión nos brinda una señal eléctrica en función ala señal medida, y por medio de un circuito de amplificación podemos obtener esta señal en el rango de 0 a 5 V. La señal del sensor en un proceso de inflado y medida de presión es la que se muestra en la figura 4, luego de que llegamos o dejamos de inyectar aire al brazalete, en la pendiente negativa de la curva se observan unos pequeños picos en un momento determinado (marcados con rojo), en el momento que aparecen estos picos se mide la presión alta, y en el momento que dejen de aparecer (marcado con azul) es la presión baja). Este cálculo lo hará el computador para

3 determinar la presión arterial, mínima y máxima. P PAC PBC t Figura 6: Modo de medición de la derivación II Figura 4: Señal de presión Señal de Ritmo Cardiaco. La señal de la derivación II es la señal que se toma como referencia en el monitoreo cardiaco. Los puntos a medir en el torso del paciente o entre los brazos y piernas se muestran en la figura N 5. Son los RA (Right Arm), LA (Left Arm), LL (Left Leg) y RL (Right Leg) que actúa como referencia en el cuerpo del paciente. Bioamplificador Diferencial Esta etapa se encarga de amplificar las señales eléctricas del corazón captadas en la superficie del cuerpo del paciente por los "electrodos de monitoreo". El método empleado es el de la derivación monopolar de los miembros (uso de tres electrodos). Con esta etapa se amplifican las señales cardiacas, las cuales se encuentran en el orden de uno a dos milivoltios, bajo el esquema general de la figura 7. La amplificación se realiza en dos etapas, una primera etapa de amplificación x10 y luego una amplificación x100, resultando una amplificación total x1000. RA LA LL Figura 5: Puntos a medir en el torso del paciente La señal de la derivación II medida es la que se toma entre los puntos RA(- ) y LL(+) que ingresan a un amplificador de instrumentación. Ver figura 6 Figura 7: Etapas de amp. de la derivación II El circuito correspondiente es como se muestra en la figura 8. La señal ingresa primeramente a un amplificador de instrumentación (A.I.), el INA118, que es un A.I. de bajo nivel de ruido, alto CMRR y elevada impedancia de entrada (aproximadamente 13MΩ).

4 Figura 8 : Bioamplificador Diferencial Para el circuito que se tiene, en la figura 8, la señal RA ingresa por la entrada IN(-) del INA118 y por la otra entrada IN(+) ingresa la señal LL, obteniéndose a la salida una señal diferencial, esto es de la forma Gx(LL-RA), donde G es la constante de amplificación. Este amplificador de instrumentación consigue reducir al mínimo el nivel del ruido de las señales de entrada, evitando que dicho ruido se amplifique con la señal. Después de la primera amplificación (x10) con el INA118 la señal diferencia obtenida suele presentar cierto nivel DC, el cual es eliminado por un acoplo capacitivo (se realiza un filtrado de bajas frecuencias - Pasa Alto de 0.05Hz. C 220uF, R 10kΩ), luego, la señal se dirige hacia la siguiente etapa de amplificación La impedancia del capacitor se calcula mediante ZC = 1/(2π.f.C). Así se tiene que, para valores de frecuencias altas la impedancia del capacitor (ZC) en relación a la resistencia de 10kΩ será pequeña. Para frecuencias bajas, por el contrario, dicha impedancia si dependerá del valor de la frecuencia. En el circuito llamará la atención la conexión del OPA2604. Este circuito que está conectado al paciente, es una realimentación de la señal en modo común negada. Fig.9 Circuito Tierra virtual o Driven Right leg Este circuito funciona de la siguiente manera. En el punto A (figura 9) se obtiene una señal cercana a 0 V o a la tierra del circuito del INA118. Esta señal realmente no es cero, contiene el pequeño voltaje en modo común que pueda tener la entrada diferencial. Así en el punto B, después de un seguidor de voltaje, se tiene el potencial mencionado. Luego este potencial es amplificado e invertido (punto C), para devolverse al cuerpo de este modo a través de una resistencia limitadora de corriente y protectora al paciente (punto D). La amplificación del nivel de voltaje se debe a que este es muy pequeño y pruebas en laboratorio nos indican que el valor adecuado y además recomendado por los fabricantes del INA (B.B.) es de amplificar aproximadamente el potencial 39 veces. La resistencia de 390kΩ al cuerpo es de protección, y este valor también es encontrado en laboratorio. El rango de valores para una señal adecuada (sin distorsión) es de 300kΩ hasta 560kΩ, y se toma un valor intermedio y alto para tener un buen aislamiento. El realimentar la muy pequeña señal en modo común tiene el fin de cancelarla en el cuerpo para que no se tenga ninguna clase de interferencia común en el A.I. pero siempre y cuando se tome una sola derivación, en nuestro circuito tiene el principal objetivo de proteger al paciente ya que no se mezclan la tierra del circuito con algún punto del cuerpo aislando completamente al paciente contra posibles sobrecargas. Aquí nosotros realimentamos los pequeños voltajes en modo común (los sumamos e invertimos como si se tratara de una sola derivación). La máxima corriente de retorno al cuerpo debe ser de 10uA, este circuito nos da una corriente de 6uA en alterna, cumpliendo así las normas de seguridad. Además se han probado en

5 1 a1 2 a2 0 Vcc1 GND 0 b1 b2 b3 b laboratorio posibles fallas ante cruces del circuito o cortos que se puedan producir. Estas pruebas arrojaron corrientes menores a la especificada, la primera prueba consistió en cortocircuitar completamente el OPA2604, en este caso la corriente que se devuelve al cuerpo fue de 0.6uA. La segunda prueba consistió en poner la salida del OPA2604 (que va a la resistencia de 390kΩ a fuente, y el resultado fue que se regresaba al cuerpo 2.7uA. 60 (Bradicardia) < Normal < 100 (Taquicardia) La visualización tipo electrocardiograma. Es conveniente en esta sección mencionar que la señal cardiaca tiene una forma definida en ondas P, Q, R, S, T y U, y que las duraciones y amplitudes de cada una de ellas pueden orientar a los especialistas sobre el estado del paciente. Para observar estas amplitudes y duraciones se ha venido trabajando con papel milimetrado desde hace mucho tiempo atrás, por lo tanto uno de los objetivos es mostrar la señal en pantalla en este formato, respetando así la forma en la cual los especialistas están acostumbrados a visualizar la señal. Figura 11 Equivalencias en tiempo y voltaje en el papel milimetrado Etapa de control y digitalización Una vez que las señales de presión, temperatura y la señal cardiaca son acondicionadas, se introducen todas ellas al conversor análogo digital del módulo (PIC 16F877) de control. Como se muestra en la figura 12. Este módulo dispone de un teclado y un LCD para manejar algunos mensajes con el usuario y para su operación. Además el microcontrolador transmite las señales por intermedio de la comunicación serial 232 que realiza con la PC. LCD Vcc Bus Figura 10: Señal característica de un electrocardiograma Las características en tiempo y amplitud respecto al papel milimetrado se muestran en la figura 11. Nuestro sistema en PC además de otorgar la visualización de la señal podrá dar como resultado el ritmo cardiaco utilizando para ello la técnica de la autocorrelación (tratamiento de señales) para tal fin. Los valores normales de la frecuencia cardiaca (en latidos por minuto) se encuentra dentro del siguiente intervalo: TECLADO C 0 H n E 3 a3 4 a4 MODULO PIC RS232 COMPUTER Figura 12 Módulo PIC (16F877) de adquisición y transmisión de señales A este módulo le llegan las señales anteriormente descritas. Etapa de visualización en PC Para poder visualizar la información y las señales se debe disponer de un software que las muestre. Este software va a ser

6 desarrollado en lenguaje visual y debería recibir la data del microcontrolador por el puerto serial, previo manejo de un protocolo de comunicación. La pantalla que se mostraría tendría el esquema de la figura 13. CONCLUSIONES - El presente proyecto pretende demostrar la factibilidad de desarrollo de un sistema que permita monitorear los signos vitales de un paciente para que el especialista pueda trabajar con estos datos en forma rápida y segura. - Se obtendrá como beneficio el mejorar los servicios médicos y así la calidad de vida de los pacientes. - El sistema encontrará perfecta utilidad en el caso de monitoreo en salas de atencíon medica, donde se centrará la información en una PC monitor. Figura 13 Pantalla del monitor de señales. Red de monitoreo Además del desarrollo del sistema individualmente se propone una red de monitoreo que se puede instalar en un hospital o sala para ver el estado de los pacientes en tiempo real, con seguridad y además en una sola pantalla de un computador central. La RED de comunicación funcionaría con el protocolo serial síncrono I2C PC RS232 PIC Central I2C BIBLIOGRAFIA Biomedical Transducers and Instruments Tatsuo Togawa (1997) P ake Oberg Joseph D. Bronzino (1995). The Biomedical Engineering Handbook. CRC Press. Non Invasive Instrumentation and Measurement in Medical diagnostics Robert B Northrop 2002 John G. Proakis, Dimitris G. Manolakis (1996). Digital Signal Processing. Prentice Hall. Material de Clase del Curso de Diseño de Equipos Electrónicos 2003 Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas PIC 1 PIC 2 PIC 3 PIC 4