MONITOR DE SIGNOS VITALES PORTATIL JOSÉ FERNANDO PARRA PARRA WILLIAM MAYOR ROJAS

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1 MONITOR DE SIGNOS VITALES PORTATIL JOSÉ FERNANDO PARRA PARRA WILLIAM MAYOR ROJAS UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA CALI FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA CALI, VALLE DEL CAUCA 2011

2 MONITOR DE SIGNOS VITALES PORTATIL JOSÉ FERNANDO PARRA PARRA WILLIAM MAYOR ROJAS Trabajo de Grado para obtener el título de Ingeniero Electrónico Director Carlos Porras Gutiérrez Ingeniero Electrónico UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA CALI FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA CALI, VALLE DEL CAUCA

3 Nota de Aceptación Jurado: Ing. EDGAR GIRALDO O. Jurado: Ing. LUIS E. SANCHEZ R. Director: Ing. CARLOS PORRAS G. Santiago de Cali, Junio 2 del

4 TABLA DE CONTENIDO Pág. INTRODUCCION MARCO TEORICO SIGNOS VITALES FISIOLOGIA DEL SISTEMA CARDIOVASCULAR Morfología externa Morfología interna FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA CARDIOVASCULAR Diástole (Primera fase) Sístole (Segunda fase) ELECTROFISIOLOGIA CARDIACA FRECUENCIA CARDIACA TECNICAS DE MONITOREO Medición del Pulso Electrocardiograma (ECG) Electrodos FISIOLOGIA DEL SISTEMA RESPIRATORIO

5 1.7.1 Estructura del sistema respiratorio FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA RESPIRATORIO Mecánica de la ventilación pulmonar Mecánica de la respiración externa Mecánica de la respiración interna FRECUENCIA RESPIRATORIA: TECNICAS DE MONITOREO DE LA RESPIRACION Espirometría Pletismografía corporal Impedancia Transtorácica BASES FISICAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES RESPIRATORIAS FISIOLOGIA DE LA TEMPERATURA FACTORES QUE AFECTAN LA TEMPERATURA CORPORAL MEDICION DE LA TEMPERATURA CORPORAL SENSORES PARA MEDICION DE TEMPERATURA: Termo resistores Termo sensores FUENTES DE ERROR DE LOS SENSORES

6 1.16 CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD TIPOS DE ACCIDENTES ELÉCTRICOS ACTORES QUE INTERVIENEN EN EL RIESGO DE ELECTROCUCIÓN EFECTOS FÍSICOS DEL CHOQUE ELÉCTRICO MODELO TEÓRICO FRECUENCIA CARDIACA FRECUENCIA RESPIRATORIA TEMPERATURA CORPORAL CIRCUITO ACONDICIONADOR DE SEÑAL PROCESAMIENTO DE LAS SEÑALES COMUNICACIÓN INALÁMBRICA SOFTWARE DESARROLLO DEL MODELO TEORICO FRECUENCIA CARDIACA Adquisición de la señal Adecuación de la señal Amplificador de instrumentación Filtro pasa banda Conformador de Onda

7 3.2 FRECUENCIA RESPIRATORIA Oscilador Filtro Pasa Alto pasivo Detector de Envolvente Filtro activo pasabanda 0.1 a 0.7 hz Filtro pasa altas 0.1 hz. Filtro activo de 2º orden tipo butehrworth Filtro pasa bajas 0.7 Hz Conformador de Onda ETAPA DE MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA PROCESAMIENTO DE SEÑAL Etapa de recepción ETAPA DE PROTECCIÓN DEL PIC CONSTRUCCIÓN DEL PROGRAMA ASSEMBLER EN EL PIC ESTRUCTURA DE LA TRAMA DE TRANSMISIÓN USART (PIC16F873) DI (XBEE - TX) PLATAFORMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y VISUALIZACIÓN VISUAL C# CONTROL DE COMUNICACIONES MSCOMM ESQUEMA DEL PROGRAMA

8 3.11 PROGRAMA DE INSTALACIÓN 87 CONCLUSIONES...88 GLOSARIO...90 ANEXO A...94 ANEXO B...95 ANEXO C...96 ANEXO D...97 BIBLIOGRAFÍA

9 LISTA DE TABLAS Pág. 1. Valores Normales de Frecuencia Cardiaca 24 En reposo y en ejercicio. 2. Valores de Frecuencia Cardiaca de acuerdo a la edad Efectos del Choque Eléctrico 48 9

10 LISTA DE FIGURAS Pág. 1.1 Ubicación del Corazón Diástole Sístole Iones y cargas negativas en el corazón Electrocardiograma Colocación de los electrodos en el ECG Clases de electrodos Vías Respiratorias Contracción y Expansión de la caja torácica Respiración Externa Respiración Interna Espirómetro Diagrama que muestra Respiraciones Escalas de medición de la temperatura Ilustración triangulo de Eindhoven Proceso de expansión y contracción del abdomen 58 10

11 2.3 Esquema para la obtención transmisión y recepción de las Señales biomédicas Diagrama de bloques frecuencia cardiaca Posición del sistema hombre-instrumento Red de adecuación señal cardiaca Ganancia del amplificador de instrumentación Esquema filtro pasa baja Esquema filtro pasa alta Filtro activo pasa baja de 3 Hz Conformador de Onda frecuencia cardiaca Diagrama de bloques sistema respiratorio Oscilador sinusoidal puente de Wien Esquema filtro pasivo pasa alta Esquema amplificador operacional, detector y filtro Filtro pasa alta de 0.3 Hz Filtro pasa bajas de 0.7 Hz Conformador de Onda Frecuencia Respiratoria Conexión LM 35 PIC 76 11

12 3.18 Diagrama de bloques Procesamiento de la señal Conexiones USART Protección del PIC Diagrama de flujo programación en Assembler Diagrama adquisición de datos Plataforma de visualización de datos 86 12

13 AGRADECIMIENTOS Agradecemos a todos aquellos que nos han apoyado desde el momento que decidiéramos comenzar éste gran objetivo y que hoy se convierte en una meta alcanzada. José Fernando Parra Parra A mi esposa Marcela Rosas Morillo, mis hijos Juliana Sofía y Juan José, mis Padres, Mercedes Parra y Sigifredo Parra, por su gran amor, apoyo incondicional y paciencia. A mi director de proyecto, Ing. Carlos Porras Gutierrez por su gran apoyo, aporte, guía y paciencia para el desarrollo de éste proyecto. A mi compañero William, por su disposición para el trabajo en equipo. A los profesores y la universidad por su formación y ejemplo. A mis amigos por su motivación y apoyo en todas mis decisiones. William Mayor Rojas Agradezco a todas las personas que estuvieron a mi lado en el transcurso de ésta etapa de mi vida. A mis padres Nelson Mayor, Gilma Rojas que siempre me brindaron su apoyo y quisieron formar de mi un gran profesional, a mi hermano Nelson Eduardo Mayor que siempre me mostró el lado agradable de las cosas, a mi novia Sara García que me apoyó a pesar del tiempo que deje de dedicarle, a mis amigos que me apoyaron en cualquier decisión buena o mala que tome en todo el transcurso de mi carrera, a mi compañero y mi director de proyecto de grado por haber formado un buen equipo de trabajo, a los profesores que me brindaron el conocimiento necesario para culminar mi carrera y por ultimo a la universidad por abrirme las puertas y hacer de mi un buen profesional. 13

14 INTRODUCCION Los signos vitales son las señales que nos revelan el estado actual del organismo. Cuando una persona desarrolla una actividad física por salud, recomendación médica, deporte, o preparación para una competencia, ya sea en un espacio al aire libre ó cerrado, el seguimiento de estos signos se complica ya que normalmente los equipos destinados para estas tareas son difíciles de transportar, útiles para un usuario a la vez, muy costosos y actualmente se deben importar. El presente proyecto desarrolla un sistema que captura e interpreta los signos vitales de los seres humanos, representándolos de forma numérica al especialista y/o al usuario monitor, para que este pueda a través de una aplicación en el computador ver el estado de los signos vitales del usuario portador y así tomar una decisión importante a tiempo. La temperatura, respiración y el pulso son fenómenos o manifestaciones objetivas que se pueden percibir y medir en un organismo vivo de forma constante, la toma de estos signos debe basarse en mediciones confiables y objetivas, cualquiera que sea el método de medición utilizado, su precisión, exactitud y confiabilidad deben ser lo más altos posibles. En la actualidad para la medición individual de cada uno de los signos se necesita un instrumento, debido a esto el proceso de revisión médica del paciente o individuo puede volverse complejo, como propuesta para facilitar este proceso se presenta el sistema monitor de signos vitales portátil el cual automatiza y facilita el proceso de medida, mostrando los valores en tiempo real y agrupando todas las mediciones en un solo diagnostico de una manera automática y segura. Con éste proyecto se busca optimizar el proceso de monitorización de una o varias personas al mismo tiempo, en ambientes cerrados o al aire libre sin restricciones de movimiento, censando Frecuencia cardiaca, Frecuencia respiratoria y Temperatura corporal en tiempo real; además de portabilidad, confiabilidad e inmediatez en los datos recolectados, bajo costo, compacto, que sea de fácil manejo y oportuno a la hora de necesitar un mantenimiento. 14

15 Para esto es necesario en el desarrollo del documento presentar la información suficiente acerca de la fisiología del cuerpo humano directamente involucrada en el tema, la tecnología a utilizar en el proyecto y por ultimo desarrollar un diseño que además de medir y mostrar los signos vitales en tiempo real se diferencie con respecto a los equipos de este tipo disponibles en el mercado. 15

16 1. MARCO TEORICO 1.1 SIGNOS VITALES Son mediciones de las funciones más básicas del cuerpo. Los signos principales que los médicos y los profesionales de la salud monitorizan de forma rutinaria son los siguientes: El pulso. Las respiraciones (la frecuencia respiratoria) La temperatura del cuerpo La monitorización de los signos es muy útil para detectar problemas de salud, estos se pueden medir en un establecimiento médico, en casa o en el lugar en el que se produzca una urgencia FISIOLOGIA DEL SISTEMA CARDIOVASCULAR Morfología externa. Está ubicado en la cavidad torácica, entre los dos pulmones e inmediatamente retro- esternal es decir, tiene por delante el esternón 1 Rosales barrera Susana, Fundamentos de enfermería. México: Editorial Manuel Moderno, 2004, fc. Julio de

17 y los cartílagos costales de la tercera, cuarta y quinta costillas, derechas e izquierdas. Está recubierto externamente por dos hojas de tejido seroso, llamadas Pericardio y sostenido desde su parte superior por los grandes troncos arteriales y venosos que forman su pedículo vascular (conformado por 2 arterias y 3 venas). Figura 1.1 Ubicación del Corazón Morfología interna. En su interior pueden observarse cuatro cavidades, dos superiores llamadas aurícula derecha y aurícula izquierda y dos inferiores, con función de bomba, llamados ventrículo derecho y ventrículo izquierdo. A la aurícula derecha llegan las Venas Cavas superior e inferior trayendo sangre sin oxígeno (Carbo-oxigenada) de todo el organismo. Pasa al ventrículo derecho, el cual al contraerse, la envía a la Arteria Pulmonar la que se dirige a ambos pulmones para efectuar el intercambio gaseoso. La sangre oxigenada regresa a la 17

18 aurícula izquierda por medio de las cuatro Venas Pulmonares y ya en el ventrículo izquierdo, es expulsada hacia la Arteria Aorta para ser distribuida por todo el organismo FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA CARDIOVASCULAR El funcionamiento del sistema cardiovascular se da en latidos cardiacos a lo cual un latido cardíaco es una acción de bombeo de la sangre, que se produce en dos fases y que demora menos de un segundo Diástole (Primera fase). Al mismo tiempo que ingresa sangre en las cavidades superiores (Aurículas derecha e izquierda), el generador eléctrico del corazón (Nódulo Sinusal) envía una señal que estimula a las aurículas, produciendo su contracción. Esta contracción impulsa sangre a través de las válvulas Tricúspide y Mitral hacia las cavidades inferiores que se encuentran en reposo (Ventrículos derecho e izquierdo). Esta fase de la acción de bombeo (de mayor duración) se denomina Diástole. 2 Guyton & Hall, Tratado de Fisiología médica, México: Mc-graw hill, 2002 fc. Julio de

19 Figura 1.2 Diástole Sístole (Segunda fase). La segunda fase de la acción de bombeo comienza cuando los ventrículos están llenos de sangre y las válvulas Mitral y Tricúspide herméticamente cerradas. Las señales eléctricas generadas por el nódulo sinusal se propagan por la vía de conducción específica a los ventrículos, provocando su contracción. Esta fase se denomina Sístole. Al cerrarse firmemente las válvulas tricúspide y mitral, impiden el retorno de sangre hacia las Aurículas, se abren las válvulas Pulmonar y Aórtica. Al mismo tiempo que el ventrículo derecho impulsa sangre a los pulmones para oxigenarla, la sangre rica en oxígeno del ventrículo izquierdo se expulsa hacia la arteria Aorta para distribuirse a todas partes del cuerpo. 19

20 Figura 1.3 Sístole Cuando la sangre pasa a la arteria Pulmonar y Aorta, los ventrículos se relajan y las válvulas Pulmonar y Aórtica se cierran. Al reducirse la presión en los ventrículos se abren las válvulas Tricúspide y Mitral y se reinicia nuevamente el Ciclo Cardíaco. Este sistema tiene una cualidad muy importante y es que el Sistema Cardio- Circulatorio no actúa en forma independiente o aislada. El Sistema Nervioso detecta las condiciones a nuestro alrededor (nivel de actividad física, factores de Stress, temperatura ambiente etc.) y regula el aparato cardiovascular para poder satisfacer las necesidades del organismo en esas condiciones 3. 3 Guyton & Hall, Tratado de Fisiología médica, México: Mc-graw hill, 2002 fc. Julio de

21 1.4. ELECTROFISIOLOGIA CARDIACA Inicialmente se puede simplificar diciendo que el corazón presenta dos tipos de tejidos: Tejido especializado de éxito-conducción Miocardio contráctil. La diferencia fundamental entre estos dos tejidos, es que en condiciones normales el automatismo es patrimonio del tejido especializado de éxito- conducción, careciendo de esta propiedad el miocardio contráctil, debido a que tienen como característica común, la propiedad de generar corrientes eléctricas de muy bajo voltaje como consecuencia de los desplazamientos iónicos debidos fundamentalmente al Potasio (K+), al Sodio (Na+), al Cloro (Cl-) y al Calcio (Ca++), y que continuamente se están produciendo. Estas corrientes iónicas producen un flujo continuo bidireccional a través de la membrana celular, generando potenciales eléctricos. Figura 1.4 Iones y cargas eléctricas en el corazón 21

22 Las propiedades fundamentales del corazón son: Automatismo. Son capaces de generar espontáneamente el impulso eléctrico que se propaga; el automatismo máximo se encuentra en las células del nodo sinusal, el marcapasos del corazón, y si éste falla, el nodo AV toma el relevo Conductibilidad. Capacidad de transmitir un impulso eléctrico a las células adyacentes; las velocidades de conducción normales en las diferentes estructuras cardíacas son las siguientes: o o o o aurículas: 1-2 m/s nodo AV: m/s sistema His - Purkinje: m/s ventrículos: 0.4 m/s Excitabilidad. Capacidad de responder a un impulso eléctrico; las células especializadas generan ellas mismas los impulsos, mientras que las contráctiles son estimuladas por los impulsos propagados por las células adyacentes; existen diferentes fases de excitabilidad diferenciadas por el potencial de acción (PA) de las células cardíacas, y diferentes periodos refractarios (tiempo requerido para recuperar la excitabilidad). En conclusión debido a la interacción de los enlaces iónicos debidos al Potasio, al Sodio, al Cloro y al Calcio se generan variaciones de voltaje, así durante la diástole, en el exterior celular se acumulan cargas positivas mientras que durante la sístole el exterior celular es más negativo; Estas variaciones de voltaje son las que producen la polarización y despolarización y por ende la contracción y dilatación necesarias para la acción de bombeo en el corazón 4. 4 Guyton & Hall, Tratado de Fisiología médica, México: Mc-graw hill, 2002 fc. Julio de

23 1.5 FRECUENCIA CARDIACA La frecuencia cardiaca es el número de latidos del corazón o pulsaciones por unidad de tiempo. Su medida se realiza en condiciones determinadas (reposo o actividad) y se expresa en latidos por minutos (lpm ó ppm). La medida del pulso se puede efectuar en distintos puntos, siendo los más habituales la muñeca, en el cuello (sobre la arteria carótida) o en el pecho. Con independencia de la técnica de medida, el procedimiento que se recomienda seguir, para evitar errores en la medida y para que los valores obtenidos sean comparables, es el siguiente: 1. Medir la FC en condiciones de reposo, en un local a temperatura ambiente (20-24 ºC) y en posición sentada. 2. Realizar la medida de la FC mediante palpación física 1 minuto antes de realizar la medida de la presión sanguínea. 3. Repetir dos veces la medición y calcular el valor promedio. La frecuencia cardiaca en reposo depende de la genética, el estado físico, el estado psicológico, las condiciones ambientales, la postura, la edad y el sexo. Un adulto sano en reposo tiene generalmente el pulso en el rango Durante el ejercicio físico, el rango puede subir a Vázquez González, S. (2003). Intensidad del ejercicio sobre la base de la frecuencia cardiaca durante una sesión de aeróbic. Revista Internacional de 23

24 ADULTO SEDENTARIO ADULTO EN FORMA DEPORTISTA REPOSO PULSACIONES POR ENTRE ENTRE ENTRE MINUTO EJERCICIO AEROBICO ENTRE ENTRE ENTRE PULSACIONES POR MINUTO Tabla 1. Valores normales de la frecuencia cardiaca en reposo y en el ejercicio. 1.6 TECNICAS DE MONITOREO Existen varias técnicas de monitoreo de actividad cardiaca, pero se mencionaran las más usadas: 1. Medición del Pulso 2. ECG (Electrocardiograma) Medición del Pulso. Como pulso se identifica al número de latidos del corazón, y su medición puede proporcionar información importante acerca de la salud de una persona. Llevarla a cabo es la manera más sencilla de identificar alguna variación en el ritmo cardiaco que puede ser motivo de consulta al médico; Medicina y Ciencias de la Actividad Física y el Deporte vol. 3 (11) pp Agosto de

25 por ejemplo, el pulso rápido puede ser signo de infección o deshidratación. En situaciones de emergencia, la frecuencia cardiaca puede ayudar a determinar si el corazón está bombeando o no, y a partir de ello emprender acciones al respecto. La medición del ritmo cardíaco tiene además otros usos, por ejemplo, si se lleva a cabo durante una sesión de ejercicio (o inmediatamente después) proporciona información sobre el estado atlético y de salud de la persona. El pulso se mide manualmente o se detecta el sonido que emite la acción de bombeo del corazón por medio de un estetoscopio en áreas por las que pasa cerca una arteria (conducto que lleva sangre del corazón a todos los órganos), y se le identificará por el nombre que de ésta se tome, pudiendo ser: En cuello (carotideo). En dorso del pie (pedio). En ingle (femoral). En muñeca (radial). En sien (temporal). En tetilla izquierda de bebes (pulso apical). Parte interna del brazo (humeral). Parte interna del pliegue del codo (cubital). Una vez encontrado el ritmo cardiaco, se cuentan los latidos durante un minuto completo, o durante 30 segundos y el resultado se multiplica por dos; la cifra obtenida debe cotejarse con los siguientes valores normales en latidos por minuto en reposo: 25

26 Bebes de 0 a 11 meses De 100 a 160 Niños de 1 a 6 años De 65 a 140 Niños de 7 a 10 años De 70 a 110 Niños de 11 años y adultos De 60 a 100 Adultos mayores a 60 años 60 o menos Tabla 2. Valores De Frecuencia Cardiaca de acuerdo a la edad Cabe destacar que de acuerdo a los especialistas en la salud del corazón (cardiólogos) la cifra máxima de pulsaciones cardíacas por minuto que soporta un corazón sano es aproximadamente 220. El nodo seno auricular se encarga de mantener el corazón latiendo a un nivel adecuado, su estructura es susceptible de anomalías, las cuales generalmente se originan debido a que las corrientes eléctricas producidas no son conducidas a los ventrículos, en consecuencia, la sangre no es bombeada en forma eficaz. Cuando esos impulsos se tornan irregulares o muy lentos menos de 60 latidos por minuto, quiere decir que el paciente experimenta bradicardia, sin que ello signifique problema a la salud, a menos que se trate de registro constante en cualquier persona menor a 60 años, o que haya mareos y/o desmayos repentinos. Por su parte, cuando la frecuencia cardiaca en reposo supera los 120 latidos por minuto el paciente sufre taquicardia, y como consecuencia el cuerpo tampoco recibe suficiente oxígeno y nutrientes para funcionar correctamente; una persona 26

27 con este problema puede experimentar mareos, confusión, manchas oscuras temporales en el campo visual y desvanecimientos Electrocardiograma (ECG). Es un examen que registra en un papel los cambios que ocurren en las pequeñas corrientes eléctricas que se producen en el corazón con cada latido, se utiliza para medir el ritmo y la regularidad de los latidos, así como el tamaño y posición de las aurículas y ventrículos, cualquier daño al corazón y los efectos que sobre él tienen las drogas [3]. Figura 1.5 Electrocardiograma (ECG) El ECG tiene una amplia gama de usos: Determinar si el corazón funciona normalmente o sufre de anomalías (p. ej.: latidos extra o saltos arritmia cardiaca). Indicar bloqueos coronarios arteriales (durante o después de un ataque cardíaco). Se puede utilizar para detectar alteraciones electrolíticas de potasio, sodio, calcio, magnesio u otros. Permitir la detección de anormalidades conductivas (bloqueo aurículaventricular, bloqueo de rama). Mostrar la condición física de un paciente durante un test de esfuerzo. Suministrar información sobre las condiciones físicas del corazón (p. ej.: hipertrofia ventricular izquierda) 27

28 Para el análisis de un ECG se toman 12 derivaciones las cuales son mediciones de voltajes entre electrodos colocados en el cuerpo, en conclusión es como plasmar la actividad el corazón en fotografías tomadas desde diferentes puntos de vista. Para este proceso se utilizan 10 electrodos. Cada uno de ellos se coloca sobre el paciente de la siguiente manera: Figura 1.6 Colocación de los electrodos en el ECG Electrodos. Son una clase de sensores que transduce la conducción iónica a la conducción electrónica para que la señal pueda procesarse en los circuitos electrónicos. El propósito usual de los electrodos es adquirir médicamente la señal bioeléctrica, por esta razón son utilizados en exámenes médicos como en el electrocardiograma (ECG), electroencefalograma (EEG), y electromiograma (EMG). La mayoría de estas señales bioeléctricas son adquiridas de uno de los tres tipos de electrodo existentes: macro electrodos de superficie, macro 28

29 electrodos de sonda, y micro electrodos. De éstos, los dos primeros generalmente se usan en vivo, mientras el último se usa en in Vitro 6. Figura 1.7 Clases de Electrodos 1.7 FISIOLOGIA DEL SISTEMA RESPIRATORIO El objetivo principal de la respiración es suministrar oxigeno a los tejidos y eliminar dióxido de carbono Estructura del sistema respiratorio. El sistema respiratorio está formado por una serie de órganos que realizan el intercambio gaseoso: Nariz Faringe 6 Robledo Carmona Juan Manuel. (2009). Electrocardiograma, Documento pdf, Emergencias/ecg.pdf,fc. Mayo de

30 Laringe Tráquea Bronquios Pulmones Estos órganos se ubican en dos zonas: Vías respiratorias altas: nariz, cavidad nasal, senos frontales, senos maxilares, laringe, faringe y tráquea. Vías respiratorias bajas: pulmones, alvéolos y bronquios. En el sistema respiratorio los pulmones y las vías respiratorias conducen el aire entre los pulmones y la atmósfera exterior. El aire inhalado viaja por la nariz, la faringe, laringe, y la tráquea antes de entrar en uno de los dos bronquios que llevan a los dos pulmones. En ellos, los bronquios se dividen en ramificaciones cada vez más pequeñas que acaban en alvéolos, donde se intercambia el oxígeno por dióxido de carbono. El aire exhalado vuelve en dirección contraria. 30

31 Figura 1.8 Vías respiratorias. El cuerpo humano puede vivir sin comida ni agua durante un tiempo, pero no sin un suministro continuo de oxígeno. Sus miles de millones de células consumen oxígeno incansablemente para liberar de los azúcares la energía necesaria para realizar sus actividades. Este proceso, llamado respiración celular o interna, genera también dióxido de carbono. El aporte de oxígeno proviene del sistema respiratorio, que introduce aire en el cuerpo, lleva el oxígeno a la sangre y expulsa el aire, con el dióxido de carbono indeseado FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA RESPIRATORIO Las funciones del sistema respiratorio se pueden resumir en tres pasos: 7 Guyton & Hall, Tratado de Fisiología médica, Mexico: Mc-graw hill, fc. Mayo de

32 Ventilación Pulmonar: Contracciones musculares que alteran el volumen del pecho y desplazan aire por el tracto respiratorio, dentro y fuera de los pulmones. Respiración externa: En los pulmones, el oxígeno pasa del aire al torrente sanguíneo; el dióxido de carbono sigue la ruta inversa. Respiración interna: En todo el cuerpo, el oxígeno pasa de la sangre a las células, donde se usa para los procesos químicos que liberan energía. El dióxido de carbono sigue la ruta inversa Mecánica de la ventilación pulmonar. Los pulmones pueden expandirse y contraerse de dos maneras: 1) Por el movimiento hacia abajo y hacia arriba del diafragma para alargar y acortar la cavidad torácica. 2) Por elevación y descenso de las costillas para aumentar y disminuir el diámetro antero posterior de la cavidad torácica. 32

33 Figura 1.9 Contracción y expansión de la caja torácica durante la espiración y la inspiración Mecánica de la respiración externa. La respiración consiste en el intercambio de gases (O2, CO2) entre las células y la atmósfera, su mecánica externa es el intercambio de gases (O2, CO2) a nivel pulmonar. Figura 1.10 Respiración externa 33

34 1.8.3 Mecánica de la respiración interna. La respiración interna o celular es el proceso de la respiración en la cual se produce el intercambio de gases entre la sangre y los tejidos Figura 1.11 Respiración interna 1.9 FRECUENCIA RESPIRATORIA: La frecuencia respiratoria se define como el número de veces que un ser vivo respira por cada minuto en el tiempo. Se suele medir en personas en reposo y consiste simplemente en contar las veces que la persona respira (elevación del pecho) por minuto. La frecuencia respiratoria suele aumentar con la elevación de la temperatura corporal, algunas enfermedades y otras condiciones médicas. Frecuencia normal por edad Recién nacidos: alrededor de 44 respiraciones por minuto Niño: respiraciones por minuto 34

35 Pre-Adolescentes: respiraciones por minuto Adolescente: respiraciones por minuto Adulto: respiraciones por minuto Adultos a ejercicios moderados respiraciones por minuto Atletas' pico respiraciones por minuto 1.10 TECNICAS DE MONITOREO DE LA RESPIRACION Existen varias técnicas de monitoreo, algunas de ellas mencionadas a continuación: Espirometría. Un método para estudiar la ventilación pulmonar es registrar el movimiento del volumen de aire que entra y sale de los pulmones, a este proceso se le denomina espirometría; este método se utiliza para monitorizar los pulmones y así determinar la eficacia de su funcionamiento, vigilar enfermedades, tratamientos, etc. Figura 1.12 Espirómetro 35

36 Figura 1.13 Diagrama que muestra los movimientos respiratorios durante la respiración normal y durante la expiración e inspiración máximas Pletismografía corporal. Es una prueba compleja que permite conocer el residual, es decir, el volumen que queda en el pulmón después de expulsar todo el aire que se puede. Conocer el valor del volumen residual, la capacidad pulmonar total y la capacidad residual funcional es importante para el diagnóstico de algunas enfermedades respiratorias Impedancia Transtorácica. La medida de la respiración por impedancia transtorácica es un método indirecto para monitorizar la respiración. La impedancia del tórax cambia durante la respiración; aumenta durante la inspiración y disminuye durante la espiración, ya que el aire tiene una mayor impedancia que el tejido pulmonar. 36

37 Los cambios de impedancia pueden determinarse y mostrarse como una forma de onda de respiración, y la frecuencia respiratoria puede contarse a partir de las respiraciones detectadas. La impedancia normal del tórax es, típicamente, de ohmios. El cambio en la impedancia debido a la respiración es muy pequeño y varía con la profundidad de la respiración: cuanto más profunda es la respiración, mayor es el cambio. Este es el método no invasivo más accesible y económico BASES FISICAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES RESPIRATORIAS Se puede decir que una señal es un fenómeno que transporta información. Las señales biomédicas se utilizan fundamentalmente para extraer información del sistema biológico bajo estudio. El proceso completo de extracción de la información puede ser tan sencillo como la estimación de la frecuencia cardiaca media de un paciente a través del "pulso" o tan complejo como el análisis de la estructura interna de los tejidos blandos mediante un sofisticado equipo de tomografía computarizada o resonancia magnética. La definición de "señal biomédica" es muy amplia. Para un análisis estructurado se puede emplear la siguiente clasificación: * Señales de Bioimpedancia * Señales Bioacústicas * Señales Biomagnéticas 37

38 * Señales Biomecánicas * Señales Bioquímicas * Señales Bioópticas * Señales Bioeléctricas Para el estudio de este proyecto las señales bioeléctricas generadas por el cuerpo contienen información relevante sobre los sistemas biológicos subyacentes. Su decodificación ha permitido identificar y clarificar un gran número de condiciones patológicas. El BIA (IMPEDANCIA BIOELÉCTRICA) es un método para el estudio de la composición corporal que se basa en la naturaleza de la conducción de la corriente eléctrica a través de tejidos biológicos. Es rápido, portátil, no invasivo, barato y con poca dificultad técnica. Este método mide la impedancia u oposición al flujo de una corriente eléctrica a través de los tejidos corporales contenidos fundamentalmente en los tejidos magro y graso. El principal problema en el registro de estas señales se encuentra en reducir al mínimo las interferencias o ruido que se encuentran mezcladas con ella y que en muchos casos tienen mayor amplitud que la propia señal con un espectro de frecuencia superpuesto 8. 8 Patterson, R. Bioelectric Impedance Measurementst., The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition, Ed. Joseph D. Bronzino Boca Raton: CRC Press LLC, fc. Julio de

39 1.12 FISIOLOGIA DE LA TEMPERATURA La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo, es decir, su capacidad para ceder energía calorífica; es la medida del grado de calor de un organismo, y desempeña un papel importante para determinar las condiciones de supervivencia de los seres vivos. La temperatura se puede expresar mediante la escala Kelvin ( K), Celsius ( C) o Fahrenheit ( F). Las equivalencias entre estos sistemas son: C = ( F 32), F = 1.8 ( C) + 32 y K = C El astrónomo sueco Ander Celsius ideó la escala centígrada asignando el valor 0 al punto de congelación del agua (0 ºC) y el valor 100 al de ebullición (100 ºC). Figura 1.14 Escalas de medición de la temperatura. 39

40 Existen dos tipos de temperatura: La temperatura periférica y La temperatura central. Temperatura periférica o superficial. Es la de los constituyentes del revestimiento periférico, como la piel, el tejido subcutáneo y las porciones superficiales de las masas musculares cuya función principal es la de mantener una temperatura central constante. La temperatura periférica muestra considerables variaciones, subiendo y bajando según el medio ambiente. La temperatura media de la piel para una persona promedio es de 33 C en un cuarto con temperatura ambiente de 25 C. La temperatura de la piel se puede medir mediante termocuplas o termistores montados en contacto con la epidermis. Temperatura central. La temperatura central representa la temperatura media en áreas corporales profundas centrales (ejemplos: cerebro, corazón, órganos abdominales). Se encuentra constituida por las regiones del cráneo, torácica, abdominal, pélvica y las porciones más profundas de las masas musculares de las extremidades. Los seres humanos somos homeotérmicos lo que significa que la temperatura corporal interna se mantiene casi constante. En condiciones normales, la temperatura interna del cuerpo fluctúa entre C FACTORES QUE AFECTAN LA TEMPERATURA CORPORAL Edad. Los niños tienden a tener temperaturas rectales y orales más altas (37.5 a 38.0 C) que los adultos. Las variaciones diarias cambian a medida que los niños crecen. 40

41 Ritmo diurno/circadiano (ciclo de 24 horas). A lo largo de la jornada las variaciones de la temperatura suelen ser inferiores a 1.5 Cº. La temperatura máxima del organismo se alcanza entre las 18 y las 22 horas y la mínima entre las 2 y las 4 horas. Este ritmo circadiano es muy constante y se mantiene incluso en los pacientes febriles. La temperatura ambiente. Altas temperaturas o frío extremo La indumentaria. Exceso o falta de indumentaria afectan la temperatura. El estrés. Las emociones intensas como el enojo o la ira activan el sistema nervioso autónomo, pudiendo aumentar la temperatura. Las enfermedades. Ciertas enfermedades metabólicas (hipertiroidismo) y aquellas que impliquen estados febriles, aumentan la temperatura, mientras que otras enfermedades metabólicas (hipotiroidismo) pueden conducir a un descenso de la temperatura. Cambios menstruales en las mujeres. En la segunda mitad del ciclo, desde la ovulación hasta la menstruación, la temperatura se puede elevar entre Cº. El ejercicio físico. La actividad muscular incrementa transitoriamente la temperatura corporal. Por el contrario, durante una inactividad prolongada (dormir), la temperatura disminuye. 41

42 1.13 MEDICION DE LA TEMPERATURA CORPORAL Los lugares anatómicos utilizados como referencia de temperatura corporal interna son: El recto. Se considera que la temperatura rectal es un buen criterio para determinar la temperatura interna. La temperatura rectal es aproximadamente 0.6 C mayor que la temperatura oral-sublingual. El canal auditivo. Por su proximidad al hipotálamo, la temperatura timpánica puede utilizarse como criterio para la estimación de la temperatura interna. La cavidad oral-sublingual. Es un buen indicador de la temperatura corporal central y suele oscilar entre 35,8 y 37,2 C. Axilar. Es la más cómoda y segura, aunque la menos exacta. Es poco representativa de la temperatura interna, ya que aumenta y desciende con la temperatura del entorno, y tiende a ser 1 C inferior a la rectal. En síntesis, las diferencias usuales entre los valores de temperatura de los diferentes lugares son aproximadamente de un grado lo cual se representa a continuación: 42

43 Los instrumentos más comúnmente usados son: Termómetro de vidrio de mercurio. Es un cilindro de vidrio hueco con un depósito de mercurio en el fondo y el extremo superior cerrado. Tiene una escala graduada que va desde los 35 hasta los 42 o C. Al aumentar la temperatura el mercurio se dilata y asciende por el capilar. Este termómetro es el más usado, aunque no el más preciso. Termómetro digital. La lectura es muy sencilla y rápida. Se utiliza de la misma manera que el termómetro de vidrio, pero la lectura se realiza a través de un dispositivo visual digital. Es importante comprobar su calibración. Termómetro de tira plástica. Contienen un cristal líquido sensible al calor, el cual cambia de color para indicar la temperatura. La tira se debe colocar en la frente y se lee cuando todavía está en su lugar después de un minuto. Este método no es muy confiable SENSORES PARA MEDICION DE TEMPERATURA: Existen varias clases de sensores de temperatura: - Termopares 9 Ferreira Maria Laura. Termorregulación. Tratado. Documento pdf. fc. Julio de

44 - Termistores - Circuitos integrados termo sensibles Termopares (o termocuplas). Es un transductor formado por la unión de dos metales distintos. Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño. Las termocuplas manejan temperaturas de -250 C a 1820 C lo cual es un rango demasiado amplio en comparación con la temperatura corporal humana (36 C a 40 C con fiebre) Termo resistores. Son resistencias que varían su valor en función de la temperatura a que estén expuestas. Son sensores absolutos, es decir miden la temperatura respecto a 0º. De éstos los hay PTC y NTC. Los PTC (Positive Temperature Coeficient) aumentan su valor a aumentar la temperatura. Los NTC (Negative Temperature Coeficient) disminuyen su valor al aumentar la temperatura Termo sensores. Son sensores de temperatura integrados en un chip. Los hay de relativos y de absolutos. También es posible escogerlos en grados Centígrados, grados Fahrenheit y grados Kelvin. Estos chips entregan una salida 44

45 proporcional a la temperatura. Las salidas más comunes son en tensión, corriente o frecuencia FUENTES DE ERROR DE LOS SENSORES Los sensores al igual que todos los demás dispositivos, tienen ciertos errores. El error se define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero. El rango de posibles errores se pueden catalogar en 4 categorías básicas: Inserción, aplicación, característico, y errores medioambientales. Errores de inserción. Esta clase de error ocurre durante el acto de insertar el sensor en el sistema que es medido. Éste es un problema general con las medidas electrónicas, de hecho, todas las medidas. La forma de minimizar este error, es dando un ajuste optimo al colocar el sensor o electrodo en el lugar correcto, ya que un mal ajuste provocaría perdida de información. Errores de aplicación. Estos errores son causados por el operador. Ejemplos típicos, como en aplicaciones de los sensores de tensión arterial donde se producen fallos por la mala purga de aire y otros gases (burbujas en la línea) en el sistema, y colocación física incorrecta del transductor (sobre o debajo de la línea del corazón) produciendo que una presión positiva o negativa se agregue erróneamente a la lectura. Este tipo de error se puede evitar teniendo un buen 10 S. Gil y E. Rodríguez. Termometría y Sensores de temperatura. Documento pdf. 45

46 mantenimiento de los equipos usados, además de tener un buen conocimiento de su uso. Errores característicos. Esta categoría a menudo se define para aquellos errores sin calificar. En esta categoría se pueden incluir errores como un valor de offset de DC. Para eliminar este tipo de error se pueden usar filtros si se tienen por ejemplo señales no deseadas o niveles de DC que no se necesiten. Errores medioambientales. Estos errores se derivan del ambiente en que el sensor se usa. Ellos incluyen frecuentemente la temperatura pero también se puede incluir la vibración, exposición química, u otros factores. Esta desviación puede significar varios grados de error dependiendo del tipo de sensor utilizado CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD El riesgo de electrocución para las personas se puede definir como la "posibilidad de circulación de una corriente eléctrica a través del cuerpo humano". Así, se pueden considerar los siguientes aspectos: Para que exista posibilidad de circulación de corriente eléctrica es necesario: Que exista un circuito eléctrico formado por elementos conductores. Que el circuito esté cerrado o pueda cerrarse Que en el circuito exista una diferencia de potencial mayor que cero 46

47 Que el cuerpo humano sea conductor. El cuerpo, si no está aislado, es conductor debido a los líquidos que contiene (sangre, linfa, etc.) Que el cuerpo forme parte del circuito 1.17 TIPOS DE ACCIDENTES ELÉCTRICOS Los accidentes eléctricos se clasifican en: Directos: Son provocados por la corriente derivada de su trayectoria normal al circular por el cuerpo, es decir, es el choque eléctrico y sus consecuencias inmediatas. Puede producir las siguientes alteraciones funcionales: Fibrilación ventricular- paro cardíaco. Asfixia- paro respiratorio. Tetanización muscular. Indirectos: No son provocados por la propia corriente, sino que son debidos a: golpes, caídas, etc. causados por un movimiento brusco al momento del paso de la corriente a través del cuerpo. 47

48 1.18 FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL RIESGO DE ELECTROCUCIÓN Los efectos del paso de la corriente eléctrica por el cuerpo humano vendrán determinados por los siguientes factores: Resistencia eléctrica del cuerpo humano: además de la resistencia de contacto de la piel (entre 100 y 500 Ω), se debe tener en cuenta la resistencia que presentan los tejidos al paso de la corriente eléctrica, con lo que el valor medio de referencia está alrededor de los 1000 Ω; pero no hay que olvidar que la resistencia del cuerpo depende en gran medida del grado de humedad de la piel. Voltaje o tensión. El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión fija unos valores de tensión de seguridad (tanto para corriente alterna como para continua) de 24 V para locales húmedos y de 50 V para locales secos a una frecuencia de 50 Hz. Tipo de corriente (alterna o continua): la corriente continua actúa por calentamiento, aunque puede ocasionar un efecto electrolítico en el organismo que puede generar riesgo de embolia o muerte por electrólisis de la sangre; en cuanto a la corriente alterna, la superposición de la frecuencia al ritmo nervioso y circulatorio produce una alteración que se traduce en espasmos, sacudidas y ritmo desordenado del corazón (fibrilación ventricular). Tiempo de contacto: este factor condiciona la gravedad de las consecuencias del paso de corriente eléctrica a través del cuerpo humano junto con el valor de la intensidad y el recorrido de la misma a través del individuo. Es tal la importancia 48

49 del tiempo de contacto que no se puede hablar del factor intensidad sin referenciar el tiempo de contacto EFECTOS FÍSICOS DEL CHOQUE ELÉCTRICO Según el tiempo de exposición y la dirección de paso de la corriente eléctrica para una misma intensidad pueden producirse lesiones graves, tales como: asfixia, fibrilación ventricular, quemaduras, lesiones secundarias a consecuencia del choque eléctrico, tales como caídas de altura, golpes, etc. Tabla 3. Efectos del choque eléctrico Paro cardíaco: Se produce cuando la corriente pasa por el corazón y su efecto en el organismo se traduce en un paro circulatorio por parada cardiaca. 49

50 Asfixia: Se produce cuando la corriente eléctrica atraviesa el tórax. El choque eléctrico tetaniza el diafragma torácico y como consecuencia de ello los pulmones no tienen capacidad para aceptar aire ni para expulsarlo. Este efecto se produce a partir de ma. Quemaduras: Internas o externas por el paso de la intensidad de corriente a través del cuerpo por Efecto Joule o por la proximidad al arco eléctrico. Se producen zonas de necrosis (tejidos muertos), y las quemaduras pueden llegar a alcanzar órganos vecinos profundos, músculos, nervios e incluso a los huesos. La considerable energía disipada por efecto Joule, puede provocar la coagulación irreversible de las células de los músculos estriados e incluso la carbonización de las mismas. Tetanización: O contracción muscular. Consiste en la anulación de la capacidad de reacción muscular que impide la separación voluntaria del punto de contacto (los músculos de las manos y los brazos se contraen sin poder relajarse). Normalmente este efecto se produce cuando se superan los 10 ma. Fibrilación ventricular: Se produce cuando la corriente pasa por el corazón y su efecto en el organismo se traduce en un paro circulatorio por rotura del ritmo cardíaco. El corazón, al funcionar de una forma no coordinada, no puede bombear sangre a los diferentes tejidos del cuerpo humano. Para lograr dicha recuperación, hay que conseguir la reanimación cardiaca y respiratoria del afectado en los 50

51 primeros minutos posteriores al accidente. Se presenta con intensidades del orden de 100 ma y es reversible si el tiempo de contacto es inferior a 0.1 segundos. La fibrilación se produce cuando el choque eléctrico tiene una duración superior a 0.15 segundos, el 20% de la duración total del ciclo cardíaco medio del hombre, que es de 0.75 segundos. Se debe tener cuidado que en el lugar donde se realicen las mediciones no tengan condiciones de alta temperatura o contaminación 11. EQUIPOS TECNOLOGICOS EXISTENTES EN EL MERCADO K4b2 MetaMax 3B Polar FT1 1. K4 b² cardio pulmonary exercise testing. * Intercambio de Gas Pulmonar (VO2, VCO2) 11 Guyton & Hall, Tratado de Fisiología médica, Mexico: Mc-graw hill, fc. Mayo de

52 * Tecnología Breath by Breath * Transmisión de datos hasta 800m * Calorimetría indirecta * Sistema GPS integrado * Saturación de oxígeno (SpO2) y ECG de 12 canales integrados * Poderoso software basado en Windows para un avanzado análisis de datos. Su valor en el mercado es de dólares, se puede conseguir mediante LET MEDICAL STSTEM, CORP en MIAMI Pulsímetro Polar FT80 G1 Ajustes Básicos: Zona objetivo automática basada en la edad (% / ppm) - % / ppm. Luz. Indicador gráfico de zona objetivo. 12 Página web. 2-mobile-cardio-pulmonary-exercise-test&catid=145%3Aproduct-featurescpet&Itemid=174&lang=en. fc. Julio de

53 FC (mostrada en % de FC máxima). FC (mostrada en ppm). Heart rate (displayed as graphical trend) - Strength training. HeartTouch, operación sin presión de botones. Bloqueo de botones. Zona objetivo manual (% / ppm) - % / ppm. Ajuste del volumen del sonido. Alarma visual y sonora de zona objetivo. Resistencia al agua - 50m. Se debe acoplar a otros dispositivos POLAR para visualizar los datos recolectados. Su valor en el mercado es MetaMax3B Frecuencia cardiaca Analizador de O2 Analizador de CO2 Temperatura Telemetría 53

54 Presión Su costo es de aproximadamente Página del producto. fc. Mayo de

55 2. MODELO TEÓRICO De acuerdo a la creciente dinámica global del hombre, éste necesita portar elementos que se han vuelto indispensables para el desarrollo de sus actividades cotidianas. Dichos elementos varían dependiendo del campo de aplicación en el que se requieran, con la característica en común de ser dispositivos portátiles. Para el monitoreo de una persona en búsqueda de un rendimiento físico adecuado es necesario realizar la medición de 3 señales del cuerpo humano, como la frecuencia cardiaca ò pulso, la frecuencia respiratoria y la temperatura corporal. En la actualidad se busca obtener dichas señales en tiempo real, directamente en el ambiente de desarrollo del paciente o deportista, lo cual exige realizar este proceso utilizando un dispositivo portátil. 2.1 FRECUENCIA CARDIACA Como frecuencia cardiaca se entiende el número de latidos en un intervalo de tiempo determinado, el cual normalmente se expresa en latidos por minuto. Los métodos más comunes para obtención de la frecuencia cardiaca son: Obtención de la frecuencia cardiaca por medio del sonido generado en cada latido del corazón. Obtención de la frecuencia cardiaca por medio del potencial eléctrico producido por el tejido cardiaco en cada latido del corazón. 55

56 Para determinar la frecuencia cardiaca con el sonido del corazón es necesario utilizar un micrófono de superficie torácica acoplado a un dispositivo que procese dicha señal, la cual es utilizada principalmente para la detección de enfermedades cardiacas (ej. soplos). Para determinar la frecuencia cardiaca basados en el potencial eléctrico producido en los latidos del corazón es necesario utilizar electrodos (invasivos o no invasivos) que se colocan en pecho (ej. Triangulo de Einthoven) dependiendo de los detalles que se requieran. Figura 2.1 Ilustración Triangulo de Einthoven(a) y otras posiciones de los electrodos (b). Para obtener la frecuencia cardiaca se utilizaran los electrodos no invasivos ubicados en el pecho para analizar la señal que produce el potencial eléctrico generado por el corazón, procesar esta señal y así determinar la frecuencia cardiaca en latidos por minuto. 56

57 2.2 FRECUENCIA RESPIRATORIA La Frecuencia respiratoria son las veces en que una persona respira (contracción y expansión de los pulmones) en un periodo determinado, la cual se expresa normalmente como respiraciones por minuto. Dentro de los métodos para obtener la frecuencia respiratoria se encuentran: Análisis de la inspiración y la expiración Análisis de la expansión y la contracción del abdomen mediante una galga extensiométrica. Análisis de la variación de la impedancia con electrodos ubicados en el abdomen. Teniendo en cuenta que la frecuencia cardiaca se obtendrá con electrodos, es conveniente mantener el mismo tipo de transductores, por lo tanto se utilizaran los electrodos ubicados en el abdomen para analizar la variación de la impedancia en cada inspiración expiración, y procesar la señal para así obtener la frecuencia respiratoria. 57

58 Figura 2.2 Proceso de expansión y contracción del abdomen 2.3 TEMPERATURA CORPORAL Para obtener la temperatura corporal se deben utilizar transductores que transformen la irradiación del calor corporal en una señal que se pueda procesar. Para esto existen sensores que traducen la temperatura corporal a voltajes que se pueden procesar y así obtener los datos deseados. Un sensor con las características necesarias es el LM 35 el cual genera 10mV por cada grado Celsius de temperatura corporal en la superficie de la piel. 2.4 CIRCUITO ACONDICIONADOR DE SEÑAL En dicho circuito se deben agregar los filtros necesarios para la adecuación de las señales obtenidas mediante los transductores (frecuencia cardiaca electrodos, frecuencia respiratoria electrodos, temperatura corporal sensor de 58

59 temperatura). Dicho circuito debe tener elementos adecuados para manejar señales médicas (ej. Ina118 de burr brown). 2.5 PROCESAMIENTO DE LAS SEÑALES Para el procesamiento de las señales es necesario utilizar un micro controlador capaz de recibir tres señales ya sean análogas o digitales. Dicho microcontrolador debe de tener un puerto de comunicación serial (USART) para así enviar hacia un dispositivo de comunicación inalámbrica las tres señales procesadas y adecuadas. En el mercado existen dispositivos con las características nombradas, de esta variedad se eligió el PIC16F873 que tiene la capacidad de manejar las tres señales, procesarlas mediante programación y enviarlas en un paquete de datos mediante la USART. 2.6 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA Para la comunicación inalámbrica existen diferentes tecnologías capaces de realizar ésta tarea. Dicho dispositivo debe de poder recibir una señal proveniente de la USART del microprocesador y transmitirla sin pérdida de información a un receptor. En el mercado existen dispositivos bluetooth, wifi, comunicación por infrarrojos IrDA, zigbee, etc..., los cuales se adecuan a las necesidades del proyecto. Para la selección del dispositivo es necesario enfocarse en que dicho dispositivo sea 59

60 portátil, lo cual exige un bajo consumo, un amplio rango de transmisión y una comunicación eficaz, por lo cual se decidió utilizar el ZIG BEE, que cumple con todas las características necesarias para la transmisión de los datos obtenidos en el microprocesador. En la comunicación inalámbrica se propone usar el ZIG BEE para transmitir y recibir datos, ya que este dispositivo es un sistema de bajo costo, maneja un estándar para redes Wireless de pequeños paquetes de información, representa bajo consumo, es seguro, fiable y muy fácil para el manejo y formación de redes de transmisión de datos. 2.7 SOFTWARE Para la visualización de los datos es necesario realizar un programa que capture los datos provenientes del zigbee receptor. Se decidió por la plataforma Visual C# la cual se programa con un lenguaje de fácil manejo y además permite leer los datos directamente del puerto COM con una rutina ya existente en el programa. El modelo teórico propuesto se explica en el diagrama de bloques del sistema de monitoreo de los signos vitales (figura 2.3), donde se explican básicamente los instrumentos para llevar a cabo cada una de las etapas que constituyen el proyecto. Se tuvieron en cuenta sistemas eléctricos y electrónicos como electrodos y amplificadores, capaces de captar señales biomédicas de muy baja frecuencia; además se utilizaron las bases de programación de micro controladores para procesar estas señales y digitalizarlas para así ser enviadas a través de un modulo de transmisión y recepción vía RF (Radiofrecuencia) y 60

61 representarlas numéricamente en un PC por medio de un programa de visualización. Figura 2.3 Esquema para la obtención transmisión y recepción de las señales biomédicas 61

62 3. DESARROLLO DEL MODELO TEORICO La base de este proyecto es convertir la medición física en una salida eléctrica, ofrecer una interfaz entre el sistema biológico y un instrumento de registro eléctrico, preservando la información original a lo largo de todo el procedimiento de adquisición de los datos. El sistema en general consiste en la toma de tres señales biomédicas: frecuencia cardiaca, frecuencia respiratoria y temperatura; la toma de estas señales se hace utilizando electrodos para obtener la frecuencia respiratoria y el pulso, para detectar la temperatura se usará un IC sensor (Termo Sensor). 3.1 FRECUENCIA CARDIACA El diseño del circuito electrónico para la etapa de frecuencia cardiaca consta de la toma de la señal cardiaca por medio de dos electrodos (E3 y E4) adheridos al tórax en la parte superior izquierda precisamente en contacto con la piel entre la 3 y 4 costilla, y otro electrodo (E2) que es el electrodo común del circuito (tierra). Luego se prosigue con la etapa de acondicionamiento y acople de impedancias por medio de un filtro pasivo pasa baja de 3 Hz conectado a cada una las entradas de los electrodos que van hacia el amplificador de instrumentación (INA 118) el cual amplifica la señal. Esta señal amplificada, contiene gran cantidad de señales provenientes del ruido muscular y corporal, por lo que es necesario añadir a la 62

63 salida del amplificador un filtro pasabanda, que permita extraer la señal del pulso cardiaco en todo su rango de variación, de 40ppm a 180ppm, ósea de 0.66Hz a 3Hz.. La importancia de la señal cardiaca es la frecuencia y no su forma, se pasa esta señal a través de un circuito conformador de onda, que convierte la señal análoga del corazón, en una onda cuadrada correspondiente a la frecuencia cardiaca. Figura 3.1 Diagrama de bloques Frecuencia Cardiaca Adquisición de la señal. La adquisición de la señal se efectúa mediante los electrodos denominados E3 y E4. 63

64 Figura 3.2 Posición del sistema hombre instrumento Adecuación de la señal. La adecuación de la señal consta de un filtro pasa baja de 3 Hz conectado a cada uno de los electrodos antes de la entrada al amplificador de instrumentación. Figura 3.3 Red de adecuación de la señal cardiaca 1 f c 2RC Si f C 3Hz y R=56kΩ C 1 uf 2 (56k)(3Hz) 1 C=1Uf 64

65 3.1.3 Amplificador de instrumentación. Se utiliza para tener una alta impedancia de entrada y alto rechazo al modo común (CMRR)*. En este caso se utilizara el encapsulado INA 118 en una configuración de ganancia igual a 500 lo cual nos permite analizar la señal cardiaca que es del orden de 1 a 2mv amplificada 500 veces teniendo como resultado una señal aproximada de 500mv a 1v. Figura 3.4 Ganancia Amplificador de Instrumentación Según la figura 3.4 se obtiene una ganancia de 500 con una RG de 100 ohmios Filtro pasa banda. Este filtro se eligió para el paso del rango de la frecuencia cardiaca, la cual puede variar entre 0.66Hz. y 3Hz.. Para su implementación, se opto por usar 4 etapas de filtrado en cascada, debido a que para este rango de frecuencias, aplicarlo en una sola etapa implicaría el uso de condensadores polarizados y resistencias demasiado grandes. 65

66 Primero una etapa pasa bajo pasiva; segundo una etapa pasa alto activo orden 2; tercero, una etapa pasa bajo activo de orden 2.. Filtro pasa baja pasivo 3Hz. Este filtro se utiliza para filtrar las señales por encima de 3Hz y dejar pasar las señales iguales o más bajas de 3 Hz. Figura 3.5 Esquema filtro pasa baja. 1 f c 2RC Si f C 3Hz y R=56kΩ 1 C 1uF 2 (56k)(3Hz) C 1uF Filtro activo pasa alta 0.3 Hz. Este filtro de 2º orden tipo butherworth se utiliza para eliminar las señales por debajo de 0.3 Hz. Figura 3.6 Esquema filtro pasa alta. 66

67 C =1.414 y ' ' 2 ll C 1 =0,7071 C Hz '' 2 C 2 200nF C Hz '' , si R 3. 69M 0.375, si R 3. 69M C C M M C 1 100nF Filtro activo pasa bajas. Se diseño un filtro de 2º orden tipo butherworth FIGURA 3.7 Filtro activo pasa baja de 3 hz C '' y C '' C Hz '' , si R 220 k C k C 1 340nF C Hz '' , si R 220 k C k 67

68 C 2 170nF Conformador de Onda. Figura 3.9 Conformador de onda de la frecuencia cardiaca Se busca conformar la onda del corazón, en una onda cuadrada para llevarla a una entrada digital del micro controlador y así poder medir el numero de pulsos por minuto del corazón; para ello, se usa un comparador de piso, el cual está formado por un circuito promediador de la onda y un amplificador operacional en malla abierta, como se ve en la figura 3.9. La señal del corazón es comparada con su valor promedio. El resultado es una onda cuadrada entre +V y -V, que al pasar por el diodo rectificador, queda limitada a +V y -0, con frecuencia igual a la cardiaca. 68

69 3.2 FRECUENCIA RESPIRATORIA El principio para la medida de la FR, es el de variación de la impedancia transtorácica, para lo cual se usará un generador de voltaje con frecuencia de 70 KHZ en serie con una resistencia fija, cerrando el circuito la impedancia variable transtorácica, resultando en una señal modulada en amplitud por la FR en los electrodos conectados al paciente. La Frecuencia Respiratoria se recupera usando un detector de envolvente y un conformador de onda como el usado en la Frecuencia Cardiaca. Figura 3.10 Diagrama de bloques sistema respiratorio El sistema consta de un oscilador el cual proporciona la señal de medida que será aplicada al paciente. Después la señal respiratoria es detectada utilizando un arreglo de dos electrodos que registran la variación de la impedancia del tórax cuando se respira; usualmente esta señal es amplificada y filtrada, para esto utilizamos amplificadores operacionales para incrementar la amplitud de las 69

70 señales, para eliminar el ruido o compensar las distorsiones causadas por el medio externo Oscilador. En este primer bloque del circuito se implementa un oscilador tipo PUENTE DE WIEN que genera una frecuencia de 70 Khz la cual es permitida dentro del rango de consideraciones de seguridad del paciente. Figura 3.11 Oscilador sinusoidal en puente de Wien R R ; f 0 1 2RC Si R1=5.6kΩ R2=20kΩ 70

71 Si f 0 70kHz y C 150pF R 1 10 k 2 (70kHz)(150 pf) Filtro Pasa Alto pasivo. Con el objeto de eliminar la DC proveniente de los electrodos, y las componentes de baja frecuencias se incorpora un filtro pasa alto, con frecuencia de corte de 1.5 khz. Figura 3.12 Esquema pasivo filtro pasa alta 1 f c 2RC Si f C 1. 5kHz y R=100kΩ C 1 1. nf 2 (100k)(1.5 khz) 06 C 1. 06nF 71

72 3.2.3 Detector de Envolvente. Se uso un detector de pico como el mostrado en la figura 3.13, fijando la resistencia y el condensador a una frecuencia de 15 Hz. Figura Esquema Amplificador Operacional, Detector de envolvente y filtro 1 f c 2RC Si f C 15Hz y R=10kΩ C 1 uf 2 (10k)(15Hz) 1 C 1uF Filtro activo pasabanda 0.1 a 0.7 hz. Se diseño un filtro de 2º orden tipo butherworth que permitiera solo frecuencias características de la respiración las cuales oscilan normalmente entre 12 hasta 25 respiraciones por minuto(r*pm) lo cual equivale a un rango de 0.1 Hz hasta 0.7 Hz (este rango es amplio lo cual 72

73 significa que el límite inferior está por debajo de 12 r*pm y el superior por encima de 25 r*pm); para tal fin se diseño un filtro pasa banda constituido por un filtro pasa baja de 0.7 Hz en serie con un filtro pasa alta de 0.1 Hz Filtro pasa altas 0.1 hz. Filtro activo de 2º orden tipo butehrworth Figura 3.14 Filtro pasa altas con fc=0.1hz C =1.414 ' ' 2 y ll C 1 = C Hz '' , si R 3. 3M C M C 2 680nF C Hz '' , si R 3. 3M C M C 1 340nF 73

74 Filtro pasa bajas 0.7 Hz. Figura 3.15 Filtro pasa bajas de 2º orden con fc=0.7hz C '' y C '' C Hz '' 1 C 1 146nF C Hz '' 2 C 2 72nF , si R 2. 2M 0.16, si R 2. 2M C C M M Conformador de Onda. Se busca conformar la onda de la respiración, en una onda cuadrada para llevarla a una entrada digital del micro controlador y así medir el numero de respiraciones por minuto; para ello, se usa un comparador de piso, el cual está formado por un circuito promediador de la onda y un amplificador operacional en malla abierta, como se ve en la figura La señal es comparada con su valor promedio. El resultado es una onda cuadrada entre +V y -V, que al 74

75 pasar por el diodo rectificador, queda limitada a +V y 0V y con frecuencia igual a la frecuencia respiratoria. Figura 3.16 Conformador de Onda de la frecuencia respiratoria 3.3 ETAPA DE MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA Teniendo en cuenta que la temperatura a medir está entre 36 C(hipotermia, menor a 36) y 40 C(hipertermia, por encima de 40), se utilizará un LM35 el cual es un sensor de temperatura linealmente proporcional a la temperatura en grados Celsius ( C). El LM35 tiene una ventaja sobre los sensores de temperatura calibrados en grados kelvin, debido a que el usuario no tiene que hacer ningún ajuste para obtener una temperatura conveniente en la escala de C. Este no requiere una calibración externa para proveer una precisión típica de ± ¼ C a temperatura ambiente y de ± 1 ¾ C sobre un total de -55 a +150 C de rango de 75

76 temperatura. Es de fácil uso gracias a su baja impedancia, salida lineal y precisa calibración inherente; puede ser usado con una o más fuentes de alimentación y exige solamente 60 ua de su fuente y además presenta un muy bajo autocalentamiento, a menos de 0,1 sin presencia de aire. La configuración básica del LM35 (permite leer temperaturas de 2 C a 150 C.) enviando la señal a la entrada AN0 del PIC. Figura 3.17 Conexión LM35 PIC 3.4 PROCESAMIENTO DE SEÑAL Para realizar la etapa de procesamiento de la señal análoga se cuenta con el PIC 16F873. El bloque de procesamiento se basa concretamente en el uso del conversor análogo a digital y la USART (Transmisor y Receptor Sincrónico/Asincrónico Universal), los cuales se encargarán de tomar la señal fisiológica censada y realizarle la respectiva conversión y procesamiento para luego hacer la transmisión hacia el sistema de visualización en el PC. 76

77 Figura Diagrama de Bloques Procesamiento de la señal Utilizamos el PIC 16F873 ya que consta de la suficientes herramientas para la implementación del proyecto, tales como memoria de 4k, 3 timer/counter, 10 bits para la conversión análoga digital, USART, etc. La ventaja de trabajar con un solo microcontrolador se basa en que se tiene menos estructura física, lo cual permite tener un equipo más compacto y portátil, ya que este es el objetivo principal del diseño del sistema 14. Las características principales del módulo son las siguientes: 215mA Máxima velocidad de datos 250kbps 14 Datasheet. PIC16f fc. Julio de

78 60mW de salida (+18 dbm) 1 milla (1.500 metros) de alcance Tipo Antena Plenamente certificado por la FCC 6 de 10 bits ADC pines de entrada 8 pines de E / S digitales Cifrado de 128 bits Configuración local o por aire Configuración por comandos AP o ATI Etapa de recepción. Para la etapa de recepción se utiliza un XBEE PRO como receptor RF y un cable conversor de USB a serial TTL el cual funciona bajo un chip FT232RQ. 78

79 Figura 3.19 Conexiones USART 79

80 El dispositivo Zigbee es alimentado con 3.3V provenientes de un regulador LM1117 el cual es alimentado con 5V provenientes del nivel TTL del cable conversor FTDI. 3.5 ETAPA DE PROTECCIÓN DEL PIC Antes de introducir la señal análoga por el canal de conversión A/D que tiene el PIC 16F873, se le realiza una protección contra picos de voltaje superiores a los valores de voltaje de referencia utilizados para la conversión +5V o 0V. Se usa una resistencia de valor de 2kΩ y dos diodos 1n60 en la configuración mostrada en la siguiente figura. Lo que se pretende con ésta configuración es que se manejan los valores de voltaje con los cuales el PIC no sufra ningún tipo de inconvenientes cuando la señal análoga tenga picos altos o negativos. Figura Protección del PIC 80

81 3.6 CONSTRUCCIÓN DEL PROGRAMA ASSEMBLER EN EL PIC El PIC se programa bajo el lenguaje de bajo nivel assembler el cual para los PICs de la familia 16F87xx consta de solo 35 instrucciones con 14 bits de longitud. Todas ellas se ejecutan en un ciclo de instrucción, menos las de salto que tarda 2. Figura Diagrama de flujo Programación en Assembler 81

82 3.6.1 ESTRUCTURA DE LA TRAMA DE TRANSMISIÓN USART (PIC16F873) DI (XBEE - TX) Para la transmisión de los datos obtenidos y procesados se conforma una trama de transmisión. Dicha trama se transmite por la USART del PIC hacia la DI del Xbee transmisor el cual a su vez transmite por RF en modo transparente la información. La trama se compone de 11 bytes, los cuales están distribuidos de la siguiente manera. 02 ID FC FCM FRB1 FRB2 FRM TB1 TB2 LRC 03 02: CABECERA DE TRAMA ID: NÚMERO IDENTIFICADOR DEL DISPOSITIVO PORTATIL FC: FRECUENCIA CARDIACA INSTANTÁNEA FCM: FRECUENCIA CARDIACA POR MINUTO FRB1: FRECUENCIA RESPIRATORIA BYTE 1 (BYTES MÁS SIGNIFICATIVOS) FRB2: FRECUENCIA RESPIRATORIA BYTE 2 (BYTES MENOS SIGNIFICATIVOS) TB1: TEMPERATURA BYTE 1 (BYTES MÁS SIGNIFICATIVOS) TB2: TEMPERATURA BYTE 2 (BYTES MENOS SIGNIFICATIVOS) LRC: COMPROBACIÓN DE TRAMA 03: COLA DE TRAMA 82

83 3.7 PLATAFORMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y VISUALIZACIÓN El uso del computador en medicina y campos afines provee muchas aplicaciones, como en el procedimiento de adquisición de datos y la visualización posterior de estos. En la adquisición se utiliza un PC portátil para la lectura de las variables fisiológicas. Dichas señales son analógicas y por lo tanto es necesario acondicionarlas y convertirlas en señales digitales para poder ser vistas en un PC. El proceso de adquisición puede ser entendido en el siguiente diagrama: Figura Diagrama Adquisición de datos. Utilizando la herramienta Visual C# se desarrolla el software administrador, el cual permite interactuar con los datos suministrados por el monitor portátil. La obtención de dichos datos se realiza vía RF con ayuda de los XBEE PRO. 83

84 3.8 VISUAL C# Microsoft Visual C# es un lenguaje de programación diseñado para crear una amplia gama de aplicaciones que se ejecutan en.net Framework. C# es simple, eficaz, con seguridad de tipos y orientado a objetos. Con sus diversas innovaciones, C# permite desarrollar aplicaciones rápidamente y mantiene la expresividad y elegancia de los lenguajes de tipo C. Construcción de un programa utilizando Visual C# Para el desarrollo de una aplicación en ambiente Windows utilizando Visual C# suele resumirse en los siguientes 3 pasos: Creación de la interfaz de usuario utilizando los controles de VC# Definir las propiedades de los elementos presentes en la interfaz de usuario Escribir el código de control asociado a cada elemento de la interfaz 3.9 CONTROL DE COMUNICACIONES MSCOMM El control de comunicaciones permite que se puedan realizar transmisiones y recepciones de datos a través del puerto serie. El control de comunicaciones tiene predefinido un solo evento para manejar las comunicaciones. Éste evento llamado OnComm, se dispara cada vez que ocurre cualquier cosa relacionada con el puerto de comunicaciones (se recibe un carácter, se detecta un cambio en de las señales de la interfaz o se produce 84

85 cualquier tipo de error en la comunicación). Además cuenta con una serie de propiedades específicas: CommPort. Indica el número del puerto serie usado. Settings. Indica la velocidad, paridad, número de bits y bits de stop (parada) que se van a usar en la comunicación. Handshaking. Especifica el método de control sobre el flujo de información InBufferSize. Mediante esta propiedad establecemos el tamaño del Buffer (almacén de datos) de entrada. OutBufferSize. Mediante esta propiedad controlamos el tamaño del Buffer de salida. Interval. Indica el tiempo (en milisegundos) del intervalo entre una y otra comprobación del estado de recepción del puerto. El valor mínimo es de 55 ms. PortOpen. Abre el puerto de comunicación. InBufferCount. Nos permite saber cuántos caracteres tenemos en el Buffer de entrada OutBufferCount. Nos permite conocer cuántos caracteres quedan por transmitir en el Buffer de salida. 85

86 Output. Envía caracteres al Buffer de salida. Input. Lee el Buffer de recepción. CommEvent. Devuelve el evento más reciente que ha ocurrido para generar el evento general OnComm ESQUEMA DEL PROGRAMA En forma general el programa permite el acceso de los datos provenientes del PIC a través del puerto serial. Por medio de la pantalla principal se visualizan los datos recibidos. Figura Plataforma de Visualización de datos. 86