Microprocesadores para aplicaciones

Transcripción

1 Microprocesadores para aplicaciones médicas Microprocesadores para comunicaciones ETSI de Telecomunicación Himar Alonso Díaz

2 Índice 1. Introducción Principales fabricantes Tendencias y consecuencias Equipos médicos electrónicos Uso del microprocesador en medicina Análisis de algunos equipos que usan microprocesadores Resonancia magnética, tomografía computarizada y ecografía Rayos X: Fluoroscopia, radiografía y radioterapia El electrocardiógrafo El desfibrilador automático externo El tensiómetro digital Conectividad Tecnología para el desarrollo de equipos médicos 13 2

3 1. Introducción Durante los últimos años el uso de sistemas electrónicos basados en microprocesador han supuesto un hito muy importante en la evolución de la electrónica y por ende, también en todos los ámbitos en los que se emplean medios electrónicos. La medicina es sin duda uno de estos ámbitos en los que gracias a la integración del microprocesador hoy disponemos de equipos de diagnóstico y tratamiento más potentes, precisos y fiables, y a su vez menos invasivos y menos dañinos para la salud del paciente. En este trabajo he querido hacer un análisis de algunos de los equipos electrónicos más utilizados en medicina, caracterizarlos atendiendo al uso que necesitan hacer de los microprocesadores, y finalmente comentar algunas de las soluciones existentes en el mercado Principales fabricantes Dependiendo del tipo y sobre todo de la complejidad del equipo al que nos refiramos, nos encontraremos en general con un mercado muy amplio para pequeños aparatos médicos (tensiómetros, electrocardiógrafos,...) y un mercado mucho más reducido para aparatos más grandes y complejos (resonancias magnéticas, rayos X,...). Para este segundo grupo de aparatos médicos lideran el mercado las marcas de Philips R, Siemens R, Toshiba R, General Electric Healthcare R, y Varian, Medical Systems R, representadas en la Figura 1. Figura 1: Principales fabricantes de equipos médicos También aparecen Kodak R y Olympus R, que si bien no desarrollan grandes equipos electrónicos para aplicaciones médicas, los he incluido porque son los principales fabricantes de la tecnología óptica que estos utilizan, así como de otros equipos médicos de visualización como los endoscopios. Figura 2: Principales fabricantes de microprocesadores empleados en aplicaciones médicas Por otra parte, la tarea de buscar información sobre los microprocesadores que utilizan los distintos equipos médicos no es sencilla, dado que los fabricantes ofrecen muy 3

4 poca información al respecto en los catálogos de sus productos. Curiosamente, son los fabricantes de microprocesadores quienes sí presumen de que una empresa quiera usar su tecnología para desarrollar equipos médicos [1]. En la Figura 2 se aprecia una lista con los principales fabricantes de los microprocesadores que se emplean en equipos médicos. Intel R es el preferido por las empresas para tareas de procesado de imagen, NEC R y Texas Instruments R incluyen núcleos ARM R en muchos de los chips que fabrican para este mercado, y finalmente para pequeñas tareas de control se usan muchos microcontroladores de Microchip Technology R Tendencias y consecuencias De todo el conjunto de útiles y herramientas empleadas en la medicina para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, aquellos que poseen sistemas electrónicos integrados tienden a controlarse mediante el uso de pequeños microprocesadores o microcontroladores. Esta idea se ilustra gráficamente en la Figura 3. Figura 3: Se tiende a controlar todos los equipos médicos mediante el uso de microprocesadores El abaratamiento de los circuitos integrados (y por tanto de los microprocesadores) ha sido sin duda una de las razones más importantes que han posibilitado este hecho. Como resultado se tienen nuevos productos, más precisos, más fiables, y con nuevas funcionalidades, que aportan más información y de más calidad al personal sanitario, contribuyendo en definitiva, a una mejor atención al paciente. 2. Equipos médicos electrónicos En este apartado vamos a analizar algunos equipos concretos, para comprender su funcionamiento y analizar aquellos problemas que se pueden resolver haciendo uso de sistemas electrónicos basados en microprocesador Uso del microprocesador en medicina Los dos usos principales que tienen los microprocesadores en aplicaciones médicas son: Procesado de control Procesado de imágenes 4

5 En la Figura 4 se muestra una gráfica en la que se encuentran algunos de los aparatos médicos más utilizados en la actualidad, clasificados atendiendo al uso que hacen del procesador 1, si es para control o para imágenes, y atendiendo también a la complejidad de los cálculos que se realizan. Figura 4: Clasificación de algunos equipos médicos según sea el uso que hacen de sistemas basados en microprocesador El endoscopio es un instrumento en forma de tubo, que contiene una luz y una óptica que permite la visualización del interior de un órgano hueco o una cavidad corporal, introduciéndolo mediante un agujero natural o una pequeña incisión quirúrgica [2]. A pesar de la complejidad que puedan tener los endoscopios más modernos en la actualidad, en la gráfica de la Figura 4 se ha incluido este instrumento como un ejemplo de un equipo electrónico que no utiliza microprocesador, para establecer un nivel de referencia Análisis de algunos equipos que usan microprocesadores Una vez clasificados los distintos aparatos, a continuación pasaremos a caracterizar y describir el funcionamiento cada uno de ellos Resonancia magnética, tomografía computarizada y ecografía Los equipos de resonancia magnética, tomografía computarizada y ecografía se usan en medicina para realizar distintos tipos de diagnósticos. El principio físico de funcionamiento de cada uno de ellos es diferente, pero todos tienen en común que necesitan procesar las imágenes que reciben para ofrecer al especialista que deba interpretarlas, una información precisa y fiable. A continuación se explica brevemente su funcionamiento: La resonancia magnética se basa en el principio físico de la resonancia magnética nuclear, y es posible gracias a que el cuerpo humano posee una gran cantidad de átomos de hidrógeno. Se introduce al paciente en el interior de un electroimán muy potente (Figura 5), de manera que los núcleos de los átomos de hidrógeno se orientan de acuerdo a las líneas de fuerza del campo. Al aplicarles un estímulo de radiofrecuencia se mueven cambiando de orientación. A este proceso se le llama resonancia. 1 Naturalmente, un equipo de resonancia magnética incluirá igualmente microprocesadores dedicados al control, pero en el análisis que estamos llevando a cabo tiene mayor relevancia la tarea de procesado de imágenes. 5

6 Figura 5: Resonador magnético de Philips R Cuando cesa el estímulo de radiofrecuencia, dichos núcleos liberan energía y vuelven a su situación inicial. Este proceso se conoce como relajación. Esta relajación se mide en dos instantes de tiempo diferentes, y esas medidas van a influir en la formación de la imagen. Las diferencias de densidad nuclear del hidrógeno en los tejidos y los tiempos de relajación distintos, determinan la intensidad de la señal. La excitación de los núcleos de la zona o región seleccionada, se efectúa variando ligeramente el campo magnético en dos planos al mismo tiempo. De este modo, sólo el área seleccionada estará en resonancia [3]. La tomografía computarizada es una exploración de rayos X que produce imágenes detalladas de cortes axiales (por eso también se le denomina tomografía axial computarizada, bien TAC) del cuerpo. Figura 6: TAC de Siemens R En lugar de obtener una imagen como la radiografía convencional, la TAC obtiene múltiples imágenes al rotar alrededor del cuerpo (Figura 6). Una computadora combina todas estas imágenes en una imagen final que representa una sección transversal del cuerpo. 6

7 Las fórmulas matemáticas para reconstruir una imagen tridimensional a partir de múltiples imágenes axiales planas fueron desarrolladas por el físico J. Radon, nacido en Alemania en Tras sus trabajo las fórmulas existían, pero no así el equipo de rayos X capaz de hacer múltiples cortes ni la máquina capaz de hacer los cálculos automáticamente. Hubo que esperar a la década de los 70, cuando el británico G. H. Hounsfield se valió del desarrollo de la computación para fabricar las primeras TAC [2]. Estos datos históricos reflejan la importancia tan grande que ha tenido la evolución de los sistemas de computación, y por tanto también los microprocesadores. La ecografía es otro aparato que sirve para obtener imágenes, basado en la emisión y recepción de ultrasonidos que se reflejan en los órganos internos (de ahí el prefijo eco), en la zona del cuerpo a explorar. Figura 7: Ecógrafo 3D de Philips R y antiguo ecógrafo 2D de Honda R Los ecógrafos tradicionales (en dos dimensiones, blanco y negro) no requieren mucho procesado en comparación con los aparatos de resonancia magnética o de tomografía computarizada. Un claro ejemplo lo podemos ver en la Figura 7. En la ilustración de la derecha se muestra un ecógrafo Honda R HS-4000, que utiliza un procesador Intel R Celeron R para la visualización de las imágenes [4]. En contraposición a estos ecógrafos están los que son capaces de mostrar imágenes en tres dimensiones. Dado que la información que reciben de los transductores es exctamente la misma para ambos casos, la diferencia se halla en el procesado de la señal. También cabe mencionar los modernos ecógrafos basados en el efecto Doppler, cuyo volumen de información a procesar es aún mayor. Para el procesado de imágenes, los principales fabricantes utilizan los procesadores de gama alta de Intel R (véase la Figura 8), hasta el punto de que ninguna de las referencias consultadas hace alusión a otra marca [1] [4] [5]. Figura 8: Procesadores más usados para el procesado de imágenes en aplicaciones médicas 7

8 Rayos X: Fluoroscopia, radiografía y radioterapia El siguiente grupo de aparatos a analizar se caracteriza por la utilización de rayos X, ya sea para para diagnóstico o para tratamiento. En el título de esta sección no se menciona la TAC porque encaja mejor en el grupo de equipos del apartado anterior, de procesado de imágenes, pero todas las consideraciones que se hagan para máquinas de rayos X son válidas también para este dispositivo. Una vez hecho este matiz, pasemos a analizar la función de cada uno de los aparatos más empleados en radiología: El fluoroscopio consiste en una fuente de rayos X y una pantalla fluorescente entre las que se sitúa al paciente (Figura 9). Sin embargo, los fluoroscopios modernos acoplan la pantalla a un intensificador de imagen de rayos X y una cámara de vídeo, lo que permite que las imágenes sean grabadas y reproducidas en un monitor [2]. Figura 9: Fluoroscopio de gran manejabilidad de Siemens R Dada la alta dosis de radiación a la que se somete el paciente, en la actualidad la fluoroscopia se ha reemplazado por otras técnicas de exploración con una menor exposición radiactiva para el paciente (por ejemplo la radiografía), pero se sigue aplicando en determinadas operaciones y en el diagnóstico de algunas patologías. La radiografía es un procedimiento similar al de la fluoroscopia, pero en el que la exposición del paciente a los rayos X es mínima, puesto que no se pretende observar imágenes en tiempo real, sino una única muestra estática (similar a una fotografía) que queda impresa en una película fotográfica [2]. Actualmente dichas impresiones tienden a sustituirse por imágenes digitales con el fin de reducir la contaminación (Figura 10). Figura 10: Equipo de radiografía digital de General Electric Healthcare R 8

9 La radioterapia es una forma de tratamiento basado en el empleo de rayos X. Se utiliza en oncología para eliminar las células neoplásicas, en la parte del organismo donde se apliquen (tratamiento local) [2]. La radioterapia actúa sobre el tumor, destruyendo las células malignas y así impide que crezcan y se reproduzcan. En la Figura 11 se muestra un acelerador lineal empleado en radioterapia. Figura 11: Acelerador lineal para radioterapia de Varian R El principal problema de los equipos que trabajan con rayos X es que este tipo de radiación es ionizante y por lo tanto daña los tejidos humanos expuestos a estos rayos. La misión principal de los sistemas basados en microprocesador en este caso consistirá en minimizar todo lo que sea posible el tiempo de exposición. También es importante, el control de la potencia y la frecuencia de emisión (en los pliegos de especificaciones, los hospitales y servicios de salud requieren equipos de rayos X con frecuencia de emisión controlada por microprocesador [6]) El electrocardiógrafo Un electrocardiógrafo es un aparato que sirve para captar la actividad eléctrica del corazón. A través de unos electrodos que deben colocarse en determinadas zonas del pecho la señal eléctrica se almacena y comúnmente se imprime para que el especialista pueda realizar el diagnóstico. En la Figura 12 se muestra un electrocardiógrafo comercial. Figura 12: Electrocardiógrafo de Philips R De todos los aparatos descritos hasta ahora, el electrocardiógrafo es con diferencia el más económico de todos. Es quizá por ello que muchas empresas lo fabrican, llegando 9

10 en muchos casos a escatimar en prestaciones. Lo bueno de ello por otro lado es que es un instrumento muy ilustrativo a nivel didáctico, para alguien que desee iniciarse en la electromedicina. En electrónica analógica se utiliza como ejemplo práctico del uso de amplificadores diferenciales y amplificadores de instrumentación 2. Existen de hecho muchas publicaciones de diversas universidades, escuelas e institutos que han diseñado su propio electrocardiógrafo. De todas las referencias, es de especial interés para este trabajo una de ellas [7] en la que se detalla el uso del microprocesador y los microcontroladores empleados. Figura 13: Esquema de los procesadores empleados para el diseño del electrocardiógrafo [7] Como puede verse en la Figura 13 se utiliza un procesador principal Intel R 80C186XL de 16 bits que se encarga de procesar la señal para la detección automática de cardiopatías, así como dos microcontroladores Microchip R PIC16C74B-20 y PIC16C74B-04 de 8 bits para el control de la impresora térmica y el resto de periféricos, respectivamente El desfibrilador automático externo Un desfibrilador externo es un aparato que se utiliza para la reanimación de pacientes que han sufrido una parada cardiaca debida a una fibrilación ventricular. Cuando eso ocurre, la actividad eléctrica normal del corazón que veríamos en un electrocardiograma (Figura 14) tendría una forma completamente caótica como la que se muestra en la Figura 15 [2]. Figura 14: Señal eléctrica en un corazón sano Solo en esos casos, en los que se dice existe fibrilación ventricular procede aplicar al paciente una descarga eléctrica determinada (o más) para intentar corregir la actividad eléctrica del corazón. 2 Por ejemplo en la ETSI de Telecomunicación de la ULPGC. 10

11 Figura 15: Señal eléctrica cuando se produce fibrilación ventricular Sin embargo no siempre se tiene un electrocardógrafo a mano cuando una persona sufre una parada cardiaca, para saber si el corazón está fibrilando o no. Por ello en muchos lugares públicos se han instalado los desfibriladores externos automáticos (o DEA). Este tipo de aparatos están indicados para ser utilizados por personal no sanitario en caso de emergencia (véase la Figura 16). Figura 16: Desfibrilador automático externo situado en un lugar público El reanimador debe únicamente seguir unas indicaciones auditivas de cómo y dónde colocar los electrodos al paciente. El DEA, provisto de un sistema microprocesador, detectará a través de los electrodos si el paciente sufre o no fibrilación ventricular y aplicará las descargas eléctricas, si procediera, al mismo tiempo que da instrucciones para que la reanimación sea lo más efectiva posible El tensiómetro digital Un esfigmomanómetro, o tensiómetro es un aparato para medir la tensión arterial. Gracias a la existencia de los microcontroladores hoy en día todo el mundo puede tener un tensiómetro digital en su casa. Es especialmente útil para las personas con problemas vasculares o cardiacos que deban revisarse la tensión con relativa frecuencia. Sin embargo su fiabilidad ha estado siempre, y está muy cuestionada. 11

12 Figura 17: Tensiómetro digital de Microlife R Tomemos como ejemplo el tensiómetro que se muestra en la Figura 17. El fabricante Microlife R, nos indica en la hoja de características del producto [8] que este dispositivo utiliza un microprocesador de 8 bits, y consigue con ello una precisión de ±3mmHg. Comparando este dato con la precisión que podría obtener un técnico sanitario con un esfigmomanómetro tradicional, vemos que es más que suficiente, ya que normalmente el dato es significativo hasta las centenas. Es decir, si la tensión indicada por el tensiómetro de la Figura 17 es de 138/90mmHg, sería igualmente válida la aproximación 140/90mmHg (que por cierto correspondería con un caso de hipertensión [2]). En conclusión, si con un microprocesador de 8 bits se consigue una precisión más que aceptable, podemos descartar que la baja fiabilidad de estos aparatos se deba a la precisión de cálculo. Probablemente tendrá que ver con el modo de colocarlo, la profundidad de los vasos sanguíneos, o los sensores utilizados, pero no con el sistema de cálculo ni con el microprocesador. 3. Conectividad Para un hospital o un servicio sanitario que deba adquirir equipos médicos es tan importante la calidad de los mismos, como el poderlos interconectar con el resto de equipos que forman la infraestructura hospitalaria. Nos referimos en general a equipos complejos, que trabajen con una gran cantidad de imágenes, etc. Todos los hospitales modernos disponen de un sistema de archivo y transmisión de imágenes (abreviado PACS por las siglas en inglés: Picture archiving and communication system). Sería muy poco eficiente que cada equipo tuviera su sistema de almacenamiento de imágenes, sobre todo a la hora de acceder a las mismas, clasificarlas, asociarlas a un historial clínico, etc. Normalmente se dispone de un PACS donde toda la información está centralizada y todas las máquinas se conectan a éste mediante los distintos protocolos de interconexión. Figura 18: Algunos estándares de conectividad empleados en equipos de medicina En aplicaciones médicas los protocolos más usados son DICOM, que trabaja a nivel de aplicación sobre TCP/IP [2] y el IHE. Es tan importante que los aparatos médicos 12

13 dispongan de estos estándares de conectividad, que los principales fabricantes se encargan de especificarlo claramente cuando anuncian un producto [9]. 4. Tecnología para el desarrollo de equipos médicos Algunos fabricantes de microprocesadores y de sistemas digitales también poseen kits de desarrollo orientado a la creación de aplicaciones médicas. Un buen ejemplo de estos kits lo encontramos en la placa de desarrollo OMAP-35X de Texas Instruments R de la Figura 19 [10]. Figura 19: Placa de desarrollo OMAP-35X de Texas Instruments R De manera similar a otros sistemas de desarrollo de la misma empresa, como por ejemplo los DaVinci, el OMAP-35X incluye varias tecnologías en una misma placa: un procesador ARM R Cortex A8, un DSP TMS320C64x, un motor para gráficos 2D/3D, aceleradores de video, una pequeña pantalla TFT, y varios interfaces de entrada/salida. A los fabricantes de microprocesadores les interesa crear este tipo de kits, ya que los desarrolladores que lo utilicen, serán probablemente sus futuros clientes. 13

14 Referencias [1] Intel anuncia que siemens utiliza su tecnología para equipos de diagnóstico. [29 de septiembre de 2004]. [2] Wikipedia. [3] Luis Calama Rodríguez. La resonancia magnética. [4] Catálogo de la empresa boente, material médico. [5] Especificaciones técnicas de un tac de philips. [6] Pliego de especificaciones técnicas del servicio extremeño de salud para la adquisición de equipos. [7] Cuba Instituto Central de Investigación Digital, La Habana. Diseño de un electrocardiógrafo portátil. [8] Características técnicas de un tensiómetro microlife. [9] Web de equipos médicos de philips. [10] Web de equipos médicos de philips. 14