TRANSMISIÓN INALÁMBRICA DE DATOS DE OXIMETRÍA

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1 TRANSMISIÓN INALÁMBRICA DE DATOS DE OXIMETRÍA Autor: Mena Ortega, Alejandro. Director: Giannetti, Romano. Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO La técnica de la oximetría de pulso se basa en las variaciones de las características de transmisión o reflexión de la luz dependiendo del grado de oxigenación de la sangre. Es una técnica no invasiva que se lleva empleando varias décadas en muy variados campos de la medicina, siendo el uso que más interés tiene para este proyecto las aplicaciones en medicina deportiva. Los principales problemas al tratar de medir la frecuencia cardiaca y la saturación de oxígeno en sangre cuando se realiza una pulsoximetría con diodos láser infrarrojos a un paciente en movimiento son los artefactos por movimiento y las limitaciones que supone la obligatoriedad de estar conectado físicamente al aparato de medición y procesado de la señal. Estas dos condiciones limitan su utilidad a las en pruebas de esfuerzo realizadas a personas ejercitándose en tapiz rodante. Es por esto que la labor de transmitir inalámbricamente los datos es especialmente importante y constituiría una pequeña revolución en el campo de las oximetrías ya que permitiría su aplicación en pista abierta, lo que arrojaría nuevos datos a la medicina deportiva, muy aprovechables en el mundo de hoy, donde se perfecciona cada vez más el rendimiento deportivo el pos de conseguir unos mejores resultados en competición, lo que implica generalmente unos mayores ingresos. El proyecto estuvo incluido en un plan de mejora de los aparatos de oximetría ya diseñados en una de las ramas de investigación del Instituto de

2 Microelectrónica de Madrid. Los aparatos hasta entonces existentes requerían de diversos cables que se encargan de mandar las señales de activación de cada uno de los cuatro láseres y recibir información de los sensores presentes, así como de proporcionar la alimentación necesaria para que estos actúen. El sistema del que partíamos, desarrollado por el IMM tiene la siguiente estructura: Ordenador Sensor Tarjeta de control, alimentación y amplificación Figura 1. Estructura de partida La transmisión de las señales de la oximetría de manera inalámbrica fue el principal objetivo a superar en el proyecto. Para ello debíamos desarrollar un dispositivo que, insertado en la líne de flujo de los datos, fuera capaz de transmitir inalámbricamente las medidas. Debido al tipo de aplicación, la comunicación entre la parte de control y los sensores se diseñó de forma bidireccional, aunque en una primera fase se utilizó únicamente una dirección. Al ser un proyecto inmerso en una línea de investigación mayor, lo primero que se hizo fue familiarizarse con el sistema existente de medida de la saturación de oxígeno en sangre que se emplea en el Instituto de Microelectrónica de Madrid, así como acostumbrarse a las señales involucradas en el proceso, analizando

3 cuáles serían críticas para nuestro proyecto y cuáles no. Posteriormente hubo que analizar la situación tecnológica actual en el marco de las transmisiones inalámbricas, evaluando ventajas y limitaciones de las distintas tecnologías y protocolos existentes en el mercado. Los criterios clave para la toma de decisión fueron la potencia de emisión posible y la autonomía del dispositivo. Esto era debido a que las pruebas de esfuerzo que se quieren llevar a cabo son en pista abierta (por lo que se desea una distancia de comunicación cercana a los 100m) y de en torno a los 20 minutos (y por tanto la autonomía del dispositivo con una batería normal debe ser al menos de ese tiempo). Una vez decidida la tecnología a emplear se decidió que lo más adecuado en términos temporales y económicos era adquirir un dispositivo comercial de hardware y software abierto que fuera totalmente adaptable a nuestras intenciones. Finalmente hubo que definir un estándar para el flujo de datos entre los dos dispositivos que conforman el aparato de medida, de manera que se permitiera el envío rápido y efectivo de las mediciones en el paciente al PC que ya estaba presente en el dispositivo sobre el que se basa el proyecto. Como resultado del proyecto se ha conseguido desarrollar un dispositivo que satisface las necesidades anteriormente descritas y que constituye una primera aproximación a lograr un aparato que sea capaz de realizar con éxito las medidas en pulsoximetrías en pista abierta. El aparato ha sido programado de manera que sea facilmente modificable en sus parámetros más fundamentales Para concluir se realizaron diversas pruebas al dispositivo con señales que probaran el correcto funcionamiento del dispositivo que finalmente trabajará en conjunción con el pulsoxímetro desarrollado previamente.

4 WIRELESS TRANSMISSION OF OXIMETRY DATA Pulse oximeter technique is used to measure the arterial oxygen saturation of haemoglobin. The technology involved is based in two basic physical principles. First, the absorption of light at two different wavelengths by haemoglobin differs depending on the degree of oxygenation of haemoglobin. Second, the light signal following transmission through the tissues has a pulsatile component, resulting from the changing volume of arterial blood with each pulse beat. This second problem is solved with a microprocessor that distinguishes between both components. It is a non-invasive technique that gives experts a good indication of the patient s cardio-respiratory status. This technique has been very popular in the last decades in several medical fields, being the more interesting for this project the applications for sports medicine. The main problems when trying to measure the heart frequency and the oxygen saturation in a pulse-oximetry with near infrared laser diodes to a moving patient are the artefacts because of the movement and the limitations of the technique. Those limitations restrict the effort tests to a treadmill. That is the reason why wireless data transmission is specially important in this case and would mean a little revolution in the field of sports medicine, because it would permit the introduction of new data obtained in open air tests, useful nowadays, where sportive efficiency is very important, specially in competition, where efficiency and economical benefits are parallel. The project was included in a improvement plan of the existing pulse oximetry devices of one of the research lines of the Madrid Microelectronic Institute. The former devices required big amounts of wires to feed the four lasers, send the activation pulses and receive information of the sensors. The starting system, in which we had to work and that had been developed in the Madrid Microelectronic Institute has the following structure:

5 Ordenador Sensor Tarjeta de control, alimentación y amplificación Figure 1. Initial structure The wireless transmission of the signals involved was the first objective to reach in the project. To achieve that, a new device had to be developed and inserted in the usual data flux. This device s functions were to wireless send and receive the pulseoximetry data. According to the type of application, the communication between the control and the sensors was in two directions, but in a first stage it was in only one direction. As a project immerse in a bigger research line, the first thing to do was getting familiar with the existent pulse-oximeter, which is the one used in the Madrid Microelectronic Institute, and with the signals involved in the process, analysing how critical they were in our mark of investigation. Afterwards it was necessary to analyse the state of the art in the wireless transmissions, evaluating the advantages and disadvantages of each existent technology or protocol. The key criteria to make a decision were the emitting power and the device s autonomy. Due to the fact that the desired effort tests are open-aired (which means that the device need to transmit to distances of about 100m) and lasting 20min (so the autonomy with a common battery has to be at least this)

6 Once chosen the technology to be used, it was decided in terms of money and time to buy a commercial open-source device totally adaptable to our purposes. Finally a standard had to be defined to regulate the data flux between the two parts forming the measurement machine, allowing the fast sending and receiving of the signals from the patient to the PC which was already present in the system developed by the Madrid Microelectronic Institute. As a result of the project, a new device has been developed that satisfies all the neccessities defined previously and that represents a good first approximation to obtain a final system able to make successful open air measures of the saturation level of oxigen present in the athletes blood. The device has been programed in order to be easily modified at least in its fundamental pharameters. Finally, several tests were done in the device to show its perfect behaviour of the system that will work together with de pulxoximeter already existent..