CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

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1 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN 1.1 Estado del arte El estudio de la enfermedad de la apnea del sueño posee una larga historia, a pesar de que no es hasta mediados del S. XX cuando la enfermedad comienza a estar bien definida. La apnea del sueño es un trastorno frecuente en el que una persona hace una o más pausas en la respiración o tiene respiraciones superficiales durante el sueño. Las pausas pueden durar entre unos pocos segundos y varios minutos. A menudo ocurren entre 5 y 30 veces o más por hora. Por lo general, la respiración vuelve a la normalidad, a veces con un ronquido fuerte o con un sonido parecido al que una persona hace cuando se atraganta. Casi siempre la apnea del sueño es un problema crónico (constante) de salud que altera el sueño. La persona pasa de un sueño profundo a un sueño liviano cuando hay una pausa en la respiración o cuando la respiración se vuelve superficial [1], [2]. Los primeros casos diagnosticados de la apnea de sueño datan del año 1836 [3], [4]. Hasta finales de la década de 1920, no comenzarían las primeras investigaciones de la enfermedad con la creación de la máquina EEG, investigación que permitió la descripción de las etapas del sueño. En la década de 1960 los investigadores seguían considerando la apnea del sueño como una enfermedad rara y poco común. De hecho, no fue hasta 1965 cuando la apnea del sueño se documentó correctamente en la forma en que la conocemos hoy en día [5], [6]. En 1969, se descubrió que una traqueotomía mejoraba y aliviaba la enfermedad y fue esta la información que condujo al descubrimiento de la causa de la apnea del sueño. Las consecuencias fisiológicas de la apnea del sueño incluyen: hipertensión pulmonar y sistémica, incremento de la poscarga ventricular y disminución del gasto cardíaco, alteraciones en la presión intratorácica y de la hipoxia, hipertensión arterial sistémica diurna, cardiopatía isquémica, insuficiencia

2 cardiaca congestiva y respiración de Cheyne-Stokes en el fracaso cardíaco congestivo. El síndrome de la apnea del sueño es una enfermedad muy frecuente, afecta al 4-6% de hombres, al 2-4% de mujeres y al 1-3% de niños. Aproximadamente un 4% de la población lo sufre y el 25% de los accidentes de tráfico están relacionados con ella. Se calcula que en España hay entre uno y dos millones de personas que la padecen, aunque sólo estén diagnosticados entre el 5-9 % y en EE.UU hay más de 17 millones de personas que padecen esta enfermedad. La apnea del sueño que no recibe tratamiento puede afectar: Aumentando el riesgo de sufrir presión arterial alta, ataque cardíaco, accidente cerebrovascular (derrame cerebral), obesidad y diabetes. Aumentando el riesgo de que ocurra insuficiencia cardíaca o de que ésta empeore. Aumentando las probabilidades de que haya latidos irregulares del corazón (arritmias). Aumentando las probabilidades de sufrir accidentes automovilísticos o de trabajo. Existen algunos tratamientos eficaces para la Apnea del sueño, cabe inscribirlos es las siguientes categorías entre las que se podría citar una reducción de peso, cirugía, dispositivos dentales y aparatos de respiración asistida. La polisomnografía que es una técnica neurofisiológica que estudia el sueño mediante el registro de múltiples parámetros fisiológicos. El paciente duerme espontáneamente en el laboratorio del sueño, durante un tiempo variable, normalmente unas 8 horas, mientras el polígrafo registra y almacena las diferentes señales fisiológicas, tras el registro, se realiza el análisis detallado de los datos obtenidos por un especialista en trastornos del sueño [7]-[9]. Esta técnica a pesar de ser la prueba gold standard, es un procedimiento largo y laborioso, por lo que requiere de la presencia de personal sanitario

3 cualificado, resulta muy cara y eso es inviable para cualquier sistema de salud, además de ser invasiva, debido a la colocación de una serie de electrodos en el cuerpo del paciente: dos electrodos en la cabeza y dos en las orejas que registran la actividad eléctrica de su cerebro; unos electrodos para ver el ritmo de su corazón (rápido, lento), y controlar la existencia de posibles arritmias o complicaciones (electrocardiograma); dos electrodos situados al lado de los ojos para ver los movimientos oculares; dos electrodos debajo de la barbilla para ver el tono de la musculatura (valorar relajación); dos electrodos en cada pierna para detectar posibles movimientos de las piernas; un pequeño micrófono que se coloca en el cuello para captar sus ronquidos. También se disponen una serie de dispositivos como un sensor de posición corporal que normalmente es una pequeña caja que se sitúa en la zona pectoral para captar la postura en la que duerme. Una información fundamental es la que se obtiene de un aparato llamado Pulsioxímetro. Está compuesto de un dedal o pinza que se coloca en cualquier dedo de la mano y capta de forma no invasiva, gracias a una señal lumínica, la saturación de oxigeno que el paciente tiene en la sangre. Un sensor en los orificios de la nariz, para ver cómo circula el aire en el paciente. Un cinturón elástico alrededor del tórax y otro en el abdomen, para ver los movimientos respiratorios que se detectan en estas zonas y que permiten valorar el esfuerzo respiratorio realizado cuando disminuye el calibre de la vía aérea y aparecen dificultades para respirar. El coste de la polisomnografía se encuentra sobre los euros como mínimo por paciente y las listas de espera actualmente oscilan entre cuatro meses y un año. Otra técnica desarrollada es la poligrafía respiratoria, basada en el análisis de variables cardiorrespiratorias sin evaluar los parámetros neurofisiológicos, la cual constituye un método aceptado para el diagnóstico del Síndrome de Apnea-Hipopnea durante el Sueño (SAHS). Las ventajas de esta técnica son un menor costo y una disminución del tiempo de espera. La realización en casa de esta técnica también favorece, pero sigue siendo invasiva y algo menos compleja que la polisomnografía.

4 Otra técnica desarrollada es la poligrafía respiratoria, basada en el análisis de variables cardiorrespiratorias sin evaluar los parámetros neurofisiológicos, la cual constituye un método aceptado para el diagnóstico del Síndrome de Apnea-Hipopnea durante el Sueño (SAHS). Las ventajas de esta técnica son un menor costo y una disminución del tiempo de espera. La realización en casa de esta técnica también favorece, pero sigue siendo invasiva y algo menos compleja que la polisomnografía. Otro de los dispositivos disponibles en el mercado para personas que tienen apnea del sueño es un dispositivo de presión positiva constante de las vías respiratorias (CPAP por sus siglas en inglés Continuous positive airway pressure ). Un dispositivo de CPAP incluye una máscara, tubos y un ventilador. Usa presión de aire para empujar la lengua hacia adelante y abrir la garganta. Esto permite que el aire pase a través de la garganta. Reduce los ronquidos y previene las molestias de la apnea. Un dispositivo de CPAP no cura la apnea del sueño. Sin embargo, cuando el dispositivo se usa de la manera correcta, los problemas del sueño deberían mejorar bastante. Una alternativa al CPAP, ya que muchos pacientes les resulta incómodo e insoportable tener que dormir toda la noche con una mascarilla en la cara, es el dispositivo DAM, dispositivo de avance mandibular, se trata de una férula que mejora la respiración durante la noche. Ataca el punto más crítico del ronquido y evita el bloqueo de las vías respiratorias. Presenta ventajas como su fácil uso y transporte, su efectividad y el hecho de ser un tratamiento reversible y no invasivo, aunque presenta un 90% de efectividad. La apnea del sueño se está convirtiendo es una enfermedad muy común, ya que afecta a un gran número de personas. Ante esta situación, la investigación para descubrir nuevos métodos de detección de la apnea se hace urgente y por ello ha tomado un gran impulso y se están desarrollando nuevas tecnologías para diagnosticar esta enfermedad fácilmente. En la actualidad son varios los grupos de investigadores que están intentando buscar soluciones a este problema, los cuales han desarrollado las llamadas camas inteligentes, sistemas no invasivos capaces de medir el ritmo respiratorio de una persona mientras está acostada en una cama del hospital,

5 estas camas son capaces de modificar su posición de forma automática para facilitar la respiración del paciente [10], [11]. Esta técnica está basada en una serie de sensores situados debajo de un colchón de aire, donde unos transductores de presión convierten los cambios de presión en niveles de tensión. La sensibilidad del transductor es máxima a la hora de detectar los cambios de presión. Dicho sistema se presenta como un sistema no invasivo capaz de medir la respiración de una persona con precisión sin contacto físico alguno simplemente estando la persona acostada en la cama. Por el contrario debido a la naturaleza del método, las mediciones de la respiración se pueden ver afectadas por el peso y la posición del paciente, además de tener que adaptarse el algoritmo de detección a las características específicas de cada paciente, y al simple hecho de que todo el sistema se encuentra a expensas de la cama. Se ha presentado también la nariz electrónica, método con los que se busca simplificar el procedimiento del diagnóstico de la enfermedad. Este método está basado en una prueba sencilla, que dura unos pocos minutos en el centro de asistencia médica. Los resultados de la prueba, junto con otros síntomas, harán que el especialista recomiende, o no, un screening nocturno realizado con un "Polígrafo Respiratorio", logrando así un procedimiento diagnóstico más costeefectivo. Dicha tecnología diagnóstica es entre tres y cuatro veces más barata que la tradicional [12]. Otra de las técnicas en proceso de desarrollo para el diagnóstico precoz es el estudio de la voz. Se realiza la grabación de la voz del paciente durante varios minutos y después se procesa en un sistema de tratamiento de señales donde se evalúa si el paciente tiene apnea del sueño o tiene más o menos riesgo de desarrollarla. Tanto la nariz electrónica como el estudio de la voz son técnicas que todavía no se comercializan debido a que se encuentran en fase de experimentación. Otra de las técnicas desarrolladas, es un sistema basado en sensores de fluoruro de polivinilideno (PVDF), con placas conductoras integrada en un cinturón portátil. Este sistema presenta propiedades piezoeléctricas. Dichas

6 propiedades se utilizan para detectar el movimiento en la superficie del cuerpo correspondiente a los latidos del corazón, mientras que en las placas conductoras del cinturón se colocan tres sensores que miden una diferencia de potencial. Es un sistema basado en el uso de la variabilidad del ciclo respiratorio y de la frecuencia cardíaca. El sensor PVDF es el encargado de registrar la señal portadora, que será filtrada y de la que se obtienen las señales de la respiración. Este sistema consta de un algoritmo de procesamiento de señales diseñado específicamente para él [11], [13]. El dispositivo HealthGear es otro aparato desarrollado para detectar apnea del sueño. Consta de una serie de sensores fisiológicos conectados de forma inalámbrica a través de bluetooth a un teléfono móvil. Está basado en la medida del nivel de oxígeno en la sangre (oxímetro), y la frecuencia cardíaca del usuario. Es un dispositivo de monitorización portátil de fácil manejo y capaz de capturar y analizar datos en tiempo real. Además permite mandar los datos registrados al instante al personal cualificado para su análisis. El HealthGear en la práctica tuvo un gran éxito, tanto por su fácil manejo y comodidad como por el alto nivel de acierto en pacientes que padecían la enfermedad de la apnea [14], [15]. Sin embargo, y a pesar de todos los esfuerzos realizados, los sistemas actuales todavía presentan una serie de limitaciones que hacen de la apnea del sueño una enfermedad difícil de detectar de forma precoz. Las principales carencias en los desarrollos realizados hasta la fecha se podrían resumir en los siguientes puntos: - Invasivas, y molestas para el paciente. - Incómodas y de larga duración. - Basadas en algoritmos, que no son fiables al 100%. - Económicamente muy caras, y que suponen un excesivo gasto para la Seguridad Social. - Algo limitado y complejo a la hora de utilizarlas. En el presente proyecto se ha realizado una primera aproximación al diseño e implementación de un sensor para la medida del ritmo respiratorio que pueda ser aplicado en la detección de la apnea del sueño. Teniendo en cuenta las

7 carencias encontradas en los sistemas empleados en la actualidad, el dispositivo debe ser de manejo sencillo, no invasivo o molesto para el usuario, fiable y económico, evitando además el empleo de transductores como micrófonos o amplificadores de altas prestaciones.

8 1.1 Hipótesis El contexto Científico Tecnológico actual, nos hace pensar que es factible desarrollar un dispositivo no invasivo, económico, sencillo y fiable con capacidad para detectar la apnea del sueño. Dado que la enfermedad de la apnea se presenta como un problema cada vez más serio en nuestra sociedad, la investigación para descubrir nuevos métodos de detección se hace urgente y por ello ha tomado un gran impulso y se están desarrollando nuevas tecnologías para diagnosticar las apneas fácilmente.

9 1.2 Objetivos El objetivo principal del presente proyecto es diseñar e implementar un prototipo preindustrial mediante un sensor, para la medida del ritmo respiratorio en tiempo real. Se espera que dicho prototipo sea una primera aproximación a un sensor económico y no invasivo que pueda ser aplicado en el diagnóstico precoz de la apnea del sueño. Como objeto del proyecto es necesario desarrollar un estudio del estado del arte de las tecnologías empleadas para detectar la apnea del sueño. Posteriormente se estudiará la tecnología más adecuada para la propuesta del proyecto. Además se realizará un diseño simulado del sensor seleccionado para valorar su respuesta tanto en sensibilidad para obtener el ritmo respiratorio como su respuesta ante interferencias externas, y finalmente se diseñará e implementará un circuito electrónico con la finalidad de realizar pruebas experimentales que permitan evaluar la tecnología propuesta.

10 1.3 Estructura del proyecto El presente proyecto está organizado de la siguiente forma: Capítulo 1. Introducción al problema de la apnea del sueño, estudios e investigaciones más relevantes sobre dicha problemática, finalmente se proponen las hipótesis y los objetivos del proyecto. Capítulo 2. Estado del arte de la tecnología capacitiva, para aplicaciones industriales y especialmente médicas. Estudios teóricos de los diferentes sistemas capacitivos y elección de tecnología capacitiva a implementar. Capítulo 3. Diseño e implementación del circuito electrónico, simulación mediante LTspice del diseño del sensor, donde se estudia tanto la sensibilidad obtenida en el sensor como su respuesta ante interferencias externas y experimentación del sensor capacitivo mediante pruebas reales con 2 voluntarios. Capítulo 4. Conclusiones sobre los resultados obtenidos en el diseño del sensor capacitivo, propuestas para optimizar el diseño como trabajo futuro.