Con este Trabajo de Fin de Grado, se pretende ahondar en el funcionamiento
de un pulsioxímetro, a modo de introducción en el inmenso campo de la
ingeniería biomédica, una disciplina que pone a la ingeniería al servicio de la
medicina para desarrollar nuevas herramientas y métodos que permitan mejorar la
calidad de vida de las personas.
Mediante un caso
práctico como es el diseño e implementación de un pulsioxímetro que nos permita
obtener la cantidad de oxígeno en sangre (SpO2) y la curva pletismográfica
pretendemos además desarrollar los conocimientos obtenidos durante el Grado en
Ingeniería Electrónica Industrial y Automática.
Nos centraremos
principalmente en el diseño de esquemáticos, haciendo uso de distintas
herramientas de simulación que nos permitan evaluar nuestros diseños,
para posteriormente realizar un PCB (placa de circuito impreso) lo que
nos facilitará la fabricación de un prototipo para su posterior análisis y
calibración.
Saturación de oxígeno en sangre
La saturación
de oxígeno en sangre (SpO2) es el parámetro que se utiliza para expresar la
cantidad de hemoglobina oxigenada (HbO2) respecto al total (HbO2 + Hb) que hay
presente en el cuerpo de un ser vivo. En otras palabras, describe el grado de
capacidad de transporte de oxígeno en sangre.
La SpO2 no es
una medida absoluta sino que se trata de una fracción porcentual de todas las moléculas
de hemoglobina (Hb) que transporta oxígeno en la sangre arterial. En la sangre
humana encontramos principalmente dos tipos de hemoglobina: la oxihemoglobina,
que transporta fundamentalmente el O2 hasta los tejidos (HbO2), y la
desoxihemoglobina o Hb reducida (HHb), es decir, aquella que no está saturada
en su totalidad, encontrándose fundamentalmente en la sangre venosa. La HHb se
transforma en HbO2 en los pulmones al saturarse por completo de oxígeno.
En condiciones
normales, la saturación de O2 en sangre arterial es del 95-100% y es
proporcional a la PaO2 que corresponde a la presión parcial de O2 disuelto en
el plasma.
Pulsioximetría
La técnica utilizada para determinar la saturación de oxígeno en sangre
mediante la pulsioximetría se conoce como espectrofotometría. Esta técnica es utilizada para la
determinación de la cantidad de energía radiante que absorbe o transmite un
sistema químico en función de la longitud de onda. Este constituye el método de
análisis óptico más usado en investigaciones químicas y bioquímicas.
Este método
consiste en medir la cantidad de luz absorbida como función de la longitud de
onda utilizada para irradiar una muestra. La muestra absorbe parte de la
radiación incidente de radiación ultravioleta y visible y promueve la
transición del analito[1] hacia un estado excitado,
transmitiendo así un haz de menor energía radiante.
Para determinar
la cantidad de luz absorbida por un cuerpo se recurre a la Ley de Beer que
afirma que esta absorción depende de la concentración de la solución. Así como
a la Ley de Lambert que enuncia que la cantidad de luz absorbida depende de la
distancia recorrida por la luz.
La
pulsioximetría es la oximetría realizada en vivo, y mide la Saturación de
oxígeno en sangre mediante la emisión de luz de diodos (LED), los cuales emiten
un haz de luz de dos longitudes de onda diferente, y la lectura a través de un
foto sensor colocando un dedo de la mano entre ambos. El sensor mide la
cantidad de luz absorbida por la sangre. Este método permite diferenciar
la HbO2 de la Hb en un vaso arterial y posteriormente determinar la SpO2.
La utilización
de dos longitudes de onda diferentes se debe a que la hemoglobina cuando no
está oxigenada absorbe más luz roja (600 a 750 nm), y cuando lo está, absorbe
en más cantidad en la región infrarroja (850 a 1000 nm).
Para la
medición de la cantidad de oxígeno mediante pulsioximetría se precisa de un
sensor en forma de pinza, este emite un haz de luz roja y otra infrarroja
que se refleja en la piel del pulpejo del dedo. Las longitudes de onda suelen
estar en un rango de 630-660nm para el rojo y en un rango de 800-940 nm para el
infrarrojo. Se escogen estas longitudes debido a que obtenemos una mayor
absorción del espectro luminoso por parte de la hemoglobina. Este sensor está
equipado con un fotodiodo que mide la cantidad de luz absorbida por la
oxihemoglobina circulante del paciente.
Sistema propuesto
Como ya hemos mencionado el objetivo de este proyecto será el de diseñar y
fabricar un pulsioxímetro de pequeño tamaños capaz de realizar mediciones
del espectro de oxígeno en sangre (SpO2), mostrar la curva pletismográfica y
a partir de estos datos obtener el pulso cardiaco. Estos datos serán
mostrados en una pequeña pantalla LCD de un tamaño aproximado de dos pulgadas.
El dispositivo contará además con un pequeño microcontrolador que realizará las
tareas de control y adquisición de datos, lo que nos permitirá descargar el
histórico de las mediciones en nuestro ordenador o tablet.
Componentes
principales
§ Led Rojo (660 nm): esta longitud de onda se verá más
absorbida en periodos con alto nivel de hemoglobina.
§ Led IR (950nm): al contrario que en el anterior
esta longitud de onda de onda no se verá tan afectada con niveles altos de
hemoglobina.
§ Fotodiodo: Constituye el sensor principal de
este dispositivo. Recogerá la luz emitida por ambos LED y reflejada en el
dedo. Nos devolverá las variaciones de la cantidad de oxígeno en la sangre en
variaciones de intensidad.
§ Pantalla LCD: nos permitirá mostrar el valor del
SpO2, del pulso cardíaco y graficar la curva pletismográfica. Se
comunicará con el microcontrolador mediante comunicación I2C.
§ Microcontrolador: realizará las tareas de control,
adquisición de datos y comunicación con otros dispositivos.
Acondicionamiento y control
Para el control
de los disparos de los LEDs se diseñará un pequeño circuito a modo de drivers
que nos permitirá ajustar la corriente en el cátodo con el objetivo de aumentar
o disminuir la intensidad luminosa, esto permitirá calibrar el dispositivo para
que se ajuste con precisión a los diferentes pacientes.
Por otro lado
será necesario acondicionar la señal obtenida del fotodiodo, amplificando y
filtrándola para eliminar las frecuencias indeseadas. Para ello se diseñará un
pequeño circuito que junto con el mencionado anteriormente conformará una sola
placa.
Circuito de Excitación de LEDs
Para nuestro diseño final optamos por la implementación de dos circuitos
independientes (uno para cada Led), con control de corriente en el cátodo
mediante fuente de corriente regulada por PWM.
El tipo de transistor elegido para la conmutación es Mosfet de canal P,
debido a que presenta mejores características frente a los BJT, como la
corriente que soporta o la velocidad de conmutación. Proponemos el uso del
BS250, un transistor Mosfet de baja potencia pero que cumple con bastante
margen todas nuestras necesidades.
El uso de condensadores en el filtro nos limita el tiempo de respuesta de
la fuente de corriente, debido a que el tiempo transitorio de carga del
condensador es grande en comparación con la frecuencia de disparo de los leds
(1 kHz). Además los LEDs Rojo e IR tienen una características distintas por lo
cual requerirán diferentes corrientes, por lo que cuando en cada conmutación,
en el cambio de LED, se requerirá un cambio de corriente, sin embargo la
limitación debido al tiempo de carga del condensador impedirá que usemos una
sola fuente de corriente para ambos Leds, siendo este el motivo del uso de dos
circuitos independientes para la excitación de los LEDs.
Acondicionamiento de la señal
La señal eléctrica obtenida a la salida del OPT101 se corresponde con
la variación de intensidad luminosa producida por el disparo alternado de los
dos LEDs que componen nuestro dispositivo. Esta señal contendrá componentes no
deseados como ruido, y además deberá ser acondicionada para poder ser
muestreada a través del ADC de nuestro microcontrolador. Esta señal contendrá
un valor constante de corriente continua y sobre esta señal de corriente
alterna de unos pocos mV que se corresponderá con el aumento de la cantidad de
oxígeno en la sangre y deberá ser amplificada de modo que utilicemos el mayor
rango posible del conversor ADC para obtener una señal digital con la mayor
resolución posible.
La implementación de un filtro paso banda en doble etapa nos permitirá
eliminar las componentes en frecuencias no deseada de nuestra señal. Este
filtro otorgará además ganancia a la señal que sumada a la aportada por
el amplificador de transimpedancia incluido en el OPT101, aportará toda la
ganancia necesaria para conseguir que el nivel de potencia sea mayor a la
sensibilidad del microcontrolador. El conversor ADC trabaja en un rango de 0 a 5 V por lo que el objetivo será que nuestra
señal trabaje en un rango lo más parecido a este sin sobrepasar esos límites,
gracias a esto podremos muestrear la señal digitalmente a la salida del circuito.
Desarrollo Software
Para el procesado de los datos y el cálculo del SpO2 y el ritmo cardiaco
hemos optado finalmente optar por uso de Labview. Este es un programa que nos
permite desarrollar software de forma fácil e intuitiva de forma gráfica a través
de bloques. Esto nos permitirá representar de forma muy visual los datos
obtenidos por el microcontrolador.
El microcontrolador sin embargo estará programado utilizando el IDE de
Arduino, y enviará los datos vía puerto serie al ordenador donde serán
procesados e interpretados por el programa implementado en Labview.
Conclusiones
El diseño propuesto nos proporciona
una señal de la onda pletismográfica con una resolución bastante buena y sin
gran cantidad de ruido. Además nos permite controlar de forma independiente la
intensidad de cada uno de los diodos para que se ajuste de la forma más
adecuada a las características del dedo del paciente.
El diseño de la sonda prototipada a
través de impresión 3D nos permite la realización de medidas de forma más
segura. Se ha propuesto también diferentes esquemas y alternativas a los
diseños de modo que se puedan conseguir los componentes de forma
sencilla y a un bajo coste.
Además para llegar a estos diseños
se han estudiado los principios fisiológicos sobre los que se basa la
pulsioximetría, y los cuales se han resumido y explicado en esta memoria.
Por tanto podemos concluimos que se
ha realizado un amplio estudio en campos multidisciplinares, y que esta memoria
constituye un manual para futuros estudiantes o makers que quieran iniciarse en
el campo de la ingeniería biomédica.
Sin embargo hay que destacar que el
diseño fruto de este trabajo es exclusivo para uso educativo, para comprender
los principios teóricos y prácticos de la pulsioximetría y no pretende
equipararse en ningún momento a un modelo comercial. Por esto estos diseños no
deben usarse para el uso médico dado que no se garantizar su precisión ni
operatividad.
Los pacientes que necesiten el uso de este tipo de dispositivos
deben adquirir modelos homologados por las instituciones pertinentes.
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