Diseño e implementación de un prototipo de monitor de ...±o e implementación de un prototipo de monitor de presión arterial no invasivo continuo Leonardo Casal*, Leandro Camigliano,

Diseño e implementación de un prototipo de monitor de

presión arterial no invasivo continuo

Leonardo Casal*, Leandro Camigliano, Luciano Gentile, Eduardo De Forteza

Facultad de Ingeniería y Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Favaloro, Av Belgrano 1723, CABA, Argentina

*Dirección de correo electrónico de contacto: [email protected]

Resumen. En determinados estudios en los que se mide la presión arterial, es necesario registrar la variabilidad de la presión de forma continua. Cuando no se justifica utilizar métodos invasivos, se debe usar un monitor de Presión arterial No Invasivo Continuo (PNI-C), que intenta cubrir la brecha existente entre los métodos no invasivos intermitentes y los métodos invasivos.

En el presente trabajo, se diseñó e implementó un prototipo de monitor PNI-C basado en una placa de adquisición para procesar las señales en tiempo real con un modelo de Simulink® en una Notebook, y así disminuir los tiempos de desarrollo. Por otro lado, fue necesario implementar un transductor electroneumático y un manguito inflable de dedo con un sensor fotopletismográfico en su interior, con las características deseadas para esta aplicación.

Se realizaron mediciones preliminares en algunos voluntarios, usando el método oscilométrico para la calibración y cerrando el lazo de control online con un control PID con ajuste manual de los parámetros. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios y alentadores para continuar con el proyecto y desarrollar una versión final que cumpla con los protocolos de validación clínica.

1. Introducción

1.1. Justificación, alcance y objetivos Ante la necesidad de la Fundación Favaloro de renovar su monitor PNI-C, Ohmeda 2300®, debido

a su obsolescencia, se comenzó a trabajar en el diseño de un prototipo que cubra esta necesidad y otras futuras, dada la poca oferta comercial de estos equipos.

1.2. Método de compensación de volumen Este método fue desarrollado por el checoslovaco Peñáz en 1973 y recibe distintas denominaciones: clampeo de volumen, técnica de descarga vascular o servo-fotopletismomanometría. El monitor de PNI-C basado en el método de compensación de volumen se comercializa desde 1986 y sus aplicaciones clínicas son aquellas en las que se desea medir la variabilidad de la presión en la arteria

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braquial de forma continua cuando no se justifica hacerlo invasivamente, ya sea a corto (estudios), mediano (monitoreo) o largo (ambulatorio) plazo.

Los bloques más importantes del monitor de PNI-C son los siguientes, ver Figura 1: • Un manguito inflable de dedo, donde se mide la presión Pcuff • Un sensor fotopletismográfico, colocado en la cara interior de un manguito inflable de dedo • Un control PID, que compara la señal fotopletismográfica PPG con una señal de referencia

PPGref obtenida en la calibración • Un conversor tensión-presión (conversor V-P) o transductor electroneumático, que infla el

manguito con la señal de salida del control PID, cerrando el lazo de control.

Figura 1. Diagrama en bloques del monitor PNI-C: manguito inflable, sensor fotopletismográfico, control PID, conversor tensión-presión.

1.3. Teoría de Funcionamiento Su principio de funcionamiento se basa en la curva V-P que relaciona el volumen arterial (estimado a partir de la señal de PPG) con la presión transmural Ptm, como muestra la Figura 2. La presión transmural es la presión arterial Part menos la presión en el manguito Pcuff, es decir Ptm(t) = Part(t) - Pcuff(t), Figura 2 A.

Cuando la presión del manguito es igual a la presión arterial media, Pcuff (t) = Pmedia, Figura 2 B, la presión transmural media es igual a cero, <Ptm> = 0. En este punto la compliance arterial es máxima y por lo tanto las pulsaciones en la señal de fotopletismografía PPG(t) son máximas [1]. El valor medio de la señal de PPG(t) con máxima amplitud es la señal de referencia PPGref.

Una vez encontrado este punto, con un lazo cerrado de control se controla Pcuff(t) para compensar de forma continua las variaciones de la señal de PPG tal que PPG(t) = PPGref. Esto implica que Ptm(t) = 0 y entonces Pcuff(t) = Part(t) en todo momento, Figura 2 C.


Figura 2. Gráfico de la curva V-P de la pared arterial y las señales involucradas en el método de compensación de volumen, PPG(t) y Pcuff(t). El control PID compensa las variaciones de presión

arterial con una realimentación de la señal de fotopletismografía.

1.4. Calibración La calibración es el proceso en el que se determina PPGref y su correspondiente valor, Pmedia. Esto puede realizarse:

• A lazo abierto, interrumpiendo las mediciones. • A lazo cerrado, que requiere mayor complejidad en los cálculos. Luego de la calibración inicial, es necesario realizar una recalibración cada 1 a 10 minutos

aproximadamente [1]. Esto se debe a que el valor de referencia PPGref varía debido a vasoconstricción o vasodilatación producida por el sistema nervioso simpático mediante el músculo liso vascular, cambios en la presión media o hematocrito, efecto de drogas y/o agentes anestésicos [1].

1.4.1. Recalibración a Lazo Abierto. Básicamente existen 3 métodos para determinar PPGref a lazo abierto:

• Método oscilométrico por fotopletismografía. Se infla el manguito a velocidad constante y se determina PPGref como el valor medio de PPG correspondiente a la oscilación en PPG de mayor amplitud. Si bien es el método más simple, tiene como desventaja que se debe interrumpir la medición a lazo cerrado durante unos 20 segundos.

• Método oscilométrico por fotopletismografía modificado [2]. La diferencia respecto al método anterior es que se infla al manguito con la presión arterial media Pmedia sobre una senoidal de 20 Hz y amplitud de 25 mmHg durante 3 latidos. Esto permite que se pierdan menos mediciones al recalibrar pero requiere más complejidad en los cálculos.

• Physiocal® [3]. Éste método interrumpe las mediciones durante 3 latidos para inflar el manguito de dedo a 3 presiones constantes cercanas a Pmedia y mide la señal de PPG. A partir de la relación entre la amplitud de Pcuff y PPG y la forma de onda de PPG, el algoritmo Physiocal® calcula el nuevo valor de Pmedia y PPGref .

1.4.2. Recalibración a Lazo Cerrado. Algunos sistemas determinan PPGref de forma ininterrumpida a lazo cerrado, utilizando lógica difusa [1] con reglas creadas en un latido inicial basadas en características de la forma de onda Pcuff y PPG y su relación. Otros sistemas utilizan redes neuronales,


modelos autorregresivos o modelos autodidactas, pero siempre se trata de complejos algoritmos patentados no públicos.

1.5. Reconstrucción de la Presión Braquial Una vez obtenida la presión en el dedo, ésta debe convertirse a presión de la arteria braquial, de mayor significancia clínica. Luego de realizar esta corrección, las mediciones pueden alcanzar los estándares de AAMI, [4].

La fórmula completa para calcular la presión del brazo a partir de mediciones en el dedo [5] es

Pbrazo = (Pdedo + Corraltura) • filtro + Corrparticular (1)

donde • Pdedo es la presión medida en el manguito de dedo a lazo cerrado. • filtro es un filtro para corregir la distorsión (debido a la reflexión de la onda de pulso) y el

gradiente de presión (debido al flujo de sangre), idéntico para todas las personas, propuesto por [5]. • Corrparticular es una corrección para cada persona en particular, utilizando parámetros calculados a

partir de la señal de PPG y mediciones en un manguito de brazo, PRTF (explicado en detalle más adelante), propuesto por [5].

• Corraltura es una compensación hidrostática de altura del dedo con un acelerómetro, en caso de que el dedo se mueva respecto a la altura del corazón.

2. Diseño e implementación del prototipo de monitor de PNI-C En esta sección se detallan las características de los bloques utilizados y el diagrama de flujo del monitor de PNI-C implementado.

2.1. Diagrama en bloques En la Figura 3 se muestra el diagrama en bloques del monitor PNI-C. Con una placa de adquisición se adquieren las señales de PPG y Pcuff con una resolución de 12 bits y frecuencia de muestreo de 250 Hz. Las señales se procesan en Simulink® en tiempo real y un control PID calcula la presión deseada en el manguito. A partir de una salida digital de la placa de adquisición, el conversor V-P infla el manguito con la presión deseada.

Figura 3. Diagrama en bloques esquemático del prototipo de monitor PNI-C basado en una placa de

adquisición y una PC con Simulink® Real-Time Workshop®.


En la Figura 4 se muestra una fotografía del monitor de PNI-C implementado completo, y su interior.

Figura 4. Fotografía del monitor de PNI-C implementado completo (izquierda) y su interior (derecha).

2.1.1. Placa de adquisición. Una placa de adquisición (National Instruments® DAQCard-6024E®) conectada al slot PCMCIA / PC Card de una Notebook (Pentium® III 1.2 GHz, 512 MB RAM con Windows XP SP2®) adquiere las señales para procesarlas en Simulink® en tiempo real.

2.1.2. Sensor fotopletismográfico. Se enciende el LED infrarrojo de un sensor de oximetría comercial marca Nellcor® tamaño pediátrico sin broche, de forma constante y la señal de PPG es sensada por el fotodiodo. Éste último se conecta a un amplificador de transimpedancia que convierte la señal de corriente a voltaje para que pueda adquirirse correctamente.

2.1.3. Sensor de presión. Un sensor de presión marca BD® modelo DTX Plus® (también conocido como “Statham”) mide la presión dentro del manguito. Éste se conectó a un amplificador de instrumentación INA122 de Texas Instruments® y la señal resultante ingresa directamente a la placa de adquisición.

2.1.4. Manguito inflable para el dedo. Se usa un manguito inflable de una vía marca Philips® de tamaño neonatal. En su cara interna se encuentra el sensor fotopletismográfico.

2.1.5. Conversor tensión-presión. Se utilizan dos válvulas solenoides on/off miniatura Serie 11® Parker® de rápida respuesta (velocidad máxima medida de apertura y cierre de 120 Hz), un compresor que trabaja a régimen constante y un reservorio de aire para amortiguar los cambios de presión.

En Simulink® se compara la señal de presión medida con la deseada, y a través del puerto de salida digital de la placa de adquisición se abren o se cierran las válvulas (una de entrada y otra de salida) para lograr la presión deseada dentro del manguito.

La respuesta del sistema tiene una frecuencia de corte de 4.2 Hz y una caída de 20 dB/déc, Figura 5.


Figura 5. Izquierda: módulo de la respuesta en frecuencia del conversor V-P implementado. Derecha: señal de presión del cuff medida y deseada para una senoidal de 1 Hz, utilizadas para medir

la respuesta en frecuencia del conversor V-P.

2.2. Software Las señales involucradas en el monitor de PNI-C se procesan en tiempo real con la aplicación Real-

Time Workshop® de Simulink® 7.2 de Matlab® R2010b. El diagrama en bloques (simplificado) del modelo en funcionamiento a lazo cerrado se muestra en la Figura 6. El modelo a lazo abierto es similar, excepto que se omite el controlador PID (no hay realimentación) y se incluye una rampa que ingresa al Conversor V-P.

PmediaPPGref

PPG(t) error PID

1

pres

frec

Psis

Pmed

Pdias

f

Correccion

Pdedo Pbrazo

Conversor V -P

Pdeseada Pmedida

Figura 6. Diagrama en bloques del modelo en lazo cerrado en Simulink. La señal medida de PPG se filtra con un filtro pasa bajos IIR con frecuencia de corte de 12 Hz y 2º

orden (no mostrado en la Figura 6) para no limitar la respuesta del sistema a lazo cerrado. PPG filtrada se compara con PPGref (obtenida en la calibración a lazo abierto). La señal resultante es la señal de error que ingresa al controlador PID. Éste genera una señal que se suma a la presión media (también obtenida en la calibración). Luego el conversor V-P compara la presión medida y la deseada para controlar las válvulas del conversor V-P. La señal medida ingresa a un bloque que convierte la presión en el dedo a presión en el brazo, como se explicó anteriormente. Finalmente se muestran los valores de frecuencia cardíaca, presión sistólica, media y diastólica.

2.3. Diagrama de flujo En la Figura 7 se muestra un diagrama de flujo del funcionamiento del modelo. A continuación se explican sus etapas.


Figura 7. Etapas del funcionamiento del monitor de PNI-C y su diagrama de flujo.

2.3.1. Calibración inicial. En primer lugar se realiza una calibración a lazo abierto con el método oscilométrico. Se infla el manguito a velocidad constante, Figura 8, y se busca la oscilación de mayor amplitud en PPG para determinar la presión media Pmedia y su correspondiente valor fotopletismográfico PPGref.

Figura 8. Calibración inicial a lazo abierto para obtener Pmedia y PPGref.

Luego se infla un manguito de brazo hasta que desaparezcan las oscilaciones en la señal de PPG en

el dedo, Figura 9. Se desinfla el manguito a velocidad constante y se registra el valor de presión en el manguito de brazo, PRTF cuando se observa la primera oscilación en la señal de PPG. PRTF se usa para la corrección particular de presión del dedo a presión del brazo, explicado anteriormente.

Offline Online

Lazo abierto Lazo cerrado

Part(t)

Calibración inicial

PPGref, Pmedia, PRTF

KP, KI,, KD

Part(t)

Pdedo(t), PPG(t)

Sintonización del control PID

Reconstrucción presión braquial

Mediciones sobre el sistema


Figura 9. Calibración para obtener PRTF, necesaria para la corrección particular de presión del dedo a presión del brazo.

2.3.2. Sintonización del Control PID. Una vez realizada la calibración inicial, se cierra el lazo de control a través del control PID. Se comienza con una pequeña realimentación proporcional KP y ésta se aumenta a medida que la señal de error disminuye. Luego se incrementa la realimentación integral KI y derivativa KD con el mismo criterio, Figura 10.

Figura 10. Sintonización del control PID a lazo cerrado.

2.3.3. Mediciones sobre el sistema y reconstrucción de la presión braquial. Con el control PID sintonizado, se mide la presión en el manguito inflable de dedo y se reconstruye la presión braquial (Figura 11) con el método explicado anteriormente.

PRTF = 117 mmHg

Primera oscilación

Sin realimentación Control P Control PI Control PID


Figura 11. Reconstrucción de la presión braquial a partir de la presión en el dedo. Cuando la señal de error aumenta, su forma de onda comienza a cambiar y el control PID no puede

disminuir el error, entonces es momento de realizar una recalibración. Ésta puede realizarse a lazo abierto o bien, modificar manualmente el valor de PPGref a lazo cerrado. El cambio de forma de onda se debe a que al descalibrarse, no se está trabajando en el punto de máxima compliance, y consecuentemente se observa una señal de PPG de menor amplitud.

3. Resultados y Discusión Al momento se realizaron pruebas en cuatro voluntarios. Se pidió que realizaran la maniobra de Valsalva y que levantaran y bajaran la mano con respecto al corazón mientras se realizaban las mediciones. Por otro lado, se compararon mediciones antes y luego de que realizaran ejercicio leve (subir y bajar una escalera). En la Figura 12 se muestran las mediciones en uno de los individuos durante la maniobra de Valsalva.

Figura 12. Mediciones mientras se realiza la maniobra de Valsalva. En todos los casos el monitor de PNI-C sigue los cambios de presión latido a latido de la forma

esperada. Todavía resta realizar pruebas en individuos con catéter invasivo para poder determinar la precisión del monitor de PNI-C de forma cuantitativa.

Respecto a la calibración a lazo abierto, se encuentra repetibilidad en las mediciones en cada individuo.

Maniobra de Valsalva


3.1. Mejoras Aún deben realizarse ciertas mejoras al prototipo de monitor de PNI-C. En primer lugar se deben

reemplazar las válvulas solenoides on/off del conversor V-P por válvulas proporcionales para aumentar la respuesta en frecuencia del sistema.

En segundo lugar el software debe ser automático, completamente independiente del usuario. Respecto a la calibración del control PID, se encontró que los valores de las constantes KP, KI y KD son similares entre los individuos, por lo que se pueden usar estos valores para todos en común y luego realizar una calibración fina automática, minimizando la señal de error. También se observó que se puede realizar una recalibración a lazo cerrado de forma manual a partir de los cambios en la forma de onda de la señal de error. Esto sienta las bases para desarrollar un algoritmo que realice una recalibración automática a lazo cerrado.

4. Conclusión Se realizaron mediciones preliminares en algunos individuos con el prototipo de monitor PNI-C

implementado. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios y alentadores para continuar con el proyecto y desarrollar una versión final que cumpla con los protocolos de validación clínica. Para esto es necesario aumentar la respuesta en frecuencia del conversor V-P (utilizando válvulas proporcionales) y desarrollar un algoritmo totalmente usuario independiente (calibración y sintonización automáticas). Luego de estas mejoras, se podrá determinar la precisión del monitor de PNI-C de forma cuantitativa a partir de pruebas en individuos con catéter invasivo [6].

Referencias [1] Fortin J, Marte W, 2006 Continuous non-invasive blood pressure monitoring using concentrically

interlocking control loops Comp in Bio and Med 36 941:957 [2] Sawanoi Y, 2008 A New Method for the Fast Determination of a Servo-Reference Value with

Vibration Technique for Monitoring Non-Invasive Instantaneous Blood Pressure Using the Volume-Compensation Technique, JSMBE 46 218:225

[3] Imholz BP, Wieling W, van Montfrans GA, Wesseling KH, 1998 Fifteen years experience with finger arterial pressure monitoring: assessment of the technology Cardiovascular Research 38 605–616

[4] Schutte et al, 2004 Validation of the Finometer device for measurement of blood pressure in black women Journal of Human Hypertension 18 79–84

[5] W. Bos et al, 1996 Reconstruction of Brachial Artery Pressure From Noninvasive Finger Pressure Measurements AHA Circulation 94 1870-1875.

[6] ANSI/AAMI/ISO 81060-2:2009, Non-invasive sphygmomanometers – Part 2: Clinical validation of automated measurement type


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