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OXÍMETRO DE PULSO + ELECTROCARDIÓGRAFO DE TRES
DERIVACIONES + MONITOR FETAL, CON ENVÍO DE LA INFORMACIÓN A TRAVÉS
DE MODEM PARA ZONAS DE BAJOS RECURSOS
Juan Carlos Vásquez Barrios
Richard Frank Chapoñan Valerio
OXÍMETRO DE PULSO + ELECTROCARDIÓGRAFO
DE TRES DERIVACIONES + MONITOR FETAL,
CON ENVÍO DE LA INFORMACIÓN A TRAVÉS
DE MODEM PARA ZONAS DE BAJOS RECURSOS
Primera edición digital
Julio, 2011
Lima - Perú
© Juan Carlos Vásquez Barrios &
Richard Frank Chapoñan Valerio
PROYECTO LIBRO DIGITAL
PLD 0131
Editor: Víctor López Guzmán
http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú
PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.
Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.
Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.
Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• El pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos
de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.
En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.
Lima - Perú, enero del 2011
“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor
Memorias - XVII CONIMERA
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Introducción
En el cuerpo humano se generan una ampliavariedad de señales eléctricas, provocadas por laactividad química que tiene lugar en los nervios ymúsculos que lo conforman.
La utilización de estos diminutos potencialesgenerados para crear equipos médicos demonitoreo cada vez más confiables y sofisticadosha sido el reto de los ingenieros biomédicosdedicados al diseño y construcción de equiposmédicos, prótesis, dispositivos de diagnóstico yde terapia.
Planteamiento del problema
En vista de los altos costos que demanda elcontar con un equipo de diagnóstico y evaluaciónmédica de tipo no invasivo para las zonas alejadasde nuestro medio.
Propuesta de solución
Proponemos el diseño de un equipo queintegra los 3 módulos electromédicos más usados
en la terapia, monitoreo y diagnóstico tempranode enfermedades. Los precios de estos equipospor separado alcanzan altas sumas de dinero,nuestro proyecto por el contrario brindaría esteservicio básico por un precio módico, lo queayudaría mejorar la calidad de vida de las personasde muy bajos recursos, enviando a través de unmódulo los datos obtenidos a distancia para lainterpretación de un especialista.
Diagrama de bloques
Oxímetro de pulso + electrocardiógrafo de tres derivaciones +monitor fetal, con envío de la información a través de MODEM
para zonas de bajos recursosJuan Carlos Vásquez Barrios, Richard Frank Chapoñan Valerio
[email protected] [email protected] de Ingeniería Mecánica, Eléctrica, Electrónica y Sistemas / Universidad Nacional
«San Luis Gonzaga» de Ica.
Resumen: En vista de los altos costos que demanda el contar con un buen equipode diagnóstico y evaluación médica de tipo no invasivo para las zonas alejadas denuestro medio, proponemos el diseño y la implementación de un módulo que integralos 3 equipos médicos básicos utilizados para el diagnóstico y evaluación deenfermedades. A su vez este módulo permitirá el envío de los datos obtenidos adistancia para su interpretación por un especialista.Para el oxímetro de pulso recogemos la señal con sensores ópticos mientras quepara el electrocardiógrafo de 3 derivaciones se realiza con 3 electrodos; en amboscasos el proceso de la señal es a través de amplificadores de instrumentación,filtros y microcontroladores. La señal obtenida en el oxímetro de pulso es visualizadadirectamente en una pantalla LCD, dotado con señalizaciones audibles y ópticascuando los signos vitales se encuentren fuera del rango normal; y en el caso delelectrocardiógrafo las señales obtenidas son terminadas de procesar y visualizadasmediante una PC con requerimientos mínimos de hardware.El monitor fetal recibe la señal a través de un sensor óptico y es procesada mediantedispositivos lógicos MSI y finalmente tratada y visualizada mediante software enuna PC.Todas las señales obtenidas podrán ser enviadas a distancia mediante un MODEMusando la línea telefónica fija o inalámbrica.
MODULO I MODULO II MODULO III
Figura 1.
Colegio de Ingenieros del Perú - CDL - Capítulo de Ingeniería Mecánica y Mecánica Eléctrica
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Módulo I: ELECTROCARDIÓGRAFO
Electrocardiograma:
El electrocardiograma es el gráfico que seobtiene con el electrocardiógrafo para medir laactividad eléctrica del corazón en forma de cintagráfica continua. Es el instrumento principal de laelectrofisiología cardiaca y tiene una funciónrelevante en el cribado y la diagnosis de lasenfermedades cardiovasculares.
Diseño de electrocardiógrafo
Los requerimientos de diseño son lossiguientes:
• La señal de ECG tiene componentesrelevantes solo entre 0.05 hz y 150 hz
• Los valores de la señal en la piel oscilanen pocos milivoltios (entre unos 0.5 y10mV como máximo).
• Ganancia de aproximadamente 1000.• Con estos datos se deberá saber que
ancho de banda debe tener el circuito, yla ganancia que este deberá presentar.
Otras consideraciones importantes:
• CMRR lo más alto posible.• Resistencia de entrada de aproxima-
damente 2MΩ o superior para obtener unacople de impedancias y no atenuar laseñal.
El circuito desarrollado es un diseño paratrabajar con 3 derivaciones estándar según elmodelo de Einthoven. Por lo tanto las señales aprocesar serán 2. Esta derivación es la más básicaexistente y permite la visualización de la ondacardiaca clásica.
Diagrama de bloques
el IC INA128, de alto CMRR (120dB) y cuya funciónfundamental es amplificar las diferencias de voltajeregistradas con un alto rechazo al ruido.
Para obtener la ganancia del INA128realizamos los siguientes cálculos:
GR
KG
Ω+= 501 (1)
donde :
Ω+Ω= KKRG 6,56,5 (2)
La ganancia del amplificador de instrumen-tación con el valor de las resistencias que seencuentran entre el Pin 1 y 8 ( GR ).
46,52,1
5011 =
ΩΩ+=
K
KG (3)
Para obtener la ganancia de la señal finaldel amplificador operacional dual TL082 realizamoslos siguientes cálculos:
2005
12 =
ΩΩ==
K
M
Ri
RG f
(4)
Para así obtener una ganancia total:
109220046,521 =×=×= GGGT (5)
Esta ganancia de 1092 permite amplificarvalores generados por el cuerpo humanocomprendido entre 0,15 y 2mVpp.
El voltaje de entrada al INA128 es:
−+ −= INININ VVV (6)
Donde:
+INV corresponde al voltaje de la mano derecha.
−INV corresponde al voltaje de la mano izquierda.
La tensión de referencia para ambos secalcula:
2−+ +
= ININREF
VVV (7)
Y se genera a partir de la división de tensiónformado por las resistencias de ΩK6.5 .
1.2 Filtro Pasa-altos y Pasa-bajos
La señal amplificada es sometida a uncircuito de filtrado, ya que al solo amplificar unos
1.1 Amplificador de Instrumentación
Las señales procedentes de las muñecasizquierda y derecha del paciente son aplicadas aun amplificador de instrumentación, formado por
Figura 2.
Memorias - XVII CONIMERA
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pocos milivoltios y al ser captada mediante uncable de 1.5m en promedio, es propensa a quecapte ruidos de alta y baja frecuencia indeseados.Para eliminar estos ruidos utilizamos un filtro activopasa-altos formado por R7, R8, C6, C7 y U1:B. Ala salida de este OPAM tenemos un filtro pasivoconformado por R9, R10, C8 y C9 que eliminanlas frecuencias bajas. La señal obtenida está solocomprendida entre 20Hz y 150Hz.
El diseño del fi ltro pasa altos estaconformado por el amplificador de instrumentacióndual TL082, la resistencia de ΩM2,3 y el con-densador de uf1 , para cortar la frecuencia a:
RCfCORTE π2
1= (8)
Remplazamos los valores correspondientesy obtenemos:
HzufM
fCORTE 05,0112
1 =×Ω
=π
(9)
El diseño del fi ltro pasa bajos estaconformado por el amplificador de instrumentacióndual TL082, la resistencia de Ω100 y elcondensador de uf1,0 , para cortar la frecuenciaen la salida util izamos la ecuación 8 yremplazamos los valores de diseño:
KHzuf
fCORTE 92,151,01002
1 =×Ω
=π
(10)
1.3 Amplificador No inversor
Una vez filtrada la señal, finalmente esamplificada para niveles que puedan ser tratados.De aquí la señal seguirá 2 caminos: hacia unindicador de pulso y una salida para visualizar laseñal.
1.4 Indicador de Pulso
La señal obtenida contiene picos altos loscuales se recortan mediante el diodo 1N4148 yse convierten en continua, son aplicados a la basedel transistor el cual se cierra conduciendo yenciende el Led cada vez que llega un pulso alto.
1.5 Salida de señal
La salida es doble y se cuenta con una salidaalta formada por el CI amplificador de audio LM386
y una salida baja que está conectada directamentea la salida del último OPAM.
Estas salidas podrán tratarse para sermostradas gráficamente en un monitor ya sea lade un PC con un software especializado o en unosciloscopio.
1.6 Buzzer de pulso
El esquema se modificó para que tambiéndiera una señal audible del pulso cardiaco. Paraello se utilizó un timer 555 como generador detonos, el cual es activado por el indicador de pulsovisual de la etapa 4.
Módulo II: OXIMETRO DE PULSO
La oximetría del pulso o pulsioximetría es lamedición, no invasiva, del oxígeno transportadopor la hemoglobina en el interior de los vasossanguíneos.
La oximetría valora la saturación de oxígeno,expresando la cantidad de oxígeno que se combinaen sentido químico, con la hemoglobina para formaroxihemoglobina, que es la molécula encargadade transportar el oxígeno hacia los tejidos.
Para la medición se precisa de un aparatode pulsioximetría, con un sensor en forma depinza. En la pinza tiene un productor de luz quese refleja en la piel del pulpejo del dedo, este midela cantidad de luz absorbida por la oxihemoglobinacirculante en el paciente.
Figura 3
El procedimiento a seguir es: masajear elpulpejo del dedo del paciente, luego se coloca lapinza con el sensor y se espera a recibir lainformación en una pantalla del aparato en la queaparecerá la siguiente información:
- Índice de saturación de oxígeno.- Frecuencia cardiaca.
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Diagrama de bloques
Figura 4
Circuito
El circuito se inicia en la adquisici ón de laseñal a través del sensor óptico, el cual va colocadoen el dedo índice del paciente.
El sensor óptico (Marca Nellcor) emite dostipos de luz de longitud de onda diferente: Una infrarroja(λ = 960nm, invisible) y otra roja ( λ = 660nm,visible), ambas atraviesan el tejido en el pulpejodel dedo y son recibidas por un único fotorreceptor.
Posteriormente est á se ñal es sometida afiltraje, para evitar el ingreso de ruidos einterferencias. El primer filtro está constituido porun filtro activo dise ñado para eliminar lasfrecuencias menores de 30Hz y el segundo filtrodiseñado para eliminar frecuencias mayores a150Hz.
Una vez amplificada y filtrada la se ñalmuestra obtenida en todo el proceso es unacorrespondiente a la onda diente de sierra. Estaseñal es aplicada al microcontrolador (PIC16F877)el cual mediante su conversor A/D convertirá laseñal anal ógica en digital y se procesar áinternamente mediante un algoritmo deprogramación para evaluar y mostrar losresultados de la saturaci ón de ox ígeno en unapantalla LCD de 16 caracteres y 2 l íneas. As ímismo el algoritmo tendr á la función de activaralarmas sonoras y visuales cuando los valoresobtenidos se encuentren fuera del rango normal.
Diagrama de flujo del programa delmicrocontrolador:
SENSOR
AMPLIFICADOR DE
INSTRUMENTACION Y
FILTROS PASA BAJOS Y PASA
ALTOS
MICROCONTROLADOR
VISUALIZADOR EN
PANTALLA
ViSUALIZADOR EN
PC
Figura 5. Circuito del sensor óptico
Esta señal recibida se aplica a un amplifi-cador de instrumentación de alto CMRR, (Circuitointegrado INA128) específico para aplicaciones enelectromedicina, el cual nos amplifica la señal deniveles extremadamente bajos a niveles de amplifi-cación de alrededor 2.5Vpp, sin mayor distorsión.
Figura 6. Circuito amplificador de instrumentación,basado en el INA128
F. C. Alta F. C. baja
/ SPO
Inicio
Adquisición de
Datos Estables
Esperar
Resultados
Proceso de datos
Alarma visual/sono
ra A
Alarma visual/sono
ra B
Visualización en pantalla LCD
Datos
Figura 7.
Módulo III: MONIT OR FETAL
Generalidades:
A la mujer embarazada se le pueden ofrecervarias pruebas prenatales durante su embarazo.Algunas pruebas se realizan de manera rutinariaa todas las mujeres embarazadas, tales como laprueba de sangre para determinar el tipo de sangre
Memorias - XVII CONIMERA
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y los niveles de hierro. Algunas pruebas se realizanpara detectar en la paciente o el bebé una condiciónque están en riesgo de desarrollar.
Una de los equipos mas usados para estaspruebas es el monitor fetal electrónico, el cual esun dispositivo no invasivo mediante el cual, sepuede oír y/o observar una gráfica del ritmocardiaco de su bebé para detectar cambios delritmo con el movimiento (aceleración odesaceleración).
Siguiendo los mismos principios de oximetríatratados anteriormente en el modulo de Oxímetrode Pulso, describiremos el circuito del monitorfetal.
Diagrama de Bloques
detectado que proporciona a su salida una señaltipo diente de sierra que será luego filtrada yposteriormente será rectificada para ser llevada aniveles audibles y ser escuchadas por medio deun parlante. También podemos visualizar la señalmediante un led, el cual encenderá al compás delos latidos cardiacos.
Módulo IV: MODEM
Todos los datos obtenidos en los 3 módulosserán enviados a una PC a través del puerto serialbasando la interfaz de comunicación en el ICMAX232. Los datos que lleguen al PC sonrecogidos mediante un software «monitor» , elmismo que se ha desarrollado en entorno visualc++; y tiene la función de mostrar, analizar,imprimir los datos obtenidos y enviarlos a unaestación de monitoreo vía Internet.
Diagrama de Bloques
Transductor (E/R IR)
Amplificador Filtro
Amplificador de audio
Salida Audible
Salida visual (Led)
Figura 8.
Circuito
Las señales con obtenidas mediante eltransductor, conformado por un emisor y receptorde luz infrarroja, el cual actúa como un micrófonosonda.
Figura 9
Esta sonda registrará el flujo sanguíneo enel vientre de una mujer embarazada, dado que estetiene relación directa con los latidos del corazóndel bebe. Esta señal obtenida se amplificará pormedio de un amplificador de instrumentaciónCA3130 el mismo que con sus componentesasociados funciona como amplificador de la señaleléctrica producida por el flujo sanguíneo
MAX232 TOOTHPICK DEVICE
Figura 10
El módulo IV, lo conforma el hardwareToothpic Device, desarrollado por la firmaPARALLAX INC., el cual usando tecnologíabluetooth envía los datos obtenidos hacia unTerminal inalámbrico, como teléfono móvil, pc’sportátiles u otros dispositivos.
El módem cuenta con un Sistema deAlimentación Ininterrumpida diseñado para que pormedio de una batería pueda seguir alimentandocuando haya una falla en el fluido eléctrico ytambién para controlar las subidas y bajadas detensión existentes en la red eléctrica.
Conclusiones
• Presentando este trabajo de investigación,demostramos que es posible desarrollartecnología en el Perú, contribuyendo aldesarrollo y la calidad de vida de la población.
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• El equipo es desarrollado con bajo costo encomparación a los existentes en el mercado,como podemos mostrar en el Anexo Nº 1.
• La integración de los 3 dispositivos médicosen un solo equipo, lo hace portátil, de fáciluso y adaptable a muchos requerimientos.
• Al enviar los datos para que permita lainterpretación de un especialista hace posibleque los pobladores de zonas rurales, quecada ves más van en aumento, tengan unasolución para sus problemas de salud.
Recomendaciones
• Se sugiere desarrollar líneas de investigaciónpara equipos de bioelectrónica, hacerlostambién portátiles, que transmitan suinformación para la opinión de un especialistay adaptarlos para primeros auxilios.
Referencias bibliográficas
1. AGAMENON, Despopoulus. Fisiología, 4 ed,Mosby-Doymalibros, Barcelona, 1994
2. Arthur C. Guyton y John E. Hall. Tratado deFisiología Médica -, Décima Edición, 2005
3. Boylestad Nashelsky Teoria de Circuitos.Editorial Prentice hall. 6ª edición. 2004
4. Donald Neamen. Análisis y diseño de circuitoselectrónicos. Editorial: Mcgraw-Hill 2da Edicion.2000
5. Farreras Rozman. Medicina Interna Tomo I.Editorial Elservier 2004.
6. Garrido Chamorro, R.P.; González Lorenzo, M.;García Vercher, M.; y Expósito Coll, I. (2005)Patrones de desaturación ergoespirométricosen función de la edad. Revista Internacional deMedicina y Ciencias de la Actividad Física y elDeporte.
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ANEXO Nº1
COSTOS DE ADQUISICIÓN DE EQUIPOS MÉDICOS EN DOS HOSPITALES DE LA REGIÓN JUNÍN
HOSPITAL DANIEL ALCIDES CARRIONEMERGENCIA
EQUIPO MEDICO COSTO UNITARIO BOMBA DE INFUSIÓN UN CANAL 6 573 DESFIBRILADOR CON MONITOR 27 530
ECÓGRAFO PORTÁTIL 33 000
ELECTROCARDIÓGRAFO 7 132
INCUBADORA DE TRANSPORTE ESTÁNDAR 35 000
MONITOR DE FUNCIONES VITALES DE 05 PARÁMETROS 35 000
VENTILADOR DE TRANSPORTE 40 669
OXÍMETRO DE PULSO PEDIÁTRICO-NEONATAL 1 1 139
TOTAL 196 043
SI SUMAMOS EL ELECTROCARDIÓGRAFO Y EL OXÍMETRO DE PULSO OBSERVAMOS UN COSTODE 10 VECES MAS QUE EL PROTOTIPO ELABORARLO POR NUESTRO PROYECTO, TOMANDO ENCUENTA QUE ESTE CUENTA CON UN MONITOR FETAL ADICIONAL.
HOSPITAL DOMINGO OLAVEGOYA – JAUJAEMERGENCIA II 1
EQUIPO MEDICO COSTO UNITARIO CAMA CAMILLA - TIPO MULTIPROPÓSITO MECÁNICA 4 000
CAMILLA DE TRANSPORTE 1 508
COCHE DE PARO 3 000
DESFIBRILADOR CON MONITOR 27 530
GLUCÓMETRO PORTÁTIL 31 2
HEMOGLOBINÓMETRO PORTÁTIL 1 500
LÁMPARA DE EXÁMEN CLÍNICO DE LUZ HALÓGENA 1 800
LARINGOSCOPIO PEDIÁTRICO-NEONATAL 1 800
MONITOR DE FUNCIONES VITALES DE 05 PARÁMETROS 35,000
LARINGOSCOPIO ADULTO-PEDIÁTRICO 2 107
OXÍMETRO DE PULSO BÁSICO 5 000
Total 83 557
EN ESTE CUADRO TENEMOS UN OX ÍMETRO DE PULSO B ÁSICO, CUYA INVERSI ÓN ESAPROXIMADAMENTE TRES VECES MÁS QUE ELABORAR NUESTRO PROTOTIPO.
FUENTE: www.diresajunin.gob.pe/direccion/hospitales.pdf
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ANEXO Nº2
PERSONAL POR GRUPOS OCUPACIONALES DEL DEPARTAMENTO DE ICA / AÑO 2004
RECUERSOS HUMANOS
PERSONAL PROFESIONALES Total %
MEDICOS 343
ENFERMEROS 330
ODONTOLOLOGOS 104
OBSTETRICES 130
PSICOLOGOS. 6
NUTRICIONISTAS. 6
QUIMICOS FARMACEUTICOS 65
OTROS PROFESIONALES 69
TOT PROF SALUD 1053 41.94
TOT TEC Y AUX ASIST 778 30.98
OTROS 680 27.08
TOTAL GENERAL DEPARTAMENTO 2511 100.00
FUENTE: Informes estadísticos de recursosMINISTERIO DE SALUD - OFICINA GENERAL DE ESTADISTICA E INFORMATICA
CONFORME EL PUEBLO CRECE TIENE MAS NECESIDADES DE SALUD Y SON NECESARIOS MASPROFESIONALES PARA QUE ACUDAN ANTES SUS NECESIDADES.
NOMBRE DE LA VARIABLE: POBLACIÓN CON ALTA CARGA O DEPENDENCIA ECONÓMICA.
TEMA: NECESIDADES BÁSICAS INSATISFECHAS/POBLACIÓN PORNÚMERO DE NBI
DEFINICIÓN: SON LOS MIEMBROS DE UN HOGAR CON UNA PROBABILIDAD DEINSUFICIENCIA DE INGRESOS PARA CUBRIR LAS NECESIDADES,EN LA MEDIDA EN QUE SE VALE DE DOS DETERMINANTES: ELNIVEL EDUCATIVO DEL JEFE DEL HOGAR Y LA CARGAECONÓMICA, DETERMINADA POR EL TAMAÑO FAMILIAR.
COBERTURA: NACIONAL
PERIODICIDAD: ANUAL
SERIE: 1993
UNIDAD DE MEDIDA: UNIDAD
FUENTE: INEI.- DIRECCIÓN NACIONAL DE CENSOS Y ENCUESTAS
