Electromedicina

Abstract

En la actualidad los avances científicos han sido
de gran índole y tienen a interrelacionar las distintas
áreas del conocimiento con la tecnología, entre
estas interacciones una de las que más desarrollo tiene es
la aplicación de la electrónica en el desarrollo de
los avances médicos, conocimientos que son aplicados en
los aparatos médicos para su desarrollo, mantenimiento, y
reparación, dicha ciencia se ha denominado
Electromedicina. Los profesionales de la electromedicina
están especializados en facilitar y solucionar cualquier
problema relacionado a la tecnología electrónica
aplicada a la medicina, que son sus equipos médicos. En
este ensayo hablaremos de algunos de uno de ellos como lo es el
"El Pulsioximetro" sus ventajas, aplicaciones, tipos y
diseños.

Introducción

En el presente documento trataremos temas de suma
importancia para la medicina moderna, indagaremos en avances
importantes producto de estudios realizados en electrónica
con miras en la medicina, nos enfocaremos en el pulsioximetro;
herramienta perfecta para los médicos residentes, internos
y afines, calcula la saturación de oxigeno lo cual permite
un manejo adecuado de patologías con incidencia en el
aparato respiratorio y descarta casos menos importantes,
también reporta la frecuencia cardiaca, ahorrando tiempo.
Su uso es muy sencillo e intuitivo. Puede ser utilizado en
cualquier lugar para controlar las funciones fisiológicas,
tales como hospitales, clínicas, centros médicos,
de emergencia, odontólogos, el hogar, etc. También
analizaremos sus componentes y funciones, sus diferentes tipos y
cómo actúan cada uno de ellos.

El
pulsioxímetro

El pulsioxímetro mide la saturación de
oxígeno en los tejidos, tiene un transductor con dos
piezas, un emisor de luz y un fotodetector, generalmente en forma
de pinza y que se suele colocar en el dedo, después se
espera recibir la información en la pantalla: la
saturación de oxígeno, frecuencia cardíaca y
curva de pulso. Permite controlar de manera continua y no
invasiva la saturación de oxígeno arterial del
paciente.

La medida de la saturación de la hemoglobina (Hb)
con el uso del pulsioxímetro se ha convertido en una
práctica común en muchas áreas de la
medicina clínica, incluyendo la anestesia, de la terapia
respiratoria, del cuidado intensivo y de la investigación
de pacientes con problemas cardiopulmonares.

Diagrama de bloques general del
pulsioxímetro.

Modelo matemático.

El modelo matemático para el pulsioxímetro
se basa en medir el tiempo en que la intensidad de la luz pasa a
través del tejido fino como por ejemplo a través de
la extremidad del dedo. El proceso de la señal se basa en
este modelo simple y la en ley de la Beer-Lambert:

Donde la intensidad I0 y es la longitud de onda de la
luz incidente, cHb () es la concentración y sHb() es el
coeficiente de absorción de la longitud de onda
dependiendo de cada derivado de Hb, z describe el espesor
variable de las. El tejido fino se considera capas donde son, una
capa constante de sangre venosa y arterial no pulsátil
(del hueso etc.) y una capa pulsátil constante en espesor
(sangre arterial solamente). Por tanto, la absorción del
tejido fino viene determinada por la ley de
Beer-Lambert.

Funcionamiento del
pulsioxímetro.

Se utilizan diodos electroluminosos (LED) en dos
longitudes de onda: 660 nm (rojo) y 940 nm (cerca de infrarrojo).
Estas longitudes de onda son las adecuadas, pues son valores en
los cuales la separación es la más alta entre la
hemoglobina y los espectros de absorción de la
oxihemoglobina. Mientras que la luz emitida pasa a través
del dedo o del lóbulo de la oreja, algo de la
energía es absorbida por la sangre arterial y venosa, el
tejido fino y las pulsaciones variables de la sangre arterial.
Usando circuitos electrónicos, se igualan las
señales en las longitudes de onda infrarroja y roja y se
calcula la relación de transformación de la luz de
roja-infrarroja, que se relaciona directamente con el SpO2
mediante el pulso oximétrico. Cada segundo, se realizan
aproximadamente 600 medidas individuales y mediante un algoritmo
implementado en el interior del microprocesador, se compara con
valores obtenidos anteriormente y después se usan
fórmulas específicas a cada fabricante. El valor
visualizado se obtiene realizando un promedio entre los 3-6
valores anteriores y actualizado cada (0,5 – 1,0) sg. El promedio
se utiliza pues tiende a reducir los efectos de los instrumentos
y de señales erróneas.

Precauciones.

Los pulsioxímetros no son fáciles de
calibrar y se calibran generalmente utilizando voluntarios
humanos normales y utilizando un catéter radial en la
arteria, obtenemos estimaciones de la saturación arterial
del oxígeno (SaO2) y SO2 mientras que los voluntarios
respiran las mezclas de gases que contienen combinaciones de
oxígeno y nitrógeno. Puesto que los voluntarios no
deben ser expuestos a un nivel de concentración de SaO2
por debajo 80%, la calibración por debajo de estos niveles
se realiza por extrapolación.

Como alternativa a esta calibración "en vivo",
una empresa estadounidense produce una especie de emuladores
físicos de un dedo. Este dispositivo simula la
absorción ligera y el flujo arterial de la sangre del dedo
humano.

La exactitud del sistema del oxímetro se puede
evaluar en (97 – 90)% y de SO2 80%. Aunque estos dispositivos se
han desarrollado específicamente para los
pulsioxímetros de una empresa en particular, pueden
utilizarse con otros fabricantes.

La exactitud.

La exactitud de los pulsioxímetros comerciales es
generalmente (2 – 3) % de fallo en el rango de (70 -100) % de la
SO2. Por debajo, la exactitud se obtiene por extrapolación
y, por tanto, la exactitud se resiente.

Además, la exactitud para distintos fabricantes
puede ser muy diferente a pesar de usar componentes similares.
Probablemente, las diferencias se deben a los algoritmos. En los
casos en los cuales la SO2 es normal, los pulsioxímetros
tienen una exactitud del ~±2% uniforme en los pacientes
críticamente enfermos o en los pacientes que están
sometidos a un diagnóstico respiratorio. En
concentraciones de SO2 menores de 80%, la exactitud deteriorarse
sensiblemente hasta llegar a ±10%.

Tipos de
pulsioxímetro

Existen diferentes formas y modelos de
pulsioxímetros. Pero en base a su utilización se
pueden diferenciar dos tipos:

• a) Estáticos: suelen estar fijos,
  bien formando parte de sistemas de monitorización
  complejos (Figura 1) o bien como grandes aparatos
  individuales (Figura 2). Ambos se utilizan preferentemente
  para mantener monitorizada la SaO2 en pacientes con
  insuficiencia respiratoria. Necesitan conexión a la
  red eléctrica.

• b) Móviles: son aparatos
  pequeños, muy manejables que se usan preferentemente
  para exploraciones puntuales en consultas y salas de
  hospitalización (Figura 3) o bien como
  monitorización temporal en pacientes durante traslados
  (Figura 4). Funcionan con pilas o baterías
  recargables.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Diseño del
Pulsioxímetro y esquemas de circuitos

Sensor

Los sistemas comerciales usan como emisores diodos
electro-luminiscentes (LED) en el rojo (630-660 nm) e infrarrojo
(800-940 nm) para así obtener un mayor contraste entre la
oxihemoglobina y la hemoglobina reducida (Figura No.
5).

El sensor (dedal o una pequeña pinza), que sin
molestia alguna se coloca en uno de los dedos de las manos o pies
o en el lóbulo de la oreja. Este aditamento tiene un
emisor y un captor de la luz infrarroja (Figura No. 6) la cual es
absorbida por la oxihemoglobina de los glóbulos
rojos.

Figura 5. Espectro de
absorción de las principales
variedades

De esta forma determina el porciento de
combinación del oxigeno (O2) con la hemoglobina (Hb) de la
sangre, es decir, la saturación de la Hemoglobina
(SaO2).

El circuito se inicia en la adquisición de la
señal a través del sensor óptico, el cual va
colocado en el dedo índice del paciente. El sensor
óptico (Figura No. 7) emite dos tipos de luz de longitud
de onda diferente: Una infrarroja (l = 960nm, invisible) y otra
roja (l = 660nm, visible), ambas atraviesan el tejido en el
pulpejo del dedo y son recibidas por un único
fotorreceptor.

Figura 6. Sensor emisor-captor de
la luz.

Figura 7. Circuito del sensor
utilizado.

Las medidas del LED rojo son de la hemoglobina
desoxigenada. Las medidas del LED infrarrojas son de la
hemoglobina oxigenada.

Procesamiento
analógico

Esta señal recibida se aplica a un amplificador
de instrumentación de alto CMRR, (Circuito integrado
INA128, Figura No. 8) específico para aplicaciones en
electromedicina, el cual nos amplifica la señal de niveles
extremadamente bajos a niveles de amplificación de
alrededor 2.5Vpp, sin mayor distorsión. Institute. Ese
mapa debería estar completado a finales de
2006.

Figura 8. Amplificador de
instrumentacion utilizado.

Circuito Sample and Hold

Este circuito emplea un FET como interruptor el cual
pasa la señal durante el periodo de muestreo (sample) y lo
desconecta en el periodo de sostenimiento (hold). Cualquier
señal presente en el momento en el que el FET está
apagado es sostenida en el capacitor C (Figura No. 9)

El valor de C debe ser lo suficientemente grande para
minimizar la caída de voltaje durante el periodo de
sostenimiento. Así mismo, debe considerarse que la
resistencia del FET cuando está encendido (de algunas
decenas de ohms típicamente) forma un filtro pasa bajos en
combinación con C y por lo tanto, C debe ser
suficientemente pequeño para poder seguir con suficiente
precisión el paso de señales de alta
velocidad.

Figura 9. Circuito Sample and
Hold

Circuitos de filtrado

Posteriormente está señal es sometida a
filtraje, para evitar el ingreso de ruidos e interferencias. El
primer filtro está constituido por un filtro activo
diseñado para eliminar las frecuencias menores de 30Hz y
el segundo filtro diseñado para eliminar frecuencias
mayores a 150Hz (Figura No. 14).

Una vez amplificada y filtrada la señal muestra
obtenida en todo el proceso es una correspondiente a la onda
diente de sierra. Esta señal es aplicada al
microcontrolador (PIC16F877) el cual mediante su conversor A/D
convertirá la señal analógica en digital y
se procesará internamente mediante un algoritmo de
programación para evaluar y enviar los resultados de la
saturación de oxígeno al Computador
Personal.

Figura 10. Filtrado activo de 30Hz
a 150Hz

FOTOS DEL MODULO DE
OXIMETRIA

En la Figura No. 19 se muestra la señal obtenida
con el circuito de oximetría:

Figura 11. Sensor de
dedo.

• 1. Ventajas y
  Desventajas

• Permite la monitorización continua y no
  invasiva

• Es fácil de usar y no requiere entrenamiento
  especial

• Es fiable en el rango de 80-100% de
  saturación, el más común en la
  práctica clínica

• Nos proporciona información de la frecuencia
  cardiaca

• Es una técnica barata y existen aparatos
  portátiles muy manejables

• No nos informa sobre el pH ni la PaCO2

• No detecta hiperoxemia

• No detecta la hipoventilación

• En pacientes con mala perfusión tisular puede
  dar datos erróneos

Conclusiones

Mediante el presente ensayo, se puede constar que las
aplicaciones tecnológicas con las cuales la
electrónica aporta al desarrollo y mejoramiento de las
distintas ciencias, entre ellas la Medicina, en este caso se
puede apreciar como mediante la transformación de una
señal ,más específicamente la
variación del color de la sangre dependiendo del grado de
saturación de oxígeno de la hemoglobina, se
transforma en una información, medible y monitorearle, que
permite evaluar los signos vitales y/o
el comportamiento del pulso y la oxigenación de
la sangre de un paciente, según las características
del equipo.

Referencias
Bibliográficas

[1] Artículo sobre electromedicina citado de
internet en la página:

http://es.paperblog.com/mas-de-900-profesionales-del-mundo-en-ingenieria-hospitalaria-se-reunen-en-un-congreso-organizado-por-el-hospital-regional-de-malaga-281038/

[2] Artículo sobre
Pulsioximetría citado de Internet en la
página: http://www.fisterra.com/material/tecnicas/pulsio
ximetria/pulsio.asp

[3]
http://web.udl.es/usuaris/w4137451/webresp/contenidos_docentes/exploracion/contenidos/texpl6/pulsioximetria6-2.htm

[4] Artículo sobre
Pulsioximetría, citado de Internet en la
página:

http://www.edutecne.utn.edu.ar/microcontrol_congr/c
omunicaciones/Sistema_oximetro_pulso.pdf

[5] Manual de Uso de un Pulsioximetro
citado de Internet en la página:

http://www.serviciosk26.com/e-
contenido/pdf/8500A-8500MA_ESPANOL.PDF

[6] Artículo sobre
Pulsioximetría, citado de Internet en la
página:

http://www.pulsioximetro.com/es/Catalogo/articulo/37822

[7] DESARROLLO DE UN TESTER PARA
PULSIOXÍMETROS citado de Internet en la
página:

http://www.sabi.org.ar/anales/cd_2003/Trabajos/122TPerona.PDF

[8] Artículo sobre
Pulsioximetría, citado de Internet en la
página:

http://webpersonal.uma.es/~ECASILARI/Research/Papers/Congresos/2005/Mundo_internetMJose.pdf

[9] Artículo sobre
Pulsioximetría, citado de Internet en la
página:

http://www.edutecne.utn.edu.ar/microcontrol_congr/c
omunicaciones/Sistema_oximetro_pulso.pdf

[10]
http://www.iberiamedic.es/es/

Autor:

Iván Alexander
Cueva

Universidad Politécnica
Salesiana

Cuenca, Ecuador