Instrumentación virtual de un pulsioxímetro - E
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1. bulo de la oreja Tol A funci n de transmitancia espectral relativa al in cremento del flujo sangu neo en presencia del sensor De acuerdo a 1 el factor de modulaci n radio en el flujo sangu neo se define por 2 donde designamos f como la funci n del SPO ee cad aa AJs A T A dA Te dia Fear il Fe aa y de acuerdo a la ley de a para el medio ho mog neo ptico la siguiente ecuaci n puede ser descrita co mo To A HA 3 Sustituyendo 3 en 2 se obtiene a a z0 T AJdA Sera ne ASI GA E OTI di n S Pir AJAT A Je NAAA Expandiendo por series de Taylor y tomando solamente los miembros m s significativos se obtiene e7K0YAd 1 k A Ad 5 Sustituyendo 5 en 4 tomando en cuenta que In x ln 1 x donde x se basa en la integral de 4 obte niendo as 6 Age ln r a r AJs A T A d nO Ser a ION e a 1 a ral tr A a A J PirlA ITAYA A Expandiendo por la serie de La teniendo el primer miembro derivamos In 1 y y Y donde y est basado en la integral 6 Sustituyendo 7 en 6 obtenemos 8 ey S rA ANTAJA F 8 S Pir AJS ANKA A dA S PASANTA La f rmula 8 es la expresi n general y m s comple ta para la definici n de la raz n del factor de modulaci n Se muestra que el factor de modulaci n no s lo depende de las caracter sticas del espectro de la fuente H A y las carac ter sticas2. pticas de la sangre k A que fueron consideradas hasta ahora tambi n en las caracter sticas espectrales del fo to detector en el sensor del ox metro s A y la transmitan cia relativa espectrales en funci n del objeto a medir 7 A Un incremento en la no uniformidad de estas caracter sticas espectrales llevan a un incremento de su influencia sobre el valor f Cuando las caracter sticas espectrales del foto detector puede ser radicalmente correctas no selectivas y los teji dos humanos gl bulos en oreja dedos en ni os son usados en estas mediciones 8 puede ser simplificado aproximada mente a 9 O ERA o Fe Aa Si el ancho de radiaci n espectral de las fuentes usadas son insignificantes 9 se simplifica a la forma usada que se expresa en 10 FO kra kira 10 F rmulas 8 10 muestran que para la definici n de de pendencia SpO f es necesario tener la informaci n en el ajuste de valor de funci n espectral de la saturaci n de oxi geno Los valores de SpO y la raz n del rojo e infrarrojo final mente se rigen bajo la siguiente relaci n lineal SpO2 110 25 R IR 11 FIGURA 1 Esquema de operaci n en modo de transmisi n Rev Mex F s 52 5 2006 474 478 476 M dulo Tag eta WI USB 6009 Lazo de tiempo Predefinido Adquisici n de Datos Funci n EN Filtro Funci n Se al Ruido ici Pasa Bajas Multiplicadora Previamente graba
3. adicional al proporcionado por cualquier computadora personal Health Devices 18 1989 202 L S Lovinsky Proc SPIE 4018 1999 41 Lovinsky IEEE Trans Instrum Meas 51 2002 1097 M R Krames et al Appl Phys Lett 75 1999 2365 Ae VNB 5 QA 510Metr on SpO2 Analyzer Available www metronbiomed com 6 Lovinsky IEEE Trans Instrum Meas 55 2006 869 Online 7 Manual de instalaci n de Labview 7 1 National Instruments Rev Mex F s 52 5 2006 474 478
4. INSTRUMENTACI N REVISTA MEXICANA DE F SICA 52 5 474 478 OCTUBRE 2006 Instrumentaci n virtual de un pulsiox metro I Campos Cant n L A Mart nez Garza V Vinaja Nu o y P C Rodr guez L pez Facultad de Ciencias Universidad Aut noma de San LuisPotos lvaro Obreg n 64 758000 San Luis Potos SLP M xico e mail icamposO fciencias uaslp mx Recibido el 31 de julio de 2006 aceptado el 12 de septiembre de 2006 Utilizando instrumentaci n virtual se desarrolla un pulsiox metro que se utiliza para monitorear el porcentaje de saturaci n de ox geno en la sangre SpO2 de forma no invasiva el m todo consiste en medir la oxigenaci n de la sangre iluminada por una luz infrarroja y roja posteriormente sensar la absorci n de las dos longitudes de onda debida al paso por la hemoglobina La instrumentaci n propuesta se realiza utilizando el software LabView de la compa a National Instruments y el sensor 306 003549 de la compa a CSI Este sistema de desarrollo tiene la ventaja de ejecutarse en cualquier computadora a bajo costo Descriptores Instrumentaci n virtual pulso oximetr a infrarrojo A pulse Oximeter is developed using virtual instrumentation This instrument is useful to analyze the oxygen saturation percentage in blood SpO2 without invasion This approach measure blood s oxygenation based on illuminate with red and infrared light and sense the absorption of the two wavelength due to pass to hemoglobin The in
5. L A MART NEZ GARZA V VINAJA NU O Y P C RODR GUEZ L PEZ Lazo de tiempo predefinido Tiempo definido de 15 se gundos los cuales sirven para obtener el voltaje correspon diente tanto del led rojo e infrarrojo Adquisici n de datos M dulo de interfaz entre el voltaje de entrada proveniente de la tarjeta NI USB6009 y el progra ma Lab View Se al de ruido previamente grabada Se al que fue gra bada con el sensor conectado sin ning n sujeto a medir to mando simplemente el ruido y luz ambiental Funci n restadora M dulo que sirve para limpiar la se al de entrada entre la adquisici n de datos y la se al de ruido previamente grabada dejando una se al m s pura y f cil de medir Funci n filtro pasa bajas En un filtro de segundo orden tipo Butterworth Funci n multiplicadora Funci n que sirve de amplifica ci n de la se al ya filtrada haciendo una amplificaci n de 10 veces para este caso Funci n extracci n de se al M dulo de gran ayuda ya que en esta funci n nos permite solo obtener un pedazo de la se al la cual ayudar a la facilitaci n del c lculo Funci n de medici n de amplitud y niveles M dulo ayuda a desglosar la se al dando a conocer sus niveles altos bajos RMS y medios este ltimo ser el que se tomar en cuenta para el proyecto Funci n formula sumadora Permite que se vayan acu mulando los valores obtenidos posteriormente esta funci n formula difiere de una simplemente fun
6. N PULSIOX METRO 477 Bot n de activacion de la tarjeta NI USB 6009 Ele Edt Operate Fod Browse Wi Grafica que 310 NS muestra el monitoreo en Se al en vivo Voltage B Mama a Fitrada VIVO 11 07 2006 gt m i h 11 07 2006 19 13 43 i i y Ji y PA n l W AU ATA Grafica que muestra la funci n filtrada Tabla de valores adquiridos despu s de ser filtrados Porcentaje 9058571 F N Grafica que muestra la funci n restada resultante Valor Resultante de SpO Stop general de la prueba A il uh i WI PR iih Amplitude Amplitude de ii ji il Ni AY AN N i i Ni MiA FIGURA 5 Se al t pica a rojo b infrarrojo 3 2 Componentes del circuito en LabView compa a National Instruments bajo el software LabView 7 y todas las operaciones se efect an en tiempo real La estructura del circuito se realiza como se muestra en el M dulo Tarjeta NI USB6009 Tarjeta para adquisici n diagrama a bloques llev ndose a cabo la misma estructura de datos de la marca National Instruments conectada a la PC para el LED rojo y para el infrarrojo la implementaci n del por medio de un cable y puerto USB el cual tiene como vol diagrama a bloques se realiza en la plataforma de trabajo de la taje de entrada la salida del sensor Rev Mex F s 52 5 2006 474 478 478 I CAMPOS CANT N
7. ci n sumadora ya que en este m dulo se suman magnitudes provenientes de una se al oscilatoria Funci n de memoria M dulo de memoria temporal en la cual se graban los valores obtenidos correspondientemente a los LED rojo e infrarrojo respectivamente Funci n divisora Despu s de haber sido grabados los va lores mediante una memoria temporal se realiza la divisi n de los valores de acuerdo a la f rmula para el SpO Display de porcentaje de SatO2 Dentro de este mismo display se realiza la multiplicaci n para obtener el porcentaje de la operaci n divisora mostrando as el valor en porcentaje de los niveles medidos El circuito para activar los LED s se debe realizar de tal forma que cuando se suministre alrededor 20 mA de corrien te permita que la longitud de onda sea adquirida por el tran sistor despu s de su paso por el dedo La operaci n b sica del fototransistor es cuando la luz es absorbida creando un voltaje que es adquirido a trav s de la tarjeta NI USB 6009 para su procesamiento en la PC esta se al esta en el rango de 1 volt del pulso creado debido al movimiento de sangre por el dedo El emisor se coloca en la parte de u a colocando por consiguiente el detector en la parte de la piel del dedo En el dedal tanto los LED s como el detector y debido a su construcci n y dise o permite que exista el ngulo exacto para obtener una medici n correcta Adem s de que se suje
8. da Funci n Medici n de Amplitud y Niveles Funci n de Mernona Display en Emin Porcentaje Divi de 5atOz ivisora FIGURA 2 Diagrama a bloques del funcionamiento del pulsiox metro 3 Arreglo experimental 3 1 Principio de trabajo La fuente de luz es t picamente un LED donde se puede ob servar el brillo de la luz roja e infrarroja Por otro lado la hemoglobina des oxigenada permite pasar m s luz infrarroja a trav s de ella y absorbe luz roja mientras que la hemoglo bina altamente oxigenada permite pasar m s luz roja a trav s de ella y absorbe m s luz infrarroja As el ox metro sensa y calcula cierta cantidad de luz en esas longitudes de onda siendo estas proporcionales a la saturaci n de ox geno o de saturaci n de la hemoglobina La fuente de luz de prueba consta de dos diodos LED en las siguientes longitudes de on da 650 nm y 805 nm As la luz es parcialmente absorbida por la hemoglobina en cantidades que difieren dependiendo de que tan saturado o no saturada se encuentra con el ox ge no Calculando la absorci n a esas dos longitudes de onda el sistema puede computar la proporci n de hemoglobina la cual est oxigenada El ox metro depende de un flujo puls til y puede ser capaz de no funcionar correctamente si existe por FIGURA 3 Adquisici n de datos PC dedal e instrumentaci n ejemplo vasoconstricci n Rev Mex F s 52 5 2006 474 478 INSTRUMENTACI N VIRTUAL DE U
9. lo luz ambiental ruido niveles anorma les de hemoglobina funci n del ritmo y promedio de pulso cardiaco 3 Hay dos geometr as transmisor sensor que se pueden uti lizar En la primera el modo de transmisi n es el siguiente la fuente de luz y el sensor se encuentran en lados opuestos del tejido que est siendo medido la luz atraviesa el tejido En el segundo modo que es el reflectivo el sensor y la fuente de luz se encuentran en la misma superficie del cuerpo puede ser el pecho y la luz se refleja desde el tejido El utilizado en este trabajo es un sensor de dedo dedal que opera en el modo de transmisi n El montaje experimental del pulsiox metro propuesto tie ne la ventaja que al ser dise ado virtualmente se evitan fallas por mantenimiento f sico de los componentes tales como limpieza recalibraci n y cambio de circuitos integrados en tre otros El sistema de desarrollo del pulsiox metro se imple menta con base en programaci n gr fica lo cual genera avan ces significativos para la captura y procesado de la informa ci n almacenada en la computadora ya que con esto se evita la programaci n elaborada de formatos y funciones escritas complicadas Adem s permite su comparaci n con otras ba ses de datos almacenadas de los pacientes cl nicos tratados previamente no siendo estos posible que con el equivalente de los costos empleados para la generaci n de este sistema de desarrollo se pueda adquirir equipo come
10. rcial que propor cione los mismos servicios Debido a que en el software LabView se desarrolla el programa de medici n esto nos permite crear el programa de forma ejecutable evitando as la compra e instalaci n del software completo y con la facilidad de la instalaci n en red eliminamos la necesidad de tener un aparato por cada pacien te Aunque cabe recalcar que en las m quinas donde opere el sistema se requiere el puerto USB elemento ya com n en todas las PC Con esta instrumentaci n superamos el problema de al macenamiento de datos tanto del mismo paciente como el de otros y la comparaci n de resultados previos en su estado de recuperaci n y llevar a buenos t rminos su estado de salud 2 Teor a La raz n entre las se ales el ctricas del rojo y el infrarrojo se usa para obtener el SpO 6 a trav s de la siguiente formu la 1 SpO2 F 9R R 3I R IR 0 INSTRUMENTACI N VIRTUAL DE UN PULSIOX METRO 475 Se designar lo siguiente Or A radiaci n de espectro relativa a la densidad de flu jo en el rango rojo del pulsiox metro Qir A radiaci n de espectro relativa a la densidad de flu jo en el rango infrarojo del pulsiox metro s A sensibilidad de espectro relativo al detector del pul siox metro k A funci n de espectro en la absorbancia sangu nea Ad incremento en anchura del flujo sangu neo T A funci n de transmitancia espectral relativa del ob jeto a medir p ej dedos l
11. strumentation is based in the LabView s software of National Instruments Corporation and the 306 003549 sensor of CSI Company This system of development has the advance of work in any pc with low cost Keywords Virtual instrumentation pulse oximeter infrared PACS 42 62 Be 42 25 Fx 42 72 A1 1 Introducci n Los pulsiox metros dan al m dico un indicador no invasivo del estatus cardiorrespiratorio del paciente Su uso es de for ma cotidiana en cuidados intensivos salas de recuperaci n y durante la aplicaci n de anestesias sin embargo otras re as de la medicina las emplean tambi n tales como guardias generales salas operatorias de emergencia de nacimiento y cuidado neonatal y transporte de pacientes 1 El principio del funcionamiento del pulsiox metro se basa en que la luz emitida de dos diodos LED a diferentes longitu des de onda t picamente 650 nm rojo y 805 nm infrarrojo pasa a trav s del tejido y es sensado por un fotodiodo que res ponde en el mismo ancho de banda Entonces en el instante que la luz se emite por los diodos sta se absorbe por el te jido huesos sangre arterial y venosa Por otro lado cuando el coraz n bombea sangre oxigenada al tejido el instrumen to ignora todas las absorciones en el mismo en estado esta cionario y mide solamente la absorci n en el tejido que es expandido por la presi n del pulso 2 La funci n del pulsiox metro se ve afectada por muchas variables por ejemp
12. ta anat micamente al dedo eliminando as casi por completo la perdida de alguna se al 4 Resultados Los resultados experimentales se llevaron a cabo como se muestra en la Fig 3 la cual muestra el arreglo final 5 Conclusiones Se construy un pulsiox metro a trav s de la plataforma del LabView lo cual da la posibilidad de procesar se ales e im genes y en caso de ser necesario comparar con datos pre vios del mismo paciente o de otros operaci n que no es im plementada en los ox metros comerciales a los costos equiva lentes del modelo propuesto debido a la facilidad de progra maci n visual evitando con ello el uso extensivo de circuitos electr nicos anal gicos y de su mantenimiento cambio de piezas y limpieza general del equipo para lograr as el buen procesamiento de las se ales Con este instrumento se puede monitorear segundo por segundo durante el tiempo deseado el comportamiento del SpOz y almacenar los datos en el disco duro de la compu tadora y debido a esta facilidad de interacci n con la PC se pueden cotejar datos con otros registros de signos vitales del paciente en cuesti n y estos ser dados de alta en p ginas es peciales de internet para que esa informaci n pueda ser com partida por expertos y dar soluciones r pidas en situaciones de emergencia cuando as lo requieran Los resultados arrojan que el sistema construido es f cil de manejar por cualquier persona y requiere poco material de costo
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