ISBN: 978-0-615-93971-1
XX Jornadas de Ingeniería Arquitectura y Diseño, FIAD-UABC
OXIMETRÍA DE PULSO Sarah Camacho-Aguilar, Oscar Colunga-Flores,Montserrat Domínguez-Martínez, Saira Martínez-Mireles, Alessandra Páez-Beltrán, Elihu Vázquez-Ortiz, Dora L.Flores-Gutiérrez*, Everardo Inzunza-González*, Claudia M. Gómez-Gutiérrez*, Oscar López-Bonilla* & Efrén García-Guerrero* FACULTAD DE INGENIERÍA ARQUITECTURA Y DISEÑO CARRETERA TRANSPENINSULAR ENSENADA-TIJUANA NUMERO 3917, COLONIA PLAYITAS. Ensenada, B.C., C.P. 22860. Teléfono 646-1750744, Fax 646-1744333. *E-mail: sarah.itzel.camacho.aguilar@uabc.edu.mx, oscar.colunga.flores@uabc.edu.mx, monserratt.dominguez@uabc.edu.mx, yarlet.martinez@uabc.edu.mx, alessandra.paez@uabc.edu.mx, vazquez.elihu@uabc.edu.mx, dflores@uabc.edu.mx,einzunza@uabc.edu.mx, cmgomezg@uabc.edu.mx, olopez@uabc.edu.mx, eegarcia@uabc.edu.mx Resumen.En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un dispositivo electrónicoque mide la saturación de oxígeno en la sangre del cuerpo humano, el censado se lleva acabo a partir de la medición del oxígeno de manera indirecta y no invasiva en un dedo de la mano del paciente. El dispositivo emplea diferentes longitudes de onda sensibles a la hemoglobina para detectar la presencia de oxígeno. El dispositivo despliega el porcentaje de saturación de oxígeno en una pantalla LCD y envía en tiempo real los datos a una computadora personal. El dispositivo electrónico obtiene la concentración de oxígeno a partir de un arreglo optoelectrónico cuyos valores son convertidos a acondicionados y enviados al ADC de un microcontrolador para el cálculo de la absorbancia, de luz a partir de la ley de Beer-Lambert. Palabras claves: Microcontrolador, saturación de oxígeno, hemoglobina, Transmitancia, Absorbancia, oxímetro.
La oximetría ha sido una modalidad de monitoreo que ha adquirido una gran aceptación clínica ya que no es invasiva, proporciona resultados en tiempo real y no necesita calibración de sus sistemas. La oximetría de pulso está basada en los siguientes principios[2]:
4. Introducción La oximetría de pulso, pulso-oximetría o saturación de pulso O2 (SpO2)es una tecnología de monitoreo que se basa en la saturación arterial de oxígeno (SpO2) de forma no invasiva ya que se utiliza un sensor transcutáneo. La SpO2, puede determinarse mediante un método espectrofotométrico ya que la proteína que transporta al oxígeno, hemoglobina (Hb), tiene propiedades químicas que permiten su identificación a 660 nm y 930 nm. Cuando la Hb está ligada al oxígeno (oxihemoglobina) es de color rojo y absorbe en el espectro del infrarrojo (930 nm) y cuando se disocia del oxígeno (desoxihemoglobina) es de color azul y absorbe en el espectro del visible (660 nm) [2]. Este diferencial entre la luz roja y la infrarroja se utiliza para derivar la saturación del oxígeno [3]. Los instrumentos basados en este principio de operación, son muy útiles para el monitoreo de la oxigenación del paciente y son más económicos que las máquinas de gases arteriales.
•
El color de la sangre es una función de la saturación de oxígeno. • Los cambios en el color con diferentes niveles de oxígeno son causados por las propiedades ópticas de la molécula de la hemoglobina. • Los oxímetros de pulso miden la absorción de ondas de luz específicas con relación a los niveles de hemoglobina oxigenada y hemoglobina reducida. La oximetría de pulso funciona colocando un lecho de arteria vascular pulsátil entre una fuente de luz de dos longitudes de onda y un detector. El lecho arterial pulsátil crea un cambio en la distancia que debe recorrer la luz y modifica la cantidad de luz que es detectada, resultando en una onda 37
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plestismográfica típica. La amplitud de la forma de la onda depende del tamaño del cambio en el pulso arterial, la longitud de onda de la luz usada y la saturación por el oxígeno de la hemoglobina (Hb) arterial. El cambio en la intensidad de luz es absorbida desde la sístole hasta la diástole determina la frecuencia del pulso [2], tal como se ilustra en la figura 1:
región de onda, en el intervalo de luz roja e infrarroja. A una longitud de onda aproximadamente de 660 nm, la luz roja que es visible es absorbida más por Hbr que por la Hbox. A una longitud de onda de 940 nm la luz infrarroja es absorbida más por la Hbox que por la Hbr.
Figura 1. Frecuencia de pulso.
Durante la sístole, debido a un volumen incrementado de sangre que resulta de adicción de sangre arterial, la mayoría de la luz es absorbida y por consiguiente poca luz es censada en el fotodetector. Durante la diástole ocurre el fenómeno inverso y menos sangre existe en el lecho por lo que menos luz es absorbida y más luz alcanza el fotodetector[2], esto se ilustra en la figura 2. El principio para determinar la saturación de oxigeno está basado en la ecuación o ley de Beer-Lambert que postula: La absorción total en un sistema de absorbedores es igual a la suma de sus absorbencias independientes. A una intensidad de luz constante y a una concentración de Hb constante, la saturación del oxígeno de la Hb es una función logarítmica de la intensidad de la luz transmitida a través de la muestra de Hb, tal como se muestra en la ecuación 1. I T % = * 100 (1), I0 en donde I es la cantidad de luz transmitida por la muestra e I0es la cantidad total de luz incidente y T es el valor porcentual de la transmitancia. La absorción de luz de la desoxihemoglobina y la oxihemoglobina,tienen una banda en la
Figura 2. Diagrama de la fuente de luz y el fotodetector.
El oxímetro de pulso mide la saturación funcional de la Hb y la no saturada fraccional que representa el porcentaje de Hbox de todas las hemoglobinas presentes, tales como la carboxihemeglobina (COHb), metahemoglobina (Met-Hb), hemoglobina glucosilada (HbA1 y HbA1c), etc.[2]. La confiabilidad de los oxímetros de pulso, ha sido extensamente evaluada en adultos normales respirando diferentes concentraciones de oxígeno. La utilización de los oxímetros de pulso está ampliamente reconocida en [2]: • Unidad de cuidado intensivo. • Monitoreo intraoperatorio. • Unidades de recuperación postquirúrgica. • Evaluación preoperatoria cardiorespiratoria. • Investigación en apnea del sueño. • Terapia a largo plazo con oxígeno. • Pacientes neonatos y pacientes pediátricos. 38
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El oxímetrode pulso es una gran ayuda en el monitoreo y vigilancia de los pacientes ofreciendo un método simple, no invasivo, seguro y que registra en forma continua la oxigenación arterial[2-3]. Con el diseño e implementación del oxímetro presentado en este trabajo se muestra la factibilidad de construir estos dispositivos a precios accesibles. La aplicación de nuestro dispositivo valida que apartir de diferentes condiciones a las que se somete el cuerpo humano, afectan directamente la saturación de oxígeno en la sangre.
Figura 3. Vista exterior del equipo de medición de oxígeno en la sangre.
3. Parte Experimental.
2. Materiales y Métodos.
El oxímetro de pulso fue desarrollado con base en un microcontrolador que activa la transmisiónrecepción entre Diodos Emisores de Luz (LED, de sus siglas en inglés) y sus respectivos receptores. En la figura 4se muestra la correlación de encendidoapagado en la etapa de censado.
En la figura 3 se muestra el diseño del oxímetro implementado para la medición y monitoreo en tiempo real de la saturación de oxígeno en la sangre. La operatividad y funcionamiento del oxímetro de pulso implementado se validó en diferentes personas y bajo dos criterios: i) una primera medición bajo una condición de reposo del “paciente” y ii) una segunda tras cambiar los signos vitales del “paciente” realizando esfuerzo físico. La recolección de datos sólo se realizó dentro del marco de las XX Jornadas de Ingeniería, Arquitectura y Diseño, los factores que se consideraron para elegir a los candidatos fueron los siguientes: • • • • • • • • • •
Figura 4. Gráfica del tiempo de funcionamiento de los LED en un oxímetro de nivel médico.
Edad entre 18 y 25 años. No ser fumador. No consumir drogas. No padecer ni tener historial de asma. No padecer de taquicardias, No padecer de hipertensión. No padecer de diabetes. No tener un nivel bajo de hemoglobina. No contar con enfermedades o condiciones de imposibiliten el movimiento normal del cuerpo. En caso de mujeres no estar embarazadas.
El microcontrolador mantiene una conexión activa con la computadora por medio de un puerto USB,la cual por un lado nos permite monitorear en tiempo real los datos que son censados,y por otro archivarlos para análisis posteriores de interpretación. En la figura 5, se muestra el funcionamiento del oxímetro implementado en este. En la Tabla 1 se muestran algunos de los resultados obtenidos al tomar las mediciones de la saturación de oxígeno en algunos pacientes. 39
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3. Se valida que la implementación de este instrumento es económica, dada las alternativas de diseño desarrolladas, sin sacrificar la precisión del mismo.
4. Discusión yResultados.
Figura 5. Diagrama de bloques del oxímetro de pulso.
Discusión. Se puede observar de los datos recolectados en las tablas, que las mediciones de saturación de oxígeno en la sangre cambian después de realizar ejercicio por cierto tiempo (es necesario para cambiar los signos vitales), esta información concuerda con el comportamiento real del sistema (paciente). Resultados. La validación del equipo de medición de oxígeno se realizó tomando los estándares para pacientes sanos en reposo, representados por la columna con saturación de oxígeno inicial, que están dados por la OMS (Organización Mundial de la Salud). Estos estándares pueden ser aplicados ya que usamos pacientes sanos en reposo para hacer las mediciones.
Paciente
Sexo
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
M M F F F M M M M M M F F F F M M F M F
Saturación de Oxígeno Inicial Final 95.38% 86.01% 96.34% 83.59% 97.08% 89.57% 95.68% 82.38% 97.63% 91.18% 96.41% 82.87% 95.16% 81.22% 97.27% 89.40% 96.75% 85.97% 94.50% 84.95% 95.58% 86.47% 96.51% 89.92% 97.20% 83.46% 97.60% 83.62% 95.47% 80.67% 97.04% 88.60% 95.63% 80.05% 97.62% 88.95% 97.04% 88.60% 96.06% 87.66%
Tabla 1.Datos capturados para demostrar el funcionamiento correcto del oxímetro.
6. Bibliografía. [1].- CENETEC, SALUD. Guía Tecnológica en Salud No. 3: oxímetro. Secretaría de Salud. 27pp.(2006). [2].- González, M., Restrepo, G., y Sanín, A. Fundamentos de medicina. Colombia: Corporación para Investigaciones Biológicas(2003). [3].- Berry, W., Barreiro, G., Dziekan, G., Enright, A., Evans, P., Funk, L., Wilkinson, D. Manual de Oximetría de Pulso Global. Ginebra: Ediciones de la OMS.(2010). [4].- Buschmann, J. P. Huang, J. Nw Ear Sensor for mobile, continuous and log term pulse oximetry. 32nd Annual International Conference of the IEEE EMBS(2010).
5. Conclusiones 1. El oxímetro de pulso desarrollado es funcional y se ajusta a lo que reportado en la literatura para el caso de las condiciones normales de los pacientes en reposo. 2. Se hacen evidentes los cambios en los niveles de saturación de los pacientes cuando se les alteran los signos vitales cuyos rangos esperados coinciden con los estándares que proporciona la OMS [3].
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