ISBN: 978-0-615-93971-1
XX Jornadas de Ingeniería Arquitectura y Diseño, FIAD-UABC
HEART ALARM Heberto Molina-Villamil, Diego Padilla-Villavicencio, Everardo Inzunza-González*, Oscar Roberto 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: heberto.molina@uabc.edu.mx, dpadilla17@uabc.edu.mx, einzunza@uabc.edu.mx, eegarcia@uabc.edu.mx
Resumen. Se presenta el diseño e implementación de un instrumento electrónico para medir la frecuencia cardiaca (fc) y la saturación de oxígeno (SAO2) en la sangre de personas. El instrumento utiliza métodos de detección ópticos basados en diodos emisores de luz y fotodetectores. La señal captada por el sensor óptico se amplifica y se procesa para ser enviada a un microcontrolador (µC). En el µC se hacen los cálculos para obtener la fc y la SAO2 en la sangre. Los resultados se despliegan paralelamente en el dispositivo electrónico a través de una pantalla LCD y en un dispositivo móvil cuya comunicación con el instrumento electrónico es a través de la interfaz RS-232 y el protocolo bluetooth. El dispositivo cuenta con un sistema de alertas que indican las condiciones normales o de riesgo a las que se encuentra el paciente bajo análisis de corazón. Palabras claves: Frecuencia cardiaca, SAO2 (Saturación de oxígeno en la sangre), microcontrolador (µC), bluetooth.
1.-Introducción
de onda,típicamente 650 nm (rojo) y 805 nm (infrarrojo cercano) pasa a través del tejido y es captado por un fotoreceptor que responde en el mismo ancho de banda. En el instanteen que la luz es emitida por los diodos,esta se absorbe por el tejido, huesos, sangre arterial y venosa. Por otro lado, cuandoel corazón bombea sangre oxigenada al tejido, el instrumento ignora todas las absorciones en el mismo estado estacionario y mide solamente la absorción en el tejido que es expandido por la presión del pulso [2].
Elinstrumento“Heart Alarm” fue concebido buscando una innovación en base a los pulsioxímetros comerciales, se observó que aún cuando ya existen dispositivos capaces de medir el pulso cardiaco y nivel SAO2, todavía no se han implementado instrumentos portátiles que puedan desplegarnos de manera remota en tiempo real esta información y alertarnos si tenemos algún problema de salud. Esto es muy útil cuando se tienen personas enfermas en casa, adultos mayores o bebés, sin la vigilancia in situ de un médico.
El sensor de un pulsioxímetro recibe las ondas de luz roja que representa la sangre sin oxígeno y la luz infrarroja que representa la sangre con oxígeno.
“Heart Alarm” es un instrumento que realiza los mismos procedimientos que un pulsioxímetro comercial.Los pulsioxímetros son intrumentos no-invasivos y dan al médico un indicador del “estatus” cardiorrespiratorio del paciente. Su uso es de forma cotidiana en cuidados intensivos, salas de recuperación y durante la aplicación de anestesias; sin embargo, otras áreas de la medicina las emplean también tales como: guardias generales, salas operatorias, de emergencia, denacimiento y cuidado neonatal y transporte de pacientes [1].
La medición de la frecuencia cardiaca se hace por medio del método conocido y empleado por los médicos y que consiste en medir las pulsaciones en las extremidades del usuario, por ejemplo, durante 15 segundos se cuentan las pulsaciones en los dedos de la mano para después multiplicarlo por 4 obteniéndose así la frecuencia cardiaca o pulsos por minuto (PPM).
El principio de funcionamiento delpulsioxímetrose basaen que la luz emitida por dos diodos LED de diferentes longitudes
En cuanto a la medición del nivel de saturación de oxígeno (SAO2) en la sangre el 33
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pulxioxímetro relaciona las intensidades de las radiaciones rojas e infrarrojas mediante un modelo matemático.
El objetivo de este trabajo es desarrollar e implementar un pulsioxímetro económico y de precisión confiable. Se plantea una innovación respecto a los intrumentos comerciales, a partir de la incorporación al “Heart Alarm” una aplicación para teléfono celular, en el que en tiempo real se observe la frecuencia cardiaca, el nivel de SAO2 y nos indique mediante un sistema de alertas en caso de que la salud del paciente se encuentre en riesgo.
El modelo matemático para el pulsioxímetro se basa en medir el tiempo en que la intensidad de luz pasa a través del tejido fino, como por ejemplo, la extremidad del dedo o del lóbulo de la oreja. El procesado de la señal se basa en este principio y en la ley deLambertBeerTambién se realizó, una interpolación por medio de Matlab para comprobar los valores de sal en cadamedición (mL), utilizandoregresión lineal y el método de LaGrange (figura 3). Obsérvese que dentro delintervalo queda el valor interpolado(43 ml), lo que demuestra quelaconfiabilidades de 99%, al realizar el experimento obtuvimos un error 1%, lo que parece ser muy placentero.
2. Materiales y Métodos El instrumento Heart Alarm consta de 4 etapas: 1.- Captura de datos y amplificación.-En este instrumento se utiliza un sensor a base de un LED rojo ultra brillante, un LED infrarrojo y como receptor una fotoresistencia (LDR). Cuando la LDR capte señales de luz infrarroja o roja su resistencia interna cambiará y tendrá a su salida un voltaje específico proporcional a esta resistencia, el cual es recibido por una etapa de amplificación y filtrado que consta de 4 amplificadores operacionales LM358.
Por un lado, la ley de Beer declara que la cantidad de luz absorbida por un cuerpo, depende de se concentración, y por el otro, la ley de Lambert declara que la cantidad de luz absorbida por un objeto, depende de la distancia recorrida por la luz. Por lo que, la ley de Lambert-Beer,es la combinación de las dos leyes[3], su ecuación es: I A = − Log10 (T ) = − Log10 = − Log10 (10− abc ) = abc I0
2.- Digitalización.- En esta etapa se hace uso del dispositivo CD4093 el cual es un comparador con histéresis Schmitt trigger con lógica NAND, el cual se encarga de llevar la señal obtenida de la salida del bloque de amplificación a niveles digitales.
(1)
Donde: A: es la absorbancia. a: es la longitud de onda del coeficiente de absorción. b: es la longitud de la trayectoria (cm). c: es el coeficiente del compuesto (g/L).
3.- Procesamiento de la información.-La señal a la salida del amplificador es enviada a la entrada del convertidor analógico a digital de un microcontrolador (µC)PIC16F877A, el cual ejecuta un procedimiento matemático y lógico para obtener los niveles de SAO2. La salida que se obtiene del proceso de digitalización se utiliza para encontrar la frecuencia cardiaca del usuario. El microntrolador emplea una interfaz RS232 para transmitir el flujo de información en forma serial, la cual posteriormente entra al módulo RN-41, el cual es un chip capaz de envíar información vía bluetooth. El software utilizado para el
La ecuación (1) es la expresión general y más compleja para la relación entre la razón de intensidad de luz roja e infrarroja y la absorbancia de los diferentes materiales. Sin embargo, los valores de SAO2 y la razón de la intensidad de luz roja y luz infrarroja finalmente se rigen para niveles prácticos bajo la siguiente relación lineal: R SAO2 = 110 − 25 IR
(2)
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desarrollo del programa embebido en el microcontrolador (µC) es el CCS C compiler.
Los tres primeros amplificadores posen una ganancia lineal de 100 y el último amplificador posee una ganancia teórica de 300. La señal de salida es enviada al pin RA0 del microcontrolador (µC) y a la entrada delaetapa de acondicionamiento digital. Esta señal a su vez se manda al bloque digital donde dos Schmitt trigger de lógica NAND se encargan de generar una señal cuadrada que es enviada a el pin RA4 del microcontrolador (µC). La figura 3 muestra las interconexiones con el microcontrolador (µC). Para que el microcontrolador (µC) pueda observar la señal amplificada generada por la recepción de luz roja o infrarroja es necesario crear un proceso de conmutación en el que el microcontrolador (µC) controle el encendido y apagado de los LEDs.
4.- Interfaz con el usuario.“Heart Alarm” utiliza dos sistemas de interfaz con el usuario, uno de ellos es una pantalla LCDJHD 162 instalada propiamente en el instrumento, en la que se despliegan los valores de frecuencia cardiaca y el nivel de SAO2y la otra interfaz es una aplicación diseñada para dispositivos androide utilizando el sistema de programación de aplicaciones denominado MIT APP INVENTOR. 3. Parte Experimental. El instrumento se diseñó para que el usuario introduzca su dedo índice y a partir de ahí obtener las mediciones pertinentes. El sensor cuenta con los generadores de señales lumínicas y con él foto-receptor; además, se cuenta con un switch que indica si el usuario ha introducido su dedo o no. La figura 1 muestra la configuración interna del “Heart Alam”.
Figura 3.Diagrama eléctricode interconexión con el microcontrolador (µC).
Se implementa un circuito de acondicionamiento para el módulo bluetooth que está conectado a los pines C6 y C7 del microcontrolador (µC).
Figura 1.Configuración interna del sensor de SAO2 y pulsos cardiacos.
La salida del sensor es enviada mediante un divisor de voltaje a la etapa de amplificación y filtrado de la señal, en la figura 2 se muestra la etapa de amplificación y filtrado diseñadas.
Figura 4.Bloque de interconexión del módulo bluetooth.
La última fase de “Heart Alarm” es el desarrollo de una aplicación que sea capaz de recibir los datos que se están enviando
Figura 2.Etapa de amplificación y filtrado. 35
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por medio del módulo bluetooth RN-41. El lenguaje que utiliza el programa MIT APP INVENTOR es del tipo de programación orientada a objetos. La figura 4 muestra un fragmento del código desarrollado.
Se observa que es necesario agregar un algoritmo a la aplicación androide en la que se evalúe otros datos aparte de la edad del usuario, como son el peso, la estatura y el género, esto debido a que estos factores son claves de detectar en los niveles de frecuencia cardiaca en la que se debe de encontrar el usuario.
Figura 7. Imagen de losresultados desplegados en el dispositivo móvil con Androide.
Figura 5.Fragmento del código de la aplicación donde se despliega lo que se está recibiendo vía bluetooth.
4. Conclusiones Se diseñó e implementó un dispositivo económico que cumple satisfactoriamente las funciones de un pulsioxímetro. De igual forma se logró proporcionar una interfaz al usuario en la que puede alertar en tiempo real si el paciente está teniendo problemas con su salud, tal como bajo porcentaje de oxígeno o bien una frecuencia cardiaca muy alta. Por otra parte, como trabajo a futuro, las señales espurias obtenidas al hacer mediciones en las que el usuario no está en reposo, pueden ser suprimidas implementando filtros activos o pasivos. Hay mucho trabajo aún por desarrollar para estos dispositivos y aplicaciones y podemos concluir que es de vital importancia mejorar e implementar lo aquí mostrado en otros dispositivos, como es el caso del sensor el cual hemos desarrollado manualmente para la posterior aplicación androide como se muestra en este trabajo.
4. Resultados y Discusión. Se hicieron mediciones en 3 usuarios de diferentes edades. En la Tabla 1 se muestran algunas mediciones que se tomaron mientras los usuarios estaban en reposo.Los valores obtenidos son un promedio de resultados arrojados durante 5 minutos. Tabla 1.Resultados de las mediciones a los usuarios utilizando el instrumento “Heart Alarm”. Edad del usuario 66 31 20
Frecuencia Cardiaca 62 76 78
SAO2 97 % 96 % 96 %
En las figuras 5 y 6 se muestran las interfases implementadas en el “Heart Alam”.
5. Bibliografía. [1].- Mehta N.J., Khan I.A. Cardiology's 10 greatest discoveries of the 20thcentury. Tex Heart Inst. J.; 29(3):164–71(2002). [2].- Dale Davis, Interpretación del ECG. 1er edición, Médica Panamericana. pp. 2. (2007). [3].- Eugene D. Olsen, Métodos ópticos de análisis, Reverte, (1990).[4].- M.R. Krames et al., Appl. Phys. Lett.7523 (1999)
Figura 6.Resultados desplegados en la pantalla LCD.
Los valores obtenidos por “Heart Alarm” se encuentran en el rango de valores normales que una persona con buena salud debe de tener.
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