El objetivo de este trabajo es el diseño y construcción de un sistema capaz de monitorizar el ritmo cardíaco mediante un ordenador personal. La toma de datos se realiza empleando métodos ópticos, de forma que la variable que se monitoriza es la absorción de la sangre de la radiación luminosa producida por un LED que emite en longitudes de onda larga.

El fundamento de medida del equipo está basado en la medida (mediante muestreo) de parámetros médicos de tipo no invasivo. Se entiende por medicina no invasiva aquella que no precisa "penetrar" o entrar en el organismo para obtener ciertos valores de parámetros, sino que los obtiene desde la superficie o exterior del mismo.

El dispositivo pretende cubrir una amplia gama de requisitos y necesidades, ya que puede ser usado tanto por un profesional de la medicina (para poder detectar algún tipo de patología relacionada con el bombeo y circulación de la sangre por el cuerpo), como por una persona que únicamente tenga curiosidad por conocer su ritmo cardíaco, pueda conocer la curva generada por el funcionamiento de su corazón y así pueda controlar en cada momento su ritmo cardiaco.

Además se pretende que el sistema sea económico, de un fácil manejo e información clara y concisa, aspecto interesante cuando se está hablando de material médico si una de las pretensiones es que cualquier persona no vinculada el mundo de la medicina sea capaz de utilizar el aparato.

El creciente aumento de las comunicaciones, de la biotecnología y la necesidad de los diagnósticos rápidos y seguros hace que cada vez más se imponga la necesidad de este tipo de sensores y transductores. Las nuevas tecnologías hacen posible el control del estado de salud de cualquier individuo sin necesidad de desplazarse a ambulatorios ni hospitales para mayor comodidad del paciente; estas tecnologías permiten el envío de la información, en tiempo real, de las medidas realizadas a los pacientes del ritmo cardíaco (que también se dan en tiempo real). Además, para mayor comodidad, el manejo del dispositivo es tal que no hace falta un profesional relacionado con la medicina para llevar a cabo las medidas. Utilizándolo en enfermos con afecciones cardiovasculares, se puede realizar un control de los parámetros cardíacos en tiempo real, sin más que poner en funcionamiento el sistema y conectar el ordenador con el de un médico capaz de diagnosticar los resultados tomados por el medidor de ritmo cardíaco. Tal y como está en este momento el desarrollo actual de las telecomunicaciones, realmente no es un problema.

Este trabajo consta de dos apartados, uno que comprende la realización de la parte electrónica y otro formado por el programa que la controla y se encarga de la representación de los datos obtenidos.

El equipo diseñado y construido consta de un sistema formado por un par LED-fotorresistencia, cuya misión es la de generar un haz de luz y obtener las variaciones que sufre al atravesar los vasos sanguíneos (fundamentalmente) del dedo, además se utilizan una serie de amplificadores y filtros que acondicionan la señal para el sistema de adquisición de datos (SAD). Éste es el encargado de convertir los valores analógicos, obtenidos en el sensor, en valores digitales, que al ser capturados por el ordenador personal se pueden representar en pantalla o bien obtener un registro de dichos valores y mostrarlos en una gráfica.

Un sistema es un conjunto de elementos o partes organizadas que realizan una función determinada. Un sistema electrónico es aquel cuyos elementos o partes realizan sus funciones respectivas por medios electrónicos. Los sistemas de adquisición y distribución de señales son un tipo particular de sistema electrónico.

En un SAD de medida y control, las entradas son variables físicas, eléctricas o no, y las salidas son también variables físicas, de representación visual o acústica.

 FUNCIONES DE ADQUISICIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE SEÑALES

Un sistema de medida adquiere la información (señales analógicas o digitales), la procesa y la presenta, en ocasiones además, la registra. Un sistema de control compara el resultado de la medida con los objetivos establecidos, y actúa en consecuencia sobre el sistema físico o proceso para transformar el parámetro deseado. En la figura 1 se muestra la estructura general de un SAD de medida y control.

Las diferentes funciones son:

El primer elemento de un SAD es el que mide la magnitud de entrada que puede ser eléctrica, magnética, óptica, etc.. Salvo que las magnitudes que se quieran controlar sean todas del mismo tipo, el elemento de medida es un transductor de entrada, que convierte una señal de una naturaleza física determinada en otra de naturaleza distinta.

Como la energía convertida por un transductor es pequeña, hay que acondicionar la salida para adaptarla a las etapas siguientes. Si dicha energía fuera grande podría llegar a perturbar el proceso de una forma no deseada.

Los parámetros básicos de un sensor son: margen o campo de medida, sensibilidad, resolución y exactitud. La sensibilidad es la relación entre el cambio a la salida del transductor comparada con el cambio en la magnitud de entrada, si es constante en todo el margen de medida, el sensor es lineal. La resolución es el menor cambio en la magnitud de entrada que se puede detectar a la salida y viene limitada, en último término, por las fluctuaciones aleatorias presentes en todo elemento, es decir, por la disipación de energía. La exactitud describe el grado de coincidencia entre el valor real de la entrada y su valor deducido a partir de la salida existente y de la sensibilidad.

Cuando interesa controlar una magnitud física, una vez que se tiene la información sobre la magnitud real y se compara con el objetivo, se toma una decisión (según el algoritmo de control) que concluye con una acción sobre el proceso.

Si la magnitud controlada no fuera eléctrica hace falta una nueva transducción (de salida). Los elementos que dan una salida no eléctrica a partir de una entrada eléctrica se denominan actuadores.

La salida de los sensores es, normalmente, una señal analógica (continua en cuanto a amplitud y tiempo). En algún punto del SAD dicha señal hay que convertirla en digital (binaria: continua en el tiempo, pero sólo con dos niveles de tensión), ya que los elementos encargados del procesamiento y muchos de los de presentación requieren entradas digitales. La cuantización consiste en representar la amplitud (continua) de la señal mediante un número finito de valores distintos en instantes determinados. Si el convertidor es de n bits, hay 2ⁿ valores o estados posibles. La codificación es la representación del valor asignado a la señal mediante combinaciones de símbolos que se representan habitualmente con dos niveles de tensión (0 y 1). La cuantización y codificación las realiza el CAD.

La conversión A/D no es instantánea. Si durante este tiempo cambia la amplitud de la señal analógica de entrada, el resultado de la conversión corresponderá a alguno de los valores que haya tomado la entrada durante el tiempo de duración de la conversión. Para que esta incertidumbre en la amplitud sea inferior a la discriminación que permite el CAD (valor del bit menos significativo, SLB) la velocidad máxima del cambio de la entrada, dV/dt debe cumplir la condición siguiente:

donde M es el rango de tensión a la entrada del CAD, n es el número de bits y t_c es el tiempo entre conversiones.

Una limitación importante de los CADs es que no pueden convertir el valor instantáneo de señales de evolución rápida (frecuencia elevada). Para subsanar esta limitación se les precede de un dispositivo que adquiere el valor de la señal analógica de entrada (una muestra) y lo retiene mientras dura la conversión, éste es el amplificador de muestreo y retención (Sample and Hold, SAH). En general, si el CAD tiene una exactitud elevada los errores que dependen del tiempo son debidos exclusivamente al SAH.

Para aprovechar el margen dinámico de salida del CAD (2ⁿ valores correspondientes a un margen de tensiones de entrada M), el margen de amplitudes de la señal debe coincidir con el de entrada al convertidor, M. Para ello hay que amplificar la salida del sensor, evitando la saturación del amplificador. Al mismo tiempo hay que hacer compatible la salida del sensor con la entrada del CAD.

Los requisitos mínimos que debe cumplir el ordenador son los siguientes:

- Ordenador PC 386

- 4 Mb de RAM

- Sistema Operativo Windows 3.X

- 2 MB libres en disco duro

- Tarjeta gráfica VGA.

El sistema circulatorio de un ser vivo se podría definir, desde el punto de vista de teoría de sistemas, como el sistema de transmisión de información bioquímica del organismo. Mediante este sistema las células adquieren información en forma de alimento desde el exterior, tal como oxígeno, proteínas, azúcares, etc., y envían al exterior todos los productos sobrantes de su metabolismo, como anhídrido carbónico, subproductos no asimilables de reacciones, etc.. En consecuencia, a través del conocimiento de los parámetros de este sistema se puede llegar a conocer el estado de gran parte de los otros sistemas vitales del organismo. Utilizando un símil de ingeniería, conociendo las características y el estado del canal de transmisión, se puede llegar a conocer, hasta cierto punto, el estado del emisor y del receptor de información. Por todo lo anterior, la medida de los parámetros cardiovasculares presenta una singular importancia dentro del campo de las medidas biomédicas.

En esencia, el sistema cardiovascular consta de una bomba, el corazón, que impulsa un fluido, con células y sustancias diversas en suspensión que constituyen la sangre, a lo largo de dos circuitos principales, uno que va del corazón a los pulmones y vuelve al corazón, y otro que también tiene como principio y fin el mismo órgano que distribuye la sangre a través del resto del organismo. Una posible clasificación de las medidas que se realizan en el sistema cardiovascular sería la siguiente:

1. Las debidas a la actividad eléctrica del corazón: el electrocardiograma. La importancia de esta medida es muy grande para detectar anomalías en el funcionamiento de las diferentes zonas del corazón. Los transductores utilizados suelen ser electrodos.

2. Las debidas a las características hemodinámicas del sistema: la medida de las condiciones dinámicas de circulación del fluido sanguíneo a lo largo de todos los conductos formados por venas, arterias y capilares, así como la cuantificación del rendimiento del bombeo del corazón. Estos parámetros son de fundamental importancia para el conocimiento del funcionamiento global del sistema. Dentro de este grupo destacan las medidas de presión sanguínea, de caudal sanguíneo y de gasto total aportado por la bomba cardíaca.

3. Las debidas a efectos mecánicos de la circulación: interesa medir el efecto mecánico de la circulación sobre una determinada zona del cuerpo a fin de determinar deficiencias circulatorias sobre zonas concretas. Este efecto consiste en una variación del volumen de la zona estudiada al producirse la concentración cardíaca, retrasada por el tiempo de propagación de la onda de choque. Estas medidas reciben el nombre de pletismografía. Relacionados con ellas existen dos parámetros de interés, el pulso y la balistocardiografía. Al medir el pulso, lo único que interesa cuantificar es el número de bombeos por minuto que realiza el corazón. La balistocardiografía no es más que la medida del efecto del choque de la onda de presión circulatoria sobre el conjunto del cuerpo.

4. Medida de parámetros bioquímicos en vivo del sistema circulatorio: en ciertas ocasiones resulta interesante medir algún parámetro bioquímico de la sangre del paciente in situ, sin necesidad de extraer sangre. Esto se realiza fundamentalmente con la medida del contenido de oxígeno en sangre.

Una vez que hemos visto la clasificación de la posibles medidas cardiovasculares, nos centraremos en el análisis del pulso.

El número de pulsaciones o bombeos del corazón por minuto es el primero y uno de los parámetros más característicos a la hora de realizar un análisis cardiovascular. Para ello emplearemos un método óptico sencillo basado en detectar la variación de la luz que atraviesa un dedo al aumentar la densidad del medio interno debido a la acumulación de sangre, o simplemente al ocurrir las pulsaciones sin oclusión. El transductor consiste en un diodo luminiscente (LED) de alta intensidad, que envía luz a la superficie de la piel, y al otro lado del dedo se encuentra una fotorresistencia que detecta los cambios de luz a través del mismo. Al colocar esta fotorresistencia en un circuito en puente, las variaciones fotogeneradas de su valor óhmico y por tanto de la corriente que circula a través de ella, permiten detectar las pulsaciones. El par diodo-fotorresistencia se sitúa en contacto con la piel encapsulados en un pequeño dedal bien cubierto para evitar las interferencias ambientales. Hay que resaltar que cualquiera de los métodos pletismográficos (o de representación de señales torácicas) se puede utilizar para este fin. Sin embargo, en aplicaciones de monitorización continuada es aconsejable utilizar el método óptico descrito en virtud de su gran sencillez.

A la vista de todos los requisitos anteriores, vamos a describir el dispositivo capaz de medir el ritmo de bombeo sanguíneo del corazón, es decir, el ritmo cardíaco.

El punto de partida para el diseño de este circuito consiste, como dijimos, en un LED de alta luminosidad, cuya emisión tiene intensidad suficiente para atravesar un dedo y llegar a una fotorresistencia colocada en el lado opuesto. La luz que incide en ella ya no es constante y uniforme como la emitida por el LED, sino que queda modulada por el movimiento de la sangre que es bombeada a lo largo de los vasos sanguíneos. Por tanto, en un extremo del sensor (fotorresistencia), se genera una tensión variable en función del ritmo cardíaco, es decir, de los latidos del corazón.

La señal de salida de la fotorresistencia se aplica a la entrada de un filtro pasabaja cuya frecuencia de corte es del orden de 3Hz. La elección de esta frecuencia se debe a que el margen de funcionamiento del corazón puede variar entre 40 y 180 pulsaciones por minuto como valores extremos, obteniendo por tanto, frecuencias entre 0.5 y 3Hz, aproximadamente, así se eliminan ruidos y señales extrañas que puedan originar fluctuaciones que no tienen nada que ver con el ritmo cardíaco del corazón. Como la señal obtenida del filtro es bastante débil, es necesario amplificarla utilizando una etapa de alta ganancia (amplificador de ganancia variable). Incluso cuando el pulso es extremadamente bajo, esta etapa es capaz de amplificarla para poder medirlo. En la salida de esta etapa se obtiene una señal con un nivel de tensión continua de algunos voltios. A continuación esta señal se introduce en un restador para eliminar dicho nivel de continua.

Consta de una fotorresistencia enfrentada a un LED de alta radiancia, entre los cuales se interpondrá un dedo de la persona cuyo ritmo se quiere medir. El esquema de la disposición experimental puede verse en la figura 2. El conjunto LED-fotorresistencia va montado en un mismo soporte de forma que al introducir el dedo permanezca suficientemente oprimido y aislado ópticamente del exterior para la buena detección de las variaciones de luz del LED producidas por la circulación sanguínea.

Para limitar la intensidad a través del LED se conecta una resistencia en serie con éste. De igual forma, la fotorresistencia va en serie con otra resistencia con el mismo fin. El sensor va conectado al filtro por medio de un condensador de acoplo, proporcionando un aislamiento en continua del amplificador respecto a la entrada, evitando de esta forma que la componente continua de la señal de entrada interfiera en el funcionamiento del amplificador.

Para el diseño conjunto del filtro y del amplificador se ha utilizado un doble amplificador operacional comercial con entrada FET (field effect transistor, transistor de efecto campo), porque posee unas condiciones que lo hacen apto para este diseño concreto como son una muy alta impedancia de entrada (debido a una etapa de entrada de JFET) y un muy bajo nivel de ruido, dentro de la gama económica de amplificadores operacionales. Además posee bajo consumo, baja distorsión armónica y protección frente a cortocircuitos.

El amplificador de alta ganancia se ha diseñado para poder ajustar la ganancia al valor deseado. De esta forma obtenemos un margen de ganancia que oscila entre 0 y 600.

En el caso de que el circuito produzca inestabilidades, probablemente se deberá a una amplificación excesiva. Para solucionarlo bastará con reducir la ganancia, lo cual estabilizará la señal. La tensión de alimentación es de 12V.

Este bloque, como su propio nombre indica, está constituido por un circuito restador de tensión (CAD) basado en dos amplificadores operacionales, con los cuales se reduce el nivel de continua de la señal procedente del amplificador hasta el valor deseado, quedando así preparada para ser introducida en CAD.

El esquema global se puede observar en la figura 3.

Existen diversos módulos en el mercado, pero por su disponibilidad, comodidad y facilidad de uso, prestaciones y economía, se ha elegido el modelo AD12^® de la firma comercial Lipsoft. Esta firma comercial dispone de diversas configuraciones de módulos, todos ellos pueden ser combinados para formar cadenas complejas de adquisición y control. Los módulos pueden conectarse tanto en serie como en paralelo, pero respetando siempre el direccionamiento ya que cada tipo permite un máximo de direcciones establecidas.

La comunicación entre el ordenador y los módulos se lleva a cabo mediante rutinas realizadas en lenguaje ensamblador que se encargan del protocolo de comunicación. El usuario no precisa ningún conocimiento del proceso interno de estas funciones, y sólo ha de respetar las directrices para la realización de llamadas a éstas. Las funciones devolverán la información solicitada o realizarán la operación requerida.

Bajo Windows 3.X o superior, el manejo de los módulos puede realizarse de dos formas:

1. Mediante llamadas a funciones en librerías de enlace dinámico (DLL).
2. Si el lenguaje de programación es Visual Basic o Visual C disponemos además de la opción a) de un conjunto de custom controls (CC) que facilitará enormemente el desarrollo de la aplicación.

Solamente es necesaria una entrada analógica con un número aceptable de bits de resolución, quedando cubiertas las necesidades con un único módulo, de los fabricados por Lipsoft, el que ofrece una mayor resolución es el AD12^®.

Debido a su muy bajo consumo, los módulos no precisan por lo general de alimentación exterior para su funcionamiento, ya que la toman de las líneas de datos del propio puerto donde se conectan.

El software, desarrollado completamente en nuestros laboratorios, permite el análisis del número de pulsaciones por minuto que presenta el individuo, permitiendo además una representación en el tiempo de los pulsos transmitidos por el corazón. El menú que se muestra en pantalla permite realizar toda clase de operaciones, salir del programa, imprimir los resultados (especificando previamente la impresora), representar gráficamente los resultados (en cualquier momento), ajustar las condiciones de muestreo (número de muestras y período), el color de los gráficos y un submenú de ayuda.

Al mismo tiempo, se verá en pantalla la simulación de los latidos del corazón en tiempo real durante el tiempo que está activo el contador de pulsaciones.

En un display que aparece sobre la pantalla se va actualizando el valor correspondiente al número de pulsaciones por minuto detectado por el contador de pulsaciones. El valor se actualiza cada 10 segundos y se obtiene empleando un algoritmo que utiliza como datos la lectura actual y el dato anterior, para de esta forma reducir la dispersión de los datos debidos a algún movimiento del paciente o a perturbaciones externas al sistema.

Está realizado en Visual Basic, porque dada las características expuestas anteriormente, es el lenguaje más apropiado; está orientado a objetos y tiene una serie de herramientas visuales que facilitan al usuario su operación desde Windows

Pallás Areny, Ramón.- ADQUISICIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE SEÑALES. Ed. Marcombo, Barcelona, 1993

Pallás Areny, Ramón.- TRANSDUCTORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑAL

Marcombo, 1989

Bildstein, P. FILTROS ACTIVOS. Ed. Paraninfo, Madrid, 1983.

Hennig, Wilheim.- FOTOELECTRÓNICA. Ed. Marcombo, Barcelona, 1976

Bergtold, F.- FOTOCONDUCTORES. Ed. Gustavo Gili, Barcelona, 1980

De la Fuente, De la Casa, M. y Cano, J. M.- TRANSDUCTORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑAL. Cámara Oficial de Comercio e Industria de Jaén, Jaén, 1993

Poblet, J. M. INTRODUCCIÓN A LA BIOINGENIERÍA. Serie Mundo Electrónico, Boixareu Editores, Ed. Marcombo, Barcelona,1988.

West, John B.- BASES FISIOLÓGICAS DE LA PRÁCTICA MÉDICA. Ed. Médica Panamericana, 1993

Varios.- CARDIOLOGÍA. Colección: Ciencias Médicas. Universidad de Pamplona, 1978

Ceballos Sierra, F. J..- ENCICLOPEDIA DE VISUAL BASIC 3.0 PROFESIONAL

RA-MA, 1994

Nelson Ross.- EL LIBRO DEL VISUAL BASIC PARA WINDOWS Ed. Anaya, 1994

García, José Julián, Garrido, Juan y Gil, Roberto.- ORCAD SDT IV RA-MA, 1995

Martínez Alguacil, Manuel.- ORCAD PCB II. Ed. Paraninfo, 1993