DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MÓDULO INALÁMBRICOPARA LA ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO, EN TIEMPO

REAL, DE LAS VARIABLES FISIOLÓGICAS REQUERIDAS ENATENCIÓN PREHOSPITALARIA

ERAZO CHULDE JUAN CARLOS, Ing.VICENTE ROMERO KLEBER REYNALDO, Ing.

ÁLVAREZ RUEDA ROBÍN, PhD.

1. RESUMEN

El presente proyecto comprende laadquisición, procesamiento y análisis de lassiguientes variables fisiológicas: temperatura,presión, frecuencia cardiaca, y elelectrocardiograma, para el registro de cadauna de estas variables, se recurrió al uso desensores, para el caso de temperatura seutiliza un termistor NTC, para la presión untransductor piezoresistivo, para el ECG se usaelectrodos tipo ventosa, estas señales sonadquiridas y luego enviadas a un computadormediante el uso de un microcontrolador. Lacomunicación entre el microcontrolador y elcomputador se desarrolla mediante tecnologíade radio frecuencia bluetooth.

En el computador se realiza el procesamientode cada una de las señales, para ello se utilizauna herramienta gráfica de programación“Labview”, y mediante un HMI, se indica losvalores de las variables registradas. El análisisde las variables consiste en mostrar si losvalores se encuentran dentro o fuera de losniveles normales.

ABSTRACT

This project includes the acquisition, processingand analysis of the following physiologicalvariables: temperature, pressure, heart rate andelectrocardiogram, to record each of thesevariables, the use of sensors, for the casetemperature is used an NTC thermistor, apressure transducer for piezoresistivo for ECGelectrodes used suction type, these signals areacquired and then sent to a computer using amicrocontroller. Communication between themicrocontroller and the computer usingBluetooth wireless technology develops.

In the computer processing is performed foreach of the signals, so we use a graphicalprogramming tool "Labview" and by an HMI,are the values of the variables recorded. Theanalysis of the variables is to show whether thevalues are inside or outside of normal levels.

2. INTRODUCCIÓN

Una de las expectativas del proyecto es ofrecerayuda para una atención eficiente a unapersona que ha sufrido un accidente o unaurgencia médica. Optimizando el tiempo que esun factor muy determinante, mediante laadquisición automática y continua, de lasvariables fisiológicas de una persona.

Debido a esta necesidad, el objetivo delproyecto es implementar un equipo portátilcapaz de adquirir y presentar los signos vitalesen un computador y en un LCD ubicado en elmódulo.

3. SIGNOS VITALES

3.1 La temperatura corporal. Es la medida delgrado de calor de un organismo, y es un factorde alta importancia en la determinación de lasupervivencia de los seres vivos.

Período Temperatura °[c]

Recién nacido 36.1 – 37.7

Lactante 37.2

Niño de 2 a 8 años 37.0

Adulto 36.0 – 37.0

Tabla 1 Valores de temperatura normal.

3.2 Pulso arterial. Representa el rendimientodel latido cardiaco, que es la cantidad de sangreque entra en las arterias con cada contracciónventricular, y proporciona información sobre elfuncionamiento de la válvula aórtica

EDADPULSACIONES POR

MINUTO

Recién nacido 120 – 170

Lactante menor 120 – 160

Lactante mayor 110 – 130

Niños de 2 a 4 años 100 – 120

Niños de 6 a 8 años 100 – 115

Adulto 60 – 100

Tabla 2 Valores de pulso arterial para diferentesedades

3.3 Presión Arterial. Es una medida de lapresión que ejerce la sangre sobre las paredesarteriales, en su impulso a través de lasarterias. Se considera dos tipos de presión: La presión sistólica, que es la presión de

la sangre debida a la contracción de losventrículos.

La presión diastólica, que es la presióncuando los ventrículos se relajan.

EDAD P. SISTÓLICA(mmHg)

P. DIASTÓLICA(mmHg)

2 años 78 – 112 48 – 78

8 años 85 – 114 52 – 85

12 años 95 – 135 58 – 88

Adultos 100 – 140 60 – 90

Tabla 3 Valores de presión sistólica y diastólicapara diferentes edades

3.4 El electrocardiograma (ECG). Es elregistro gráfico en función del tiempo, de lasvariaciones de potencial eléctrico (señalBioeléctrica), generadas por el conjunto decélulas cardiacas. Este procedimiento es elmás usado para el estudio del corazón, permiterealizar el análisis desde la superficie corporal,mediante el uso de electrodos colocados en losdos brazos y pierna derecha.

4. DESCRIPCIÓN DEL MÓDULO

La alimentación de energía para el módulo deadquisición es mediante baterías de 9V,encargadas de energizar al microcontrolador,sensores de presión, acondicionamiento delsensor de temperatura, amplificadoresoperacionales, microbomba y electroválvula.

Figura 1. Diagrama de bloques del módulo.

El equipo completo consta del módulo deadquisición y de un computador encargado delprocesamiento de las señales.

4.1 MEDICIÓN DE LA SEÑALELECTROCARDIOGRÁFICA

Figura 2. Diagrama de bloque de la adquisición delECG

La adquisición del ECG se realiza utilizandoelectrodos tipo ventosa, para asegurar lafijación de estos sobre la piel, evitando losartefactos.

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN.

Debido a que la magnitud de la señalbioeléctrica está entre 0.5mV y 4mV, se utilizael siguiente amplificador de instrumentación conuna ganancia de 1000.

Figura 3. Amplificador de instrumentación.

Al amplificador de Instrumentación ingresan dosseñales de modo común: una proveniente delos electrodos y otra del ruido inducido sobrelos cables de entrada al amplificador, con el usode los filtros se elimina esta última señal yluego se amplifica la señal emitida por elcorazón.

FILTROS ANALÓGICOS

Para evitar interferencias indeseables,provenientes del rizado del filtro, se emplea unfiltro máximamente plano, en este caso utilizaun filtro pasabanda de sexto orden deButterworth cuyas frecuencias de corte sonfCL= 0.05 HZ y fCH= 100Hz.

Figura 4. Filtro de Butterworth.

4.2 MEDICION DE LA PRESIÓN ARTERIAL

Para hallar el valor de presión arterial se utilizael método oscilométrico.

Figura 5. Diagrama de bloque de adquisición dela presión

MÉTODO OSCILOMÉTRICO

Este método consiste en ubicar sobre el brazodel paciente un brazalete con bolsa inflable, seinfla el brazalete ocluyendo la arteria radial pormedio de una microbomba de aire, hastaalcanzar una presión de 20 a 30 mmHg porencima de la presión sistólica de cadapaciente, garantizando la oclusión de la arteria.A continuación se deja escapar el aire, de talforma que aparecen unas pequeñasoscilaciones.

Figura 6. Método Oscilométrico.

A medida que la presión en el brazaletedisminuye la arteria trata de permitir el flujosanguíneo, y las oscilaciones comienzan aaumentar su amplitud, en ese momento seconsidera la presión arterial sistólica, lasoscilaciones continúan creciendo hasta alcanzarun máximo el cual corresponde a la presiónarterial media, luego comienza a disminuirrápidamente y se presenta la presión arterialdiastólica en el momento en que la arteriarecupera su flujo sanguíneo normal.

Los elementos que se utilizan son el manguito obanda elástica, la micro-bomba y electroválvula.

SENSOR DE PRESIÓN

Para adquirir la señal de presión generada en labolsa de aire, se utiliza el sensor de presiónMPX5050GP de Motorola, este transforma lasvibraciones de presión en una señal eléctricaproporcional, que es enviada al conversor A/Ddel PIC para luego transmitir a un computador.

Figura 7. Esquema recomendado por el fabricante.

La función de transferencia del sensor estádeterminada por la siguiente ecuación:

)*018.0*.*Pr)04.0018.0*5.7

( VsFactorTempErroressureP

VVout s

4.3 MEDICIÓN TEMPERATURA CORPORAL

El rango de temperatura a acondicionar es de34°C a 41°C, cuyo rango abarca la temperaturacorporal. Se selecciono un termistor que tienecomo características medir la temperaturacorporal.

Figura 8 Diagrama de bloque de la adquisición detemperatura.

TERMISTOR MA100GG103A NTC

El valor de la resistencia disminuye con elaumento de la temperatura, la resistencia

nominal de este NTC es de K10 a unatemperatura de 25ºC.

Este termistor fue diseñado exclusivamentepara aplicaciones de biomédica, mide unrango de 0°C a 50°C y la función detransferencia es la siguiente:

oTT

oT eRR

11

Donde:To: es la temperatura de referencia paranuestro termistor 25°CRo: es la resistencia a la temperatura dereferencia y es igual a 10000 . : es un parámetro conocido comotemperatura característica del material, y seconsidera constante dentro del margen detemperaturas en estudio.

El valor de se halla a partir del rango detemperatura T1-T2 con la siguiente expresión:

21

2

1

11

ln

TT

R

R

Para el acondicionamiento se utilizo una fuentede corriente alimentado por un regulador devoltaje ajustable LM317, la salida de esteregulador es ajustada a 7V, el uso de esteregulador facilita la calibración de la corrienteque circula por el termistor, la señal queingresa al microcontrolador es el voltaje quecae sobre el NTC.

Figura 10. Acondicionamiento del termistor.

4.5 TRANSMISIÓN INALÁMBRICA

La transmisión inalámbrica se realiza medianteel módulo de bluetooth ARF 32 compatible conlas comunicaciones full dúplex de 20 metros, la

banda de frecuencia es de 2.45 GHz, donde lavelocidad de transmisión llega hasta unavelocidad de 723 Kbps, tiene incorporada unaantena miniatura, la comunicación se realizamediante el puerto de datos UART. El voltajeque soporta es de 2.85V a 3.6V, de tal maneraque lo alimenta con 3.3V

Figura 11. Bluetooth ARF 32.

La conexión para la comunicación entre elmicrocontrolador y el PIC se indica en lasiguiente figura.

Figura 12. Conexión del Bluetooth

Se trabaja a una velocidad de 9600 bps,paridad ninguna, bit de parada igual a uno y concontrol de flujo por hardware.

4.6 ADQUISICIÓN DE LAS SEÑALES

La adquisición y discretización de las señalesse efectúa por medio del microcontrolador PIC16F873A, este se encarga de la conversión delas señales analógicas a digitales, para luegoenviar los datos inalámbricamente a lacomputadora, en donde se realiza elprocesamiento de cada una de las señales.

Para realizar el código fuente del programa delPIC se hace uso del software MikroBasic, demikroElektronika Basic compiler de MicrochipPIC microcontrollers, en donde se genera elarchivo en formato hexadecimal.

in ic io

C o n f ig u ra c ió n d ere g is t r o s

In ic ia l iz ó L C D

C o n f ig u ro A DO n b o m b aO f f v á lv u la

P re s e n ta c ió ne n L C D d e

in t r o d u c c ió n

E s p e roin ic io = 0 ?

n o

s i

E s p e ro d a to d e P Cn o

s i

D a to = 1

n o

s i

O n v á lv u laO f f b o m b a

P re s ió n = 2 2 0 ?s i

O f f b o m b aO n v á lv u la

E n v ío d a to s d ep re s ió n

D a to = 2 ?s i

n o

n o

D a to = 2

n o

C o n f ig u ro A DO f f b o m b aO f f v á lv u la

E n v ía d a to d ete m p e ra tu ra

s i

D a to = 3

n o

s i

D a to = 4n o

s i

R e c ib e d a to d ep u ls o

D a to = 5n o

s i

R e c ib e d a to e n te rod e te m p e ra tu ra

D a to = 6 n o

s i

R e c ib e d a to d e c im a ld e te m p e ra tu ra

D a to = 9

s i

C o n f ig u ro A DO f f b o m b aO f f v á lv u la

E n v ío d a to s d ep re s ió n

D a to = 0

s i

n o

n o

D a to = 7 n o

s i

R e c ib e d a to p re s ió ns is tó l ic a

D a to = 8 n os i

R e c ib e d a to p re s ió nd ia s tó l ic a

E s c r ib e d a top re s ió n d ia s tó l ic a

E s c r ib e d a top re s ió n s is tó l ic a

E s c r ib e d a tote m p e ra tu ra

E s c r ib e d a top u ls o

Figura13. Diagrama de flujo del programa delmicrocontrolador.

5. DESARROLLO DE LA INTERFAZGRÁFICA (HMI) EN LA PC

El procesamiento de las variables captadas serealiza mediante el uso de herramientas quebrinda el software de LabView, este softwareutiliza un entorno gráfico para la programación.En el HMI diseñado se indica cada uno de losvalores de los signos vitales, en el caso que losvalores medidos no se encuentren dentro delos rangos normales, este despliega mensajesindicando el estado en que se encuentra elpaciente,

Figura 14. Panel de Control.

A través del interfaz gráfico se presenta unmenú que brinda la opción de almacenar losvalores obtenidos y leer registros de valorespreviamente almacenados, se ofrece con el finde tener un respaldo de información en caso deque el auxiliar de la emergencia lo requiera.

5.1 VARIABLE DE PRESIÓN.

Se inicia el programa con la configuración delpuerto serial VISA con la velocidad de 9600baudios, 8 bits, con 1 bit de parada y sin bit deparidad. Luego del cual se envía un 1 parainiciar la recepción de los datos de presión. Lacantidad de muestras tomadas son de 1200estas muestras son almacenadas en un arrayde 1x1200.

Figura 15. Adquisición de datos de presión.

La señal obtenida de presión consta de dospartes: una oscilación de una amplitudaproximada de 1Hz sobre la otra señal depresión del brazalete ≤0,04Hz, por lo cual seemplea un filtro pasabanda en el rango de 0,5 a3 Hz con una frecuencia de muestreo de 30 Hz,como anteriormente se explicó.

Figura 16. Gráfica de presión a la entrada

La señal filtrada es la siguiente:

Figura 17. Gráfica de presión filtrada pulso índice.

Utilizando el SubVI Peak Detector se detectael primer valle y a partir de esta se toma 1200muestras para realizar el análisis, el número demuestras fue establecido porque a partir deeste valor la presión bordea las 10 mmHg, unvalor muy pequeño para los objetivosplanteados, por lo cual el número de muestrasmayor al valor establecido estarían en exceso.

Figura 18. Etapa de filtrado, toma de muestras yobtención del pulso.

Para obtener el valor y la dirección del picomáximo de la curva pulso índice, se utiliza unaregresión por el método de mínimos cuadradosaproximando la envolvente de la curva a unarecta. Dado que la curva es bastante irregular,la cantidad de picos antes del punto máximoson menores que la cantidad de picos despuésde este, se crea una curva antes del puntomáximo y otra después del punto máximo.Estas curvas son escaladas en referencia alvalor de entrada debido a la aproximación.Luego se busca el correspondiente para lapresión sistólica multiplicando el valor máximo

de la curva de la izquierda por el 50% y para lapresión diastólica se multiplica el valor máximode la curva de la derecha por 78%.

Figura 19. Etapa para obtención de presiónsistólica y diastólica.

5.2 VARIABLE DE TEMPERATURA

Para adquirir la señal de temperatura se envíaun 2 al microcontrolador, el dato de temperaturaes tratado en el computador utilizando laecuación no lineal del termistor.

Figura 20. Obtención y procesamiento de lavariable de temperatura.

5.3 VARIABLE DEL ECG

La recepción de los datos delelectrocardiograma se envía el número 9 con elcual el microcontrolador empezará a enviar losdatos, el programa realizar una etapa de filtradopara mejorar la calidad de la señal en funciónde las frecuencias antes mencionadas. Lacantidad de muestras adquiridas puedenvariarse dependiendo de la necesidad deloperario.

Figura 21. Etapa para tratamiento delelectrocardiograma.

Figura 22. Diagrama de flujo del interfaz gráfico.

CONCLUSIONES

El equipo de monitoreo diseñado se calibrapor software, hay diferentes métodosmatemáticos que se puede aplicar, seescogió el más adecuado justificado por losresultados de las pruebas técnicas yclínicas, pues fueron satisfactorios.

Se Adquirió y proceso la señalelectrocardiográfica (ECG) visualizándolaen el HMI realizado en LabView, esta señalpermite visualizar si existe alguna anomalíaen el corazón, las anomalías más comunesen atención prehospitalaria como arritmias,taquicardias y bradicardias.

La visualización del electrocardiograma esuna herramienta que permite valorar lasalteraciones electrocardiográficas, duranteel monitoreo de las variables fisiológicas enla atención prehospitalaria

El módulo está encaminado a latelemedicina, ya que consta de una PC elrealizar un interfaz con la WEB sería muysencillo y muy útil porque con esto elpersonal de los centros médicos sabríancual es el estado del paciente y cuál es eltratamiento que se le debe dar.

La versatilidad en la programación delproyecto permite adjuntar otras variablespara realizar un mejor trabajo en elmonitoreo de pacientes, variables como lasaturación de oxigeno, derivadasmonopolares del electrocardiograma, entreotras.

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BIOGRAFIA

Erazo, Juan Carlos. Nacióen Quito, el 13 de diciembrede 1982. Obtuvo su título deBachiller en Cienciasespecialización FísicoMatemáticas en el colegioparticular “Policía Nacional”,Sus estudios superiores losrealizó en la Escuela

Politécnica Nacional, obteniendo el titulo deIngeniero en Electrónica y Control. Actualmentepresta servicios en calidad de instructor deLaboratorio de Física en el departamento deFormación Básica.

Vicente Romero, Kleber.Nació en Quito, el 03 deagosto de 1982. Obtuvo sutítulo de Bachiller TécnicoIndustrial especialidadElectrónica en el Institutotecnológico Superior CentralTécnico, Sus estudiossuperiores los realizó en la

Escuela Politécnica Nacional, obteniendo eltitulo de Ingeniero en Electrónica y Control.Actualmente presta servicios en el ObservatorioAstronómico de Quito.

Robin Álvarez Rueda

Nacido en Cayambe, Ecuador, en 1969.Ingeniero en Telecomunicaciones, graduado dela Escuela Politécnica Nacional, Quito -Ecuador, 1995; M.Sc. en Telecomunicacionespor la Universidad de Cantabria, Santander -España, 2001; Ph.D en Telecomunicaciones porla Universidad Politécnica de Madrid-España,Enero-2006. Su interés desde hace seis añosestá en el campo de la bioingeniería.