DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN OXMETRO DE PULSO UTILIZANDO DAQ-6008 CON INTERFAZ EN LABVIEW

LA OXIMETRA DE PULSO La oximetra de pulso o pulsioximetra es la medicin de la cantidad de oxgeno transportado por la sangre hacia los tejidos y la cuantificacin del pulso o frecuencia cardiaca. En sentido qumico, la oximetra valora a la saturacin de oxgeno (SaO2), la cual expresa la cantidad de oxgeno que se combina con la hemoglobina para formar la oxihemoglobina, que es la molcula encargada de transportar el oxgeno hacia los diferentes tejidos y rganos. La oximetra de pulso es una tcnica no invasiva, (no requiere de la obtencin de una muestra de sangre por puncin de la arteria), realiza la medicin de forma continua y ptica, es decir, aplicando principios de espectrometra los cuales se explicarn mas adelante. Oxgeno y hemoglobina El oxgeno (O2) es un gas claro, sin olor, constituye el 21% de los gases del aire. Es esencial para producir la energa indispensable para el metabolismo. Mucho o poco O2 puede ocasionar enfermedad o la muerte, por lo que es importante cuantificar la cantidad de O2 en la sangre. La hemoglobina es una protena que contiene hierro y que le otorga el color rojo a la sangre. Se encuentra en los glbulos rojos y es la encargada del transporte de oxgeno por la sangre desde los pulmones a los tejidos. Est constituida por cuatro tomos de hierro (hem) y cuatro cadenas de polipptidos (globina). Cada tomo de hierro reacciona con una molcula de O2. Un gramo de hemoglobina transporta 1.34 mL de O2 aproximadamente. Si todos los tomos de hierro (hem) se enlazan con las molculas de O2, la hemoglobina se encuentra totalmente saturada (100%). La gran afinidad del hem por el O2 origina una saturacin muy cercana al total en la sangre arterial. En personas sanas comnmente la saturacin de oxgeno es mayor al 90%. Importancia de la saturacin de oxgeno SaO2 La importancia de la medicin de la Saturacin de Oxgeno radica en detectar a tiempo un caso de dficit de oxgeno en la sangre debido a que una persona no puede sobrevivir ms de 5 minutos sin el suministro de oxgeno al cerebro. La oximetra de pulso se utiliza en una gran variedad de situaciones que requieren monitoreo del estado del O2. Se emplea continua o intermitentemente. No sustituye a la determinacin de los gases arteriales, pero proporciona una indicacin temprana de la disminucin de la saturacin de oxihemoglobina antes de que se presenten signos clnicos de hipoxemia. La saturacin de oxgeno es un parmetro que permite al mdico detectar y analizar

1

enfermedades pulmonares y de insuficiencia respiratoria tales como: asma, atelectasia, neumona, neumonitis intersticial, tromboembolismo pulmonar, etc. Es una medida substancial en pacientes que han sufrido intoxicacin por cianuro, monxido de carbono, e incluso en aquellos que han tenido infartos y fallos cardiacos. Es muy til para evaluar la oxigenacin arterial de pacientes en los servicios ambulatorios, de tratamiento intensivo y de emergencia. Tambin permite analizar los resultados de la oxigenoterapia cuyo objetivo es mantener niveles de oxigenacin adecuados que eviten la hipoxia tisular. Valoracin de la saturacin de oxgeno La Saturacin de oxgeno (SaO2) se mide en porcentaje del total de oxgeno inspirado. El valor3 normal es mayor a 90% para adultos sin patologa pulmonar. Valores por debajo del 90% se asocian con situaciones patolgicas e insuficiencia respiratoria. En la monitorizacin continua se considera una desaturacin valorable cuando la SaO2 cae un 3% respecto a la SaO2 previa. La Tabla 1 muestra los valores de saturacin de oxgeno y la posible actuacin frente a ellos.

La oximetra de pulso se utiliza en una gran variedad de situaciones que requieren monitoreo del estado del O2. Se emplea continua o intermitentemente. En la Tabla 2 se muestra ciertas reas de la medicina en las que es muy til el uso de la oximetra de pulso.

2

Tabla 2 Oximetra de Pulso. Indicaciones clnicas.

LA FRECUENCIA CARDIACA El pulso o frecuencia cardiaca4 se define como las veces que el corazn realiza el ciclo completo de llenado y vaciado de sus cmaras en un determinado tiempo. La sangre es bombeada fuera del corazn a travs de tubos elsticos llamados arterias y es en ellas en las que las pulsaciones son palpables y hasta visibles, permitiendo la cuantificacin del ritmo (si el pulso es regular o no) y de la frecuencia cardiaca. Por comodidad el pulso se expresa siempre en contracciones por minuto, ya que cuando se toma manualmente lo que se nota es la contraccin del corazn (sstole), es decir cuando expulsa la sangre hacia el resto del cuerpo. Su control se realiza de una manera rpida y sencilla, y est en funcin de muchos aspectos que pueden ser internos, externos o patolgicos de un individuo, lo que hace que sea una medida de gran utilidad para los mdicos. El pulso rpido puede ser un signo de la presencia de una infeccin o deshidratacin. La medicin del pulso o frecuencia cardiaca tiene adems otros usos, durante el ejercicio o inmediatamente despus, puede suministrar informacin sobre el estado atltico y de salud de la persona. El oxmetro de pulso mide la frecuencia cardiaca de una manera ptica e indirecta, ya que la seal entregada por el sensor vara

3

de acuerdo a la cantidad de sangre presente en las arterias la cual es pulstil. El principio de funcionamiento se explicar detalladamente ms adelante. Valoracin de la frecuencia cardiaca La frecuencia cardiaca se mide comnmente como el nmero de latidos del corazn en un minuto. Normalmente, el corazn late entre 60 y 100 veces por minuto en adultos que estn en reposo. En las personas que gozan de buen estado fsico (aquellas que hacen ejercicio habitualmente) y las que toman medicamentos para reducir el ritmo cardaco, la frecuencia puede caer por debajo de 55 latidos por minuto. Si la frecuencia cardiaca es muy rpida (ms de 100 latidos por minuto), se denomina taquicardia (del griego tachs, rpido y karda, corazn), mientras que una frecuencia cardiaca inusualmente lenta se denomina bradicardia (del griego bradys, lento y karda, corazn). Cuando se siente un latido cardaco adicional se conoce como extrasstole. Factores que afectan a la frecuencia cardiaca Las pulsaciones de una persona en un momento dado dependen de varios grupos de variables5. En un grupo se podra clasificar a las variables que no dependen directamente del sujeto y en casi todos los casos son temporales y condicionales, como la temperatura, la altura o la calidad del aire, la hora del da o la edad del individuo, y como no mencionar a las enfermedades que de alguna u otra forma, alteran el ritmo cardiaco. En otro grupo las que son intrnsecas del sujeto impuestas por la gentica como la altura y el genero. Otro grupo que son condicionales y temporales pero de carcter psicolgico como el miedo, el amor, el estrs o el sueo. Y en un ltimo grupo las variables que son propiamente modificables por la persona, como son la actividad fsica que realiza, el tipo de actividad fsica, el tiempo que lleva realizando la actividad y la intensidad de esta. FCR: Frecuencia cardiaca en reposo Se obtiene inmediatamente despus de despertarse o bien, relajndose 5 minutos antes de la medicin. A continuacin se muestra en la Tabla 3, la frecuencia cardiaca en reposo6 de acuerdo a la edad. Tabla 3 Frecuencia cardiaca en reposo de acuerdo a la edad

4

Mediante el pulso en reposo se puede determinar aproximadamente el estado fsico de una persona, lo cual se muestra en la siguiente tabla: Tabla 4 Frecuencia Cardiaca en reposo de acuerdo a la condicin fsica

5

Medicin Manual de la frecuencia cardiaca Se decidi incluir ste sub-tema debido a que fue de vital importancia la medicin manual de la frecuencia cardiaca para el ptimo desarrollo y calibracin del proyecto. La palpacin del pulso puede realizarse sobre cualquier arteria superficial que se apoye en un plano relativamente consistente tal como lo muestra la Figura 1. Figura 1. Medicin manual del pulso arterial

Lo usual es que se efecte sobre la arteria Radial o en la arteria cartida. La arteria radial se ubica a nivel de la mueca, en el denominado "canal del pulso", colocando los dedos ndice y medio del explorador sobre el trayecto de la arteria. Como referencia, se localiza del lado del dedo pulgar, a nivel de la mueca, cerca del extremo externo del antebrazo. La arteria cartida se localiza en el cuello. La forma correcta de medicin del pulso en ella, se muestra en la Figura 2. Figura 2. Pulso en la arteria cartida

Relacin entre la saturacin de oxgeno y el pulso A lo largo del desarrollo de este captulo se ha podido constatar la importancia individual que tiene tanto la saturacin de Oxgeno como el pulso cardaco, y ms aun, es de vital inters la relacin que ellos tienen al momento de diagnosticar a un paciente, debido a que una disminucin en la cantidad de oxgeno en la sangre conlleva a un pulso cardiaco superior que compense dicho dficit, es por ello que resulta muy conveniente sensar conjuntamente estos dos parmetros facilitando de esta manera un diagnstico apropiado por parte del mdico.

6

LIMITACIONES DE LA OXIMETRA DE PULSO Debido a que la oximetra de pulso mide la saturacin de O2 y el pulso por mtodos espectrofotomtricos, existen factores que limitan su uso. Ciertas condiciones pueden resultar en lecturas no reales, incorrectas o poco informativas. A continuacin se describirn algunas de ellas. Por situaciones anormales o patolgicas Dishemoglobinemias: Otras molculas presentes en la sangre afectan la exactitud de los valores obtenidos. La presencia de hemoglobina disfuncional origina lecturas equivocadas. Cuando se crea que existan cantidades anormales de estas molculas se debe recurrir a la gasometra para obtener mediciones reales. Anemia: Causa disminucin del contenido de oxgeno arterial por reduccin del nmero de molculas de hemoglobina necesarias para el transporte de O2. Con una hemoglobina menor de 5 g/dL, el oxmetro muestra una saturacin alta. Sin embargo, hay hipoxemia debido a la disminucin de los niveles de hemoglobina y, por lo tanto, disminucin del contenido total de O2. Anemia de clulas falciformes: En este tipo de anemia, se alteran la forma y funcin de los eritrocitos. Generalmente hay hipoxemia moderada y la curva de disociacin de la oxihemoglobina se desva a la derecha, por lo que se presentan sobreestimaciones de la saturacin de O2 en el oxmetro. Vasoconstriccin e hipotermia: La vasoconstriccin secundaria a fro, choque, presin de pulso baja, habitualmente dificulta la deteccin de la SpO2 en los dedos, por disminucin de la perfusin tisular y falla en el registro de la seal. Arritmias cardiacas: La fibrilacin auricular causa perfusin irregular e inadecuada y mediciones de saturacin falsamente bajas. Hemoglobina fetal: La hemoglobina fetal (HbF) difiere de la hemoglobina del adulto en la secuencia de aminocidos. Esta diferencia no afecta las propiedades de absorcin de la luz. La lectura del oxmetro es la misma para la hemoglobina del adulto y la fetal (HbF). Carboxihemoglobina (COHb) y metahemoglobina (MetHb): estn contenidas en la sangre pero en pequeas proporciones, ambas absorben luz roja e infrarroja, lo que representa un problema si la concentracin de una u otra aumenta. La COHb absorbe muy poca luz en el rango del infrarrojo, mientras que en el rango de 660 nm absorbe tanta luz como la oxihemoglobina. Esto implica que, en caso de intoxicacin por monxido de carbono, en fumadores crnicos o contaminacin ambiental, en el oxmetro de pulso se obtiene una cifra de saturacin normal, que correspondera a la suma de la COHb ms la oxihemoglobina (HbO2), cuando en realidad la saturacin est por debajo de lo normal. Otra situacin semejante es la que se ocasiona por la presencia de MetHb. sta se puede encontrar despus del uso de anestsicos locales (prilocana, benzocana), sulfonamidas, nitroprusiato de sodio, antipaldicos, dapsone. La presencia de MetHb impide la reversibilidad de la unin con el O2 y dificulta la descarga de ste a los tejidos. La MetHb tiene una absorcin muy

7

similar a la desoxihemoglobina a 660 nm, mientras que a 940 nm su absorcin es mucho mayor que la de las otras hemoglobinas. Clnicamente, produce un oscurecimiento de la sangre, lo que provoca una medicin errnea en el oxmetro. Medidas falsamente bajas cuando la saturacin de O2 es superior a 85%, y falsamente altas cuando la saturacin est por debajo de 85%. Hipoperfusin: En estados de baja perfusin, tales como gasto cardiaco bajo, vasoconstriccin, hipotermia, hipovolemia, hipotensin severa, particularmente en pacientes crticos o de ciruga cardiaca, la lectura del oxmetro se dificulta. Micosis ungueales: Las micosis (hongos) superficiales de las uas de los dedos cambian la lectura del oxmetro de pulso. Se obtienen valores menores. Colorantes: El radio de absorcin puede ser afectado por cualquier sustancia presente en la sangre que absorba luz entre 660 y 940 nm. Los colorantes intravenosos son un buen ejemplo. El azul de metileno causa una cada de la SpO2 de aproximadamente un 60% durante uno o dos minutos. Otros colorantes, como el ndigo carmn y el verde de indocianina, alteran la lectura por un corto periodo. Por interferencias y factores externos Existe un nmero importante de interferencias a considerar cuando se usa el oxmetro de pulso. Las causas ms comunes incluyen: Movimiento: La causa ms frecuente de lecturas inadecuadas de SpO2 es el movimiento, en particular en neonatos. Afecta la habilidad de la luz para viajar de los diodos emisores de luz hacia el fotodetector. El parkinsonismo, las crisis convulsivas, los temblores, originan problemas con la deteccin de la saturacin con mediciones falsamente altas. Luz quirrgica: Si la luz ambiental es muy intensa o su frecuencia es similar a la de los LED, ocasiona interferencia con la medicin de la saturacin. La luz fluorescente y de xenn, causan lecturas bajas de SpO2. Se evita, si se cubre el sensor con un material opaco. Esmalte de uas: El esmalte oscuro (azul, negro y verde) altera con ms frecuencia las lecturas de la SpO2. Se recomienda remover el esmalte. Si no es posible, colocar el sensor en otra rea (lbulo de la oreja, dedo del pie o lateralmente en el dedo de la mano). Hiperpigmentacin de la piel: Lecturas bajas de SpO2 se pueden presentar con ms frecuencia en personas con piel oscura, debido probablemente a que la piel interfiere con la absorcin de las longitudes de onda. Posicin del sensor: Si la colocacin del sensor en el dedo o en el lbulo de la oreja es inadecuada, la cifra de SpO2 es falsamente baja, debido a que el sensor queda de lado y mide por una parte la superficie del dedo y, por otro lado, la luz que se transmite del medio ambiente. Se denomina efecto penumbra.

8

Contraindicaciones El oxmetro de pulso se utiliza ampliamente, por lo general sin mayores problemas. Sin embargo, durante la imagen por resonancia magntica (IRM) se requiere cuidado, ya que se pueden producir quemaduras de segundo y tercer grado debido a la interferencia con los cables y sensores conductivos del oxmetro. Existen oxmetros especficamente diseados para su utilizacin en IRM. La lesin tisular es otra complicacin que se presenta por el uso prolongado del sensor o por sensores defectuosos, e incluso isquemia y necrosis por compresin demasiada fuerte del sensor al dedo. FUNDAMENTOS DE LA OXIMETRA DE PULSO. Para medir la saturacin arterial de O2, los oxmetros de pulso combinan dos tcnicas ntimamente relacionadas a los fenmenos luminosos, como son la transmisin (espectrofotometra) y la recepcin (fotoplestimografa). La primera determina el porcentaje de hemoglobina oxigenada (HbO2) en la sangre y la segunda diferencia los vasos venosos de los arteriales. Los espectrofotmetros miden la saturacin de la hemoglobina dado que el color y la densidad ptica de esta molcula cambia de acuerdo a la cantidad de oxigeno que este unido a ella. La hemoglobina oxigenada aparece roja brillante, mientras que la hemoglobina sin oxigeno (Hb) aparece con un color azul oscuro. Por lo tanto, cada especie de hemoglobina tiene su propia curva caracterstica de absorcin. La Figura 3 muestra que la mayor diferencia en los espectros de absorcin entre los dos tipos de hemoglobina se da en el rango de los 660nm (frecuencia correspondiente al rojo). Por lo tanto cuando una luz roja es transmitida a travs de una muestra de sangre bien oxigenada (sangre roja brillante), una significante cantidad de luz pasa a travs de la hemoglobina. Por otro lado, si la sangre esta desoxigenada (azul oscuro), menor cantidad de luz atraviesa la molcula de hemoglobina. Figura 3. Caractersticas de absorcin de la hemoglobina oxigenada y la desoxigenada

9

Adems de la luz roja, los oxmetros de pulso usan una segunda longitud de onda para calcular la saturacin de O2. En la Figura 3 las lneas verticales (una a 660nm y otra a 940nm) representan las longitudes de onda que utilizan los diodos Leds de los sensores de Oximetra. La transmisin de la luz roja a travs de la sangre es dependiente del grado de saturacin de la hemoglobina, dependencia que no existe en el IR. Por lo tanto, una proporcin entre las intensidades transmitidas y detectadas entre el rojo e el IR puede ser calculada. sta relacin es la que utiliza el oxmetro de pulso para establecer un valor de O2 saturado. En la Figura 4 se puede observar esta relacin de proporcin. Figura 4. Relacin entre la luz roja e IR con su correspondiente valor de SaO2

La fotoplestimografa utiliza la reflexin o la transmisin de la luz a travs de los tejidos vasculares para poder medir la presin arterial de las ondas generadas por el ciclo cardaco. El principio bsico es que si una constante cantidad de luz es transmitida a travs de un lecho vascular pulsante, entonces mayor cantidad de luz ser transmitida por el lecho cuando las arterias estn casi vacas (distole cardiaca) que cuando las arteriolas estn prcticamente llenas (sstole cardiaca). El llenado y vaciado de las arteriolas afecta el paso de la luz transmitida lo cual causa que la intensidad de la luz recibida fluctu. La parte fluctuante de la intensidad de luz recibida es definida como una seal de corriente alterna. Adicionalmente, existen otros potenciales modificadores de la luz transmitida, como son el propio tejido, la sangre venosa, como as tambin una porcin de la sangre arterial. Sin embargo, dado que estas sustancias absorben una cantidad constante de la luz transmitida, su influencia sobre la transmisin y recepcin de la seal luminosa hace que esta sea una seal esttica (Ver Figura 5). Esta porcin esttica es llamada corriente directa. Por lo tanto, aislando la seal pulstil de la porcin de la luz absorbida y midiendo por espectrofotometra la unin del O2 a la hemoglobina durante este tiempo, esta informacin presenta una buena correlacin con la saturacin de O2 arterial.

10

Figura 5. Componentes dinmicos y estticos que afectan la absorcin de la luz

Un tpico oxmetro de pulso, posee una configuracin de un led emitiendo en el rojo y un led emitiendo en el IR; los cuales son colocados del mismo lado del sitio a monitorear. Un fotorreceptor es posicionado en el lado opuesto. El principal requerimiento de dichos sensores es que el sitio a monitorear no tenga mucho espesor para que no existan problemas en el paso de la luz. Por esto, normalmente estos dispositivos se ubican en las orejas y dedos de la mano (ver Figura 6.). Figura 6. Sensor de Oximetra con dos emisores y un receptor

Las longitudes de onda a las que emiten los leds pueden tener alguna pequea variacin dependiendo del fabricante, tal como se muestra en la Tabla 5, pero son generalmente de este orden, el rojo est en el rango 630 660nm y el infrarrojo 800 a 900nm. Tabla 5. Caractersticas del sensor segn el fabricante

En algunas ocasiones se utilizan LEDs lser como emisores debido a su precisin en el espectro de emisin, dado que a longitudes de onda cercanas a las utilizadas hay otras sustancias en la sangre que cambian su emisin.

11