INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA

BIOINSTRUMENTACIÓN IV LABORATORIO

Práctica 7

MEDICIÓN DEL PULSO CARDIACO DE FORMA TELEMÉTRICA

Elaborado por:

García Chamé Miguel Ángel

Equipo 4

7MV2

Profesores:

Dr. Cabrera Llanos Agustín Ignacio M. en C. Rigoberto Garibay Sánchez

Diciembre de 2013

INTRODUCCIÓN La frecuencia cardíaca o pulso cardiaco es el número de latidos por unidad de tiempo y por lo general se expresa en pulsaciones por minuto (ppm). En los adultos, un corazón normal late aproximadamente 60 a 100 veces por minuto durante el reposo. La frecuencia cardíaca en reposo está directamente relacionado con la salud y la aptitud de una persona y por lo tanto es importante conocer estas condiciones. Se puede medir el ritmo cardíaco en cualquier lugar del cuerpo donde se puede sentir un pulso con los dedos. Los lugares más comunes son la muñeca, el cuello y el lóbulo de la oreja. Se puede contar el número de pulsos dentro de un determinado intervalo (digamos 15 segundos) y fácilmente determinar la frecuencia cardíaca en latidos por minuto . Este proyecto describe un sistema de medición del pulso cardíaco de forma inalámbrica basado en Arduino, MyDAQ y Xbee que utiliza sensores ópticos para medir el cambio en el volumen de sangre en el lóbulo de la oreja con cada latido del corazón. La unidad de sensor consiste de un diodo emisor de luz infrarroja (IR LED) y un fotodiodo. El diodo de IR transmite una luz infrarroja al lóbulo de la oreja, y el fotodiodo detecta la porción de la luz que se refleja de vuelta . La intensidad de la luz reflejada depende del volumen de sangre dentro del lóbulo. Así, cada latido del corazón altera ligeramente la cantidad de luz infrarroja reflejada que puede ser detectada por el fotodiodo. Con un acondicionamiento de señal adecuada , este pequeño cambio en la amplitud de la luz reflejada se puede convertir en un pulso. Los pulsos pueden ser más tarde contadas por MyDAQ para determinar la frecuencia cardíaca . OBJETIVO GENERAL

v Medir el pulso cardiaco de forma inalámbrica. METODOLOGÍA El sensor utilizado (PulseSensor®) se compone de un LED que transmite una señal de luz a 540 nm (longitud de onda en la que las células sanguíneas absorben mejor la luz) a través del lóbulo de la oreja, una parte de la cual es reflejada por las células de la sangre. La señal reflejada es detectada al sensor por un fotodiodo. El cambio del volumen de sangre debida a los latidos del corazón resulta en un tren de pulsos en la salida del fotodiodo. El sensor cuenta con un amplificador operacional para incrementar y filtrar la señal a nivel de voltaje adecuado para que los pulsos se puedan leer por un microcontrolador, como lo es Arduino UNO. El sensor tiene las siguientes características: Diámetro = 16 mm Espesor total =~ 3 mm Longitud del cable = 24"

Voltaje = 3V a 5V Consumo de corriente =~ 4 mA a 5V

a)

b)

c)

Figura 1. a) Sensor PulseSensor® en su vista anterior (diodo emisor y receptor) y vista posterior (circuito de acondicionamiento de señal con amplificador operacional de ganancia y filtro). b) Esquemático electrónico del sensor PulseSensor®: en color rosa (izquierda) se indica la

conexión del emisor y receptor, en color verde (derecha) se señala el amplificador operacional en configuración de filtro pasa bajas con ganancia.

c) Acoplamiento de un clip para colocar el sensor PulseSensor® en el lóbulo de la oreja.

Emisor y Receptor

Amplificador operacional de ganancia y filtro pasa bajas

Dentro de las características más especiales que tiene este sensor es que añade diodo de protección en la línea eléctrica, por lo que no pasa nada si lo conectamos al revés. Además agrega un filtro activo para hacer la forma de onda de pulso más fácil de analizar pues la señal de salida no fluctúa en ninguna señal de DC. El filtro y el amplificador para aumenta la amplitud del pulso y normaliza la señal alrededor de un punto de referencia. Por ejemplo cuando el sensor no está en contacto con el lóbulo de la oreja u otras partes, la señal analógica se cierne en torno al punto medio de la tensión, V/2. Sin embargo, cuando el sensor está en contacto con el lóbulo de la oreja, u otra parte, el cambio en la luz reflejada cuando bombea la sangre a través de los tejidos hace que la señal fluctúe en torno al punto de referencia V/2. Un microcontrolador, como es Arduino, observa la señal analógica del sensor y mande un pulso digital cuando la señal se eleva por encima del punto de referencia. Este punto es importante porque es el momento en donde entra sangre a los capilares. Programación de Arduino UNO Utilizamos la plataforma de Arduino UNO para realizar el procesamiento de la señal proveniente de PulseSensor®. Porque es una plataforma muy versátil que nos provee de la fuente de alimentación para el sensor.

Figura 2. Conexión dePulseSensor a la plataforma de Arduino. El cable morado es la señal

proveniente del sensor. El cable rojo y negro corresponden a la alimentación del sensor 5V y tierra, respectivamente.

Se creó un programa en Arduino que sigue la lógica de programación que se muestra en la figura 3. a)

b)

Figura 4. a) Diagrama de flujo del programa para leer señal proveniente del PulseSensor® para

Arduino UNO. b) Programa desarrollado para Arduino UNO que procesa la señal que procede del sensor de pulso cardiaco, lo compara con un valor de referencia y si la señal supera ese valor de

referencia, envía un pulso digital a través del puerto 13. Conexión de Xbee’s para comunicación inalámbrica La opción de configuración de cable virtual se los xbee’s se utiliza para crear un canal de comunicación de manera transparente entre los pines de un módulo de Xbee y otro. Cada pin de entrada tiene su propio pin de salida ya definido entre nodos, esto permite una forma totalmente simple de enviar información, controlar o medir de manera sencilla y rápida, sin necesidad de complicadas configuraciones. Para programar el xbee receptor debemos:

• Conectar el xbee a una base Explorer USB y conectarlo a la computadora.

• Abrir el programador X-CTU una vez conectado el xbee. • Darle click en lectura, ir a terminal y configurar lo siguiente:

Función Comando Parámetro PAN ID ATID 3002 (cualquier dirección de 0 a FFFF es válida) MY Address ATMY 4 Configuración Pin I/O ATDO 5 (salida digital, alto en inicio, pin 20) Dirección I/O de entrada ATIA 3 (dirección del radio transmisor) Velocidad de muestreo ATBR 7 (115,200 bauds/s) Escribir a memoria ATWR N/A (guardar los valores a la memoria)

Para programar el xbee emisor debemos: • Conectar el xbee a una base Explorer USB y conectarlo a la

computadora. • Abrir el programador X-CTU una vez conectado el xbee. • Darle click en lectura, ir a terminal y configurar lo siguiente:

Función Comando Parámetro PAN ID ATID 3002 (cualquier dirección de 0 a FFFF es válida) MY Address ATMY 3 Dirección de destino alto ATDH 0 (indica transmisión a dirección de 16-bits) Dirección de destino bajo ATDL 4 (dirección del radio receptor) Configuración Pin I/O ATD0 3 (entrada digital, pin 20) Tasa de muestreo ATIR 5 (5 ms) Resistencias de entrada ATPR 0 (desactivar resistencia internas de los pines) Velocidad de muestreo ATBR 7 (115,200 bauds/s) Escribir a memoria ATWR N/A (guardar los valores a la memoria) Encontramos que una velocidad de muestreo de 115,200 trabajaba mejor. Las velocidades altas son mejores para medir a mayor velocidad. Configuramos ambos xbees a esta velocidad de transmisión con el comando ATBD7. La tabla 1 muestra cómo las terminales de cada xbee (receptor y emisor) deben quedar al finalizar la programación. Tabla 1. Comandos de programación para las terminales de cada xbee.

Xbee emisor Xbee receptor +++ OK ATID 3002 OK ATMY 3 OK ATDH 0 OK ATDL 4 OK ATD0 3 OK ATIR 5 OK ATPR 0 OK ATBD 7 OK ATWR OK

+++ OK ATID 3002 OK ATMY 4 OK ATD0 5 OK ATIA 3 OK ATBD 7 OK ATWR OK

Conexión final del Xbee emisor con Arduino y PulseSensor® Se empleó la fuente de 3.3V de Arduino para alimentar al Xbee. Como este último no puede enviar pulsos digitales a más de 3.3V, limitamos el voltaje de salida del pin13 de Arduino a este valor. Para ello utilizamos una resistencia de 1.5k ohms en serie con un diodo zener de 3.1V a 1/2W (Figura 5). La señal de salida de Arduino se enviará a través del pin 20 del Xbee emisor (consultar programación de los módulos).

Figura 5. Diagrama de conexión del Xbee para poder enviar el pulso correspondiente a la

frecuencia cardiaca. Se conectó una resistencia en serie con un diodo zener de 3.3V de trabajo para limitar el voltaje de salida del pin 13 de Arduino UNO.

Conexión de Xbee receptor con MyDAQ y computador Ya se ha descrito la programación del Xbee como receptor. En esta sección se conecta el Xbee receptor con dos pilas AA que arrojan un voltaje a 3V, suficiente para encender el modulo receptor. La salida del Xbee receptor estará en su pin 20 (consultar programación de los módulos). Esta salida se conecta a los canales de lectura analógico de MyDAQ para llevar a cabo el procesamiento de la señal con LabView.

Figura 6. Conexión del Xbee receptor con MyDAQ. El pin 20 del Xbee se conecta a los canales de

lectura analógica del MyDAQ, para su procesamiento en LabView. Programación en LabView. Dentro del programa de LabView se configura el asistente de MyDAD para indicar que se medirá frecuencia en el canal analógico. En esta sección se debe especificar los límites máximo y mínimo en los que se leerá la frecuencia. Posterior a la configuración del asistente, se obtiene la frecuencia por cada segundo. Este valor lo multiplicamos por 60 para obtener las pulsaciones por cada minuto del sujeto en estudio. Por último colocamos un retaso en el tiempo para que las mediciones las realice cada 4 segundos.

Diodo zener 3.3V

Figura 7. Dentro del programa de LabView se a) configura el asistente de MyDAQ para indicar que se medirá frecuencia en el canal analógico. Posterior a la configuración del asistente, se obtiene la frecuencia por cada segundo. Este valor lo multiplicamos por d) 60 para obtener las pulsaciones por cada minuto del sujeto en estudio. Por último colocamos un b) retaso en el tiempo para que

las mediciones las realice cada 4 segundos. Todo le programa se encuentra dentro de un c) ciclo while que dura mientras no se oprime el botón de stop.

Figura 8. Configuración del asistente de MyDAQ para indicar que se medirá frecuencia en el canal analógico. En esta sección se debe especificar los límites máximo y mínimo en los que se leerá la

frecuencia.

Figura 9. Interfaz de visualización del usuario donde se despliega el valor de la frecuencia de los

pulsos cardiacos así como los pulsos que existen por minuto. Resultados y discusión La figura 10 muestra la señal de salida del sensor de PulseSensor®, cada elevación de la señal indica que hubo entrada de sangre a los capilares del lóbulo de la oreja. Así mismo se observa la sincronización del pulso digital que es enviado por Arduino UNO una vez que ha leído y procesado la señal que lee del PulseSensor®.

Figura 10. Señal de salida de PulseSensor®, cada elevación de la señal indica que hubo entrada de sangre a los capilares del lóbulo de la oreja. Así mismo se observa el pulso digital de salida por

Arduino UNO una vez que ha leído y procesado la señal que lee del PulseSensor®.

Se realizó la monitorización del pulso cardiaco de una individuo masculino de 23 años de edad durante el reposo y en actividad física. Los resultados se muestran en la figura 11.

Figura 11. Mediciones de los pulsos por minuto durante 64 segundos. En los que durante los primeros 20 segundos el individuo está en reposo y en los siguiente segundos se efectúa una

actividad física (5 sentadillas rápidas) en las que se aprecia un aumento de los pulsos por minutos para después normalizarse en los últimos segundos. Cada intervalo en el eje de las abscisas

representa un intervalo de 4 segundos. La frecuencia cardiaca normal va de 60 a 80 pulsos por minuto cuando nos encontramos en reposo. Sin embargo, cuando existe alguna actividad física como el ejercicio, la frecuencia cardiaca aumenta por arriba de 100 pulsos por minuto debido al incremento en la demanda de oxígeno de los tejidos. El sensor de pulso utilizado es esencialmente un fotopletismógrafo (FPG), que es un dispositivo médico conocido utilizado para el monitoreo de la frecuencia cardíaca no invasiva. La señal de voltaje analógica de pulso del corazón que sale de un FPT tiene una forma de onda predecible (figura 12).

Figura 12. Señal característica de la plestismografía.

Cuando el corazón bombea sangre a través del cuerpo, con cada latido hay una onda de pulso que se desplaza a lo largo de todas las arterias hasta los extremos del tejido capilar, en donde se coloca el sensor de pulso. En la onda características (figura 12) existe un aumento rápido hacia arriba en valor de la señal se produce cuando la onda de pulso pasa por debajo del sensor, a continuación, la señal cae de nuevo hacia abajo, hacia el punto normal. Dado que la onda se repite y es previsible, se podría elegir casi cualquier característica reconocible como un punto de referencia, por ejemplo el pico. Conclusiones El pulso cardiaco es un signo vital que puede medirse de forma no invasiva utilizando un diodo emisor y receptor debido a las características de reflexión que tiene la sangre hacia la luz. Los aumentos de sangre debido al bombeo del corazón ocasionan una onda continua característica que puede ser medida y procesada para su cuantificación. Los pulsos por minuto normales de un individuo oscilan entre 60 a 80; sin embargo, el pulso cardiaco se ve afectado por esfuerzo del paciente, aumentando su valor por encima de los 100 pulsos por minuto. Si bien en la programación para la lectura de los pulso por minuto se utilizó una función predeterminada para la medición de la frecuencia, es posible realizar un conteo de pulsos mediante variables booleanas para cuantificar la frecuencia. Por otro lado la transmisión de la señal vía inalámbrica no presenta mayor complicación porque se envía un pulso digital. Lo que debe enfatizarse es que el pulso debe ser limitado a un voltaje que no supere los 3.3V para que el Xbee no se dañe. La calidad del sensor PulseSensor® es importante porque la señal que arroja no sebe ser sensible a la luz ambiental que pudiera causar interferencia en la medición, además debe trabajar en la longitud de onda donde la sangre interacciona mejor con la luz visible (540 nm). El sensor PulseSensor® cumple además con la característica de integrar un sistema de filtrado y amplificado para acondicionar la señal a un nivel de voltaje adecuado que pueda ser procesado por un microcontrolador como Arduino UNO, sin tener fluctuaciones que afecten la medición. Referencias http://thorax.bmj.com/content/54/5/452.full http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1763783/pdf/v054p00452.pdf http://lcp.mit.edu/pdf/DeshmaneThesis09.pdf

http://www.somnomedics.eu/fileadmin/SOMNOmedics/Dokumente/article_Gesche_et_al_-_Continuous_BP_Measurement_by_using_the_PTT_Comparison_to_cuff_based_method.pdf http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8586120 http://erj.ersjournals.com/content/8/10/1669.long http://www.hoc.kit.edu/downloads/PTT_for_stress-measurement_final_2.pdf