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MONITOR DE SIGNOS VITALES PORTATIL
JOSÉ FERNANDO PARRA PARRA WILLIAM MAYOR ROJAS
UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA CALI FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA CALI, VALLE DEL CAUCA
2011
2
MONITOR DE SIGNOS VITALES PORTATIL
JOSÉ FERNANDO PARRA PARRA WILLIAM MAYOR ROJAS
Trabajo de Grado para obtener el título de Ingeniero Electrónico
Director Carlos Porras Gutiérrez
Ingeniero Electrónico
UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA CALI FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA CALI, VALLE DEL CAUCA
2011
3
Nota de Aceptación
__________________________ __________________________ __________________________ __________________________
_____________________________________ Jurado: Ing. EDGAR GIRALDO O.
____________________________________ Jurado: Ing. LUIS E. SANCHEZ R.
____________________________________ Director: Ing. CARLOS PORRAS G.
Santiago de Cali, Junio 2 del 2011.
4
TABLA DE CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCION...................................................................................................14
1. MARCO TEORICO ............................................................................................16
1.1 SIGNOS VITALES ...........................................................................................16
1.2 FISIOLOGIA DEL SISTEMA CARDIOVASCULAR..........................................16
1.2.1 Morfología externa. .......................................................................................16
1.2.2 Morfología interna. ........................................................................................17
1.3 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA CARDIOVASCULAR..............................18
1.3.1 Diástole (Primera fase). ................................................................................18
1.3.2 Sístole (Segunda fase)..................................................................................19
1.4 ELECTROFISIOLOGIA CARDIACA ................................................................21
1.5 FRECUENCIA CARDIACA ..............................................................................23
1.6 TECNICAS DE MONITOREO..........................................................................24
1.6.1 Medición del Pulso........................................................................................24
1.6.2 Electrocardiograma (ECG)............................................................................27
1.6.3 Electrodos. ....................................................................................................28
1.7 FISIOLOGIA DEL SISTEMA RESPIRATORIO ................................................29
5
1.7.1 Estructura del sistema respiratorio................................................................29
1.8 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA RESPIRATORIO....................................31
1.8.1 Mecánica de la ventilación pulmonar. ...........................................................32
1.8.2 Mecánica de la respiración externa...............................................................33
1.8.3 Mecánica de la respiración interna................................................................34
1.9 FRECUENCIA RESPIRATORIA: .....................................................................34
1.10 TECNICAS DE MONITOREO DE LA RESPIRACION...................................35
1.10.1 Espirometría................................................................................................35
1.10.2 Pletismografía corporal. ..............................................................................36
1.10.3 Impedancia Transtorácica...........................................................................36
1.11 BASES FISICAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES RESPIRATORIAS
...............................................................................................................................37
1.12 FISIOLOGIA DE LA TEMPERATURA ...........................................................39
1.12.1 FACTORES QUE AFECTAN LA TEMPERATURA CORPORAL................40
1.13 MEDICION DE LA TEMPERATURA CORPORAL.........................................42
1.14 SENSORES PARA MEDICION DE TEMPERATURA:..................................43
1.14.2 Termo resistores. ........................................................................................44
1.14.3 Termo sensores. .........................................................................................44
1.15 FUENTES DE ERROR DE LOS SENSORES ..............................................45
6
1.16 CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD........................................................46
1.17 TIPOS DE ACCIDENTES ELÉCTRICOS ......................................................47
1.18 ACTORES QUE INTERVIENEN EN EL RIESGO DE ELECTROCUCIÓN....48
1.19 EFECTOS FÍSICOS DEL CHOQUE ELÉCTRICO.........................................49
2. MODELO TEÓRICO ..........................................................................................55
2.1 FRECUENCIA CARDIACA ..............................................................................55
2.2 FRECUENCIA RESPIRATORIA ......................................................................57
2.3 TEMPERATURA CORPORAL.........................................................................58
2.4 CIRCUITO ACONDICIONADOR DE SEÑAL...................................................58
2.5 PROCESAMIENTO DE LAS SEÑALES ..........................................................59
2.6 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA ...................................................................59
2.7 SOFTWARE.....................................................................................................60
3. DESARROLLO DEL MODELO TEORICO.........................................................62
3.1 FRECUENCIA CARDIACA ..............................................................................62
3.1.1 Adquisición de la señal. ................................................................................63
3.1.2 Adecuación de la señal .................................................................................64
3.1.3 Amplificador de instrumentación. ..................................................................65
3.1.4 Filtro pasa banda. .........................................................................................65
3.1.5 Conformador de Onda. ...............................................................................68
7
3.2 FRECUENCIA RESPIRATORIA ......................................................................69
3.2.1 Oscilador.......................................................................................................70
3.2.2 Filtro Pasa Alto pasivo. .................................................................................71
3.2.3 Detector de Envolvente.................................................................................72
3.2.4 Filtro activo pasabanda 0.1 a 0.7 hz .........................................................72
3.2.4.1 Filtro pasa altas 0.1 hz. Filtro activo de 2º orden tipo butehrworth.............73
3.2.4.2 Filtro pasa bajas 0.7 Hz. ............................................................................74
3.2.5 Conformador de Onda. .................................................................................74
3.3 ETAPA DE MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA .............................................75
3.4 PROCESAMIENTO DE SEÑAL……………………………………………………76
3.4.1 Etapa de recepción………………………………………………….. .................78
3.5 ETAPA DE PROTECCIÓN DEL PIC……………..…………………………. .......80
3.6 CONSTRUCCIÓN DEL PROGRAMA ASSEMBLER EN EL PIC………………81
3.6.1ESTRUCTURA DE LA TRAMA DE TRANSMISIÓN USART (PIC16F873) – DI
(XBEE - TX) ...........................................................................................................82
3.7 PLATAFORMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y VISUALIZACIÓN ..............83
3.8 VISUAL C#.....................................................................................................84
3.9 CONTROL DE COMUNICACIONES MSCOMM……………………………….. .84
3.10 ESQUEMA DEL PROGRAMA……………………………………………...........86
8
3.11 PROGRAMA DE INSTALACIÓN…………………………………………………87
CONCLUSIONES ..................................................................................................88
GLOSARIO ............................................................................................................90
ANEXO A ...............................................................................................................94
ANEXO B ...............................................................................................................95
ANEXO C...............................................................................................................96
ANEXO D...............................................................................................................97
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................100
9
LISTA DE TABLAS
Pág.
1. Valores Normales de Frecuencia Cardiaca 24
En reposo y en ejercicio.
2. Valores de Frecuencia Cardiaca de acuerdo a la edad 26
3. Efectos del Choque Eléctrico 48
10
LISTA DE FIGURAS
Pág.
1.1 Ubicación del Corazón 17
1.2 Diástole 19
1.3 Sístole 20
1.4 Iones y cargas negativas en el corazón 21
1.5 Electrocardiograma 27
1.6 Colocación de los electrodos en el ECG 28
1.7 Clases de electrodos 29
1.8 Vías Respiratorias 31
1.9 Contracción y Expansión de la caja torácica 33
1.10 Respiración Externa 33
1.11 Respiración Interna 34
1.12 Espirómetro 35
1.13 Diagrama que muestra Respiraciones 36
1.14 Escalas de medición de la temperatura 39
2.1 Ilustración triangulo de Eindhoven. 56
2.2 Proceso de expansión y contracción del abdomen 58
11
2.3 Esquema para la obtención transmisión y recepción de las
Señales biomédicas 61
3.1 Diagrama de bloques frecuencia cardiaca 63
3.2 Posición del sistema hombre-instrumento 64
3.3 Red de adecuación señal cardiaca 64
3.4 Ganancia del amplificador de instrumentación 65
3.5 Esquema filtro pasa baja 66
3.6 Esquema filtro pasa alta 66
3.7 Filtro activo pasa baja de 3 Hz 67
3.9 Conformador de Onda frecuencia cardiaca 68
3.10 Diagrama de bloques sistema respiratorio 69
3.11 Oscilador sinusoidal puente de Wien 70
3.12 Esquema filtro pasivo pasa alta 71
3.13 Esquema amplificador operacional, detector y filtro 72
3.14 Filtro pasa alta de 0.3 Hz 73
3.15 Filtro pasa bajas de 0.7 Hz 74
3.16 Conformador de Onda Frecuencia Respiratoria 75
3.17 Conexión LM 35 – PIC 76
12
3.18 Diagrama de bloques Procesamiento de la señal 77
3.19 Conexiones USART 79
3.20 Protección del PIC 80
3.21 Diagrama de flujo programación en Assembler 81
3.22 Diagrama adquisición de datos 83
3.23 Plataforma de visualización de datos 86
13
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a todos aquellos que nos han apoyado desde el momento que
decidiéramos comenzar éste gran objetivo y que hoy se convierte en una meta
alcanzada.
José Fernando Parra Parra
A mi esposa Marcela Rosas Morillo, mis hijos Juliana Sofía y Juan José, mis
Padres, Mercedes Parra y Sigifredo Parra, por su gran amor, apoyo
incondicional y paciencia.
A mi director de proyecto, Ing. Carlos Porras Gutierrez por su gran apoyo,
aporte, guía y paciencia para el desarrollo de éste proyecto. A mi compañero
William, por su disposición para el trabajo en equipo. A los profesores y la
universidad por su formación y ejemplo. A mis amigos por su motivación y
apoyo en todas mis decisiones.
William Mayor Rojas
Agradezco a todas las personas que estuvieron a mi lado en el transcurso de
ésta etapa de mi vida. A mis padres Nelson Mayor, Gilma Rojas que siempre
me brindaron su apoyo y quisieron formar de mi un gran profesional, a mi
hermano Nelson Eduardo Mayor que siempre me mostró el lado agradable de
las cosas, a mi novia Sara García que me apoyó a pesar del tiempo que deje
de dedicarle, a mis amigos que me apoyaron en cualquier decisión buena o
mala que tome en todo el transcurso de mi carrera, a mi compañero y mi
director de proyecto de grado por haber formado un buen equipo de trabajo, a
los profesores que me brindaron el conocimiento necesario para culminar mi
carrera y por ultimo a la universidad por abrirme las puertas y hacer de mi un
buen profesional.
14
INTRODUCCION
Los signos vitales son las señales que nos revelan el estado actual del organismo.
Cuando una persona desarrolla una actividad física por salud, recomendación
médica, deporte, o preparación para una competencia, ya sea en un espacio al
aire libre ó cerrado, el seguimiento de estos signos se complica ya que
normalmente los equipos destinados para estas tareas son difíciles de transportar,
útiles para un usuario a la vez, muy costosos y actualmente se deben importar.
El presente proyecto desarrolla un sistema que captura e interpreta los signos
vitales de los seres humanos, representándolos de forma numérica al especialista
y/o al usuario monitor, para que este pueda a través de una aplicación en el
computador ver el estado de los signos vitales del usuario portador y así tomar
una decisión importante a tiempo.
La temperatura, respiración y el pulso son fenómenos o manifestaciones objetivas
que se pueden percibir y medir en un organismo vivo de forma constante, la toma
de estos signos debe basarse en mediciones confiables y objetivas, cualquiera
que sea el método de medición utilizado, su precisión, exactitud y confiabilidad
deben ser lo más altos posibles. En la actualidad para la medición individual de
cada uno de los signos se necesita un instrumento, debido a esto el proceso de
revisión médica del paciente o individuo puede volverse complejo, como propuesta
para facilitar este proceso se presenta el sistema monitor de signos vitales portátil
el cual automatiza y facilita el proceso de medida, mostrando los valores en tiempo
real y agrupando todas las mediciones en un solo diagnostico de una manera
automática y segura.
Con éste proyecto se busca optimizar el proceso de monitorización de una o
varias personas al mismo tiempo, en ambientes cerrados o al aire libre sin
restricciones de movimiento, censando Frecuencia cardiaca, Frecuencia
respiratoria y Temperatura corporal en tiempo real; además de portabilidad,
confiabilidad e inmediatez en los datos recolectados, bajo costo, compacto, que
sea de fácil manejo y oportuno a la hora de necesitar un mantenimiento.
15
Para esto es necesario en el desarrollo del documento presentar la información
suficiente acerca de la fisiología del cuerpo humano directamente involucrada en
el tema, la tecnología a utilizar en el proyecto y por ultimo desarrollar un diseño
que además de medir y mostrar los signos vitales en tiempo real se diferencie con
respecto a los equipos de este tipo disponibles en el mercado.
16
1. MARCO TEORICO
1.1 SIGNOS VITALES
Son mediciones de las funciones más básicas del cuerpo. Los signos principales
que los médicos y los profesionales de la salud monitorizan de forma rutinaria son
los siguientes:
El pulso.
Las respiraciones (la frecuencia respiratoria)
La temperatura del cuerpo
La monitorización de los signos es muy útil para detectar problemas de salud,
estos se pueden medir en un establecimiento médico, en casa o en el lugar en el
que se produzca una urgencia1.
1.2 FISIOLOGIA DEL SISTEMA CARDIOVASCULAR
1.2.1 Morfología externa. Está ubicado en la cavidad torácica, entre los dos
pulmones e inmediatamente retro- esternal es decir, tiene por delante el esternón
1 Rosales barrera Susana, Fundamentos de enfermería. México: Editorial Manuel
Moderno, 2004, fc. Julio de 2009.
17
y los cartílagos costales de la tercera, cuarta y quinta costillas, derechas e
izquierdas.
Está recubierto externamente por dos hojas de tejido seroso, llamadas Pericardio
y sostenido desde su parte superior por los grandes troncos arteriales y venosos
que forman su pedículo vascular (conformado por 2 arterias y 3 venas).
Figura 1.1 Ubicación del Corazón
1.2.2 Morfología interna. En su interior pueden observarse cuatro cavidades,
dos superiores llamadas aurícula derecha y aurícula izquierda y dos inferiores,
con función de bomba, llamados ventrículo derecho y ventrículo izquierdo. A la
aurícula derecha llegan las Venas Cavas superior e inferior trayendo sangre sin
oxígeno (Carbo-oxigenada) de todo el organismo. Pasa al ventrículo derecho, el
cual al contraerse, la envía a la Arteria Pulmonar la que se dirige a ambos
pulmones para efectuar el intercambio gaseoso. La sangre oxigenada regresa a la
18
aurícula izquierda por medio de las cuatro Venas Pulmonares y ya en el
ventrículo izquierdo, es expulsada hacia la Arteria Aorta para ser distribuida por
todo el organismo2.
1.3. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA CARDIOVASCULAR
El funcionamiento del sistema cardiovascular se da en latidos cardiacos a lo cual
un latido cardíaco es una acción de bombeo de la sangre, que se produce en
dos fases y que demora menos de un segundo.
1.3.1 Diástole (Primera fase). Al mismo tiempo que ingresa sangre en las
cavidades superiores (Aurículas derecha e izquierda), el generador eléctrico del
corazón (Nódulo Sinusal) envía una señal que estimula a las aurículas,
produciendo su contracción. Esta contracción impulsa sangre a través de las
válvulas Tricúspide y Mitral hacia las cavidades inferiores que se encuentran en
reposo (Ventrículos derecho e izquierdo). Esta fase de la acción de bombeo (de
mayor duración) se denomina Diástole.
2 Guyton & Hall, Tratado de Fisiología médica, México: Mc-graw hill, 2002 fc. Julio
de 2009.
19
Figura 1.2 Diástole
1.3.2 Sístole (Segunda fase). La segunda fase de la acción de bombeo comienza
cuando los ventrículos están llenos de sangre y las válvulas Mitral y Tricúspide
herméticamente cerradas.
Las señales eléctricas generadas por el nódulo sinusal se propagan por la vía
de conducción específica a los ventrículos, provocando su contracción. Esta fase
se denomina Sístole.
Al cerrarse firmemente las válvulas tricúspide y mitral, impiden el retorno de
sangre hacia las Aurículas, se abren las válvulas Pulmonar y Aórtica. Al mismo
tiempo que el ventrículo derecho impulsa sangre a los pulmones para oxigenarla,
la sangre rica en oxígeno del ventrículo izquierdo se expulsa hacia la arteria Aorta
para distribuirse a todas partes del cuerpo.
20
Figura 1.3 Sístole
Cuando la sangre pasa a la arteria Pulmonar y Aorta, los ventrículos se relajan y
las válvulas Pulmonar y Aórtica se cierran. Al reducirse la presión en los
ventrículos se abren las válvulas Tricúspide y Mitral y se reinicia nuevamente el
Ciclo Cardíaco.
Este sistema tiene una cualidad muy importante y es que el Sistema Cardio-
Circulatorio no actúa en forma independiente o aislada. El Sistema Nervioso
detecta las condiciones a nuestro alrededor (nivel de actividad física, factores de
Stress, temperatura ambiente etc.) y regula el aparato cardiovascular para poder
satisfacer las necesidades del organismo en esas condiciones3.
3 Guyton & Hall, Tratado de Fisiología médica, México: Mc-graw hill, 2002 fc. Julio
de 2009.
21
1.4. ELECTROFISIOLOGIA CARDIACA
Inicialmente se puede simplificar diciendo que el corazón presenta dos tipos de
tejidos:
Tejido especializado de éxito-conducción
Miocardio contráctil.
La diferencia fundamental entre estos dos tejidos, es que en condiciones normales
el automatismo es patrimonio del tejido especializado de éxito- conducción,
careciendo de esta propiedad el miocardio contráctil, debido a que tienen como
característica común, la propiedad de generar corrientes eléctricas de muy bajo voltaje como consecuencia de los desplazamientos iónicos debidos
fundamentalmente al Potasio (K+) , al Sodio (Na+), al Cloro (Cl-) y al Calcio
(Ca++), y que continuamente se están produciendo. Estas corrientes iónicas
producen un flujo continuo bidireccional a través de la membrana celular,
generando potenciales eléctricos.
Figura 1.4 Iones y cargas eléctricas en el corazón
22
Las propiedades fundamentales del corazón son:
Automatismo. Son capaces de generar espontáneamente el impulso eléctrico
que se propaga; el automatismo máximo se encuentra en las células del nodo
sinusal, el marcapasos del corazón, y si éste falla, el nodo AV toma el relevo
Conductibilidad. Capacidad de transmitir un impulso eléctrico a las células
adyacentes; las velocidades de conducción normales en las diferentes estructuras
cardíacas son las siguientes:
o aurículas: 1 - 2 m/s
o nodo AV: 0.02 - 0.05 m/s
o sistema His - Purkinje: 1.5 -3.5 m/s
o ventrículos: 0.4 m/s
Excitabilidad. Capacidad de responder a un impulso eléctrico; las células
especializadas generan ellas mismas los impulsos, mientras que las contráctiles
son estimuladas por los impulsos propagados por las células adyacentes; existen
diferentes fases de excitabilidad diferenciadas por el potencial de acción (PA) de
las células cardíacas, y diferentes periodos refractarios (tiempo requerido para
recuperar la excitabilidad).
En conclusión debido a la interacción de los enlaces iónicos debidos al Potasio, al
Sodio, al Cloro y al Calcio se generan variaciones de voltaje, así durante la
diástole, en el exterior celular se acumulan cargas positivas mientras que durante
la sístole el exterior celular es más negativo; Estas variaciones de voltaje son las
que producen la polarización y despolarización y por ende la contracción y
dilatación necesarias para la acción de bombeo en el corazón4.
4 Guyton & Hall, Tratado de Fisiología médica, México: Mc-graw hill, 2002 fc. Julio
de 2009.
23
1.5 FRECUENCIA CARDIACA
La frecuencia cardiaca es el número de latidos del corazón o pulsaciones por
unidad de tiempo. Su medida se realiza en condiciones determinadas (reposo o
actividad) y se expresa en latidos por minutos (lpm ó ppm). La medida del pulso se
puede efectuar en distintos puntos, siendo los más habituales la muñeca, en el
cuello (sobre la arteria carótida) o en el pecho. Con independencia de la técnica de
medida, el procedimiento que se recomienda seguir, para evitar errores en la
medida y para que los valores obtenidos sean comparables, es el siguiente:
1. Medir la FC en condiciones de reposo, en un local a temperatura
ambiente (20-24 ºC) y en posición sentada.
2. Realizar la medida de la FC mediante palpación física 1 minuto antes
de realizar la medida de la presión sanguínea.
3. Repetir dos veces la medición y calcular el valor promedio.
La frecuencia cardiaca en reposo depende de la genética, el estado físico, el
estado psicológico, las condiciones ambientales, la postura, la edad y el sexo. Un
adulto sano en reposo tiene generalmente el pulso en el rango 60-100. Durante el
ejercicio físico, el rango puede subir a 150-2005.
5 Vázquez González, S. (2003). Intensidad del ejercicio sobre la base de la
frecuencia cardiaca durante una sesión de aeróbic. Revista Internacional de
24
ADULTO SEDENTARIO ADULTO EN FORMA DEPORTISTA
REPOSO
PULSACIONES POR
MINUTO
ENTRE
70- 90
ENTRE
60-80
ENTRE
40-60
EJERCICIO AEROBICO
PULSACIONES POR
MINUTO
ENTRE
110- 130
ENTRE
120-140
ENTRE
140-160
Tabla 1. Valores normales de la frecuencia cardiaca en reposo y en el
ejercicio.
1.6 TECNICAS DE MONITOREO
Existen varias técnicas de monitoreo de actividad cardiaca, pero se mencionaran
las más usadas:
1. Medición del Pulso
2. ECG (Electrocardiograma)
1.6.1 Medición del Pulso. Como pulso se identifica al número de latidos del
corazón, y su medición puede proporcionar información importante acerca de la
salud de una persona. Llevarla a cabo es la manera más sencilla de identificar
alguna variación en el ritmo cardiaco que puede ser motivo de consulta al médico;
Medicina y Ciencias de la Actividad Física y el Deporte vol. 3 (11) pp. 136-148
http://cdeporte.rediris.es/revista/revista11/artfc.htm ,fc. Agosto de 2009.
25
por ejemplo, el pulso rápido puede ser signo de infección o deshidratación. En
situaciones de emergencia, la frecuencia cardiaca puede ayudar a determinar si el
corazón está bombeando o no, y a partir de ello emprender acciones al respecto.
La medición del ritmo cardíaco tiene además otros usos, por ejemplo, si se lleva a
cabo durante una sesión de ejercicio (o inmediatamente después) proporciona
información sobre el estado atlético y de salud de la persona.
El pulso se mide manualmente o se detecta el sonido que emite la acción de
bombeo del corazón por medio de un estetoscopio en áreas por las que pasa
cerca una arteria (conducto que lleva sangre del corazón a todos los órganos), y
se le identificará por el nombre que de ésta se tome, pudiendo ser:
En cuello (carotideo).
En dorso del pie (pedio).
En ingle (femoral).
En muñeca (radial).
En sien (temporal).
En tetilla izquierda de bebes (pulso apical).
Parte interna del brazo (humeral).
Parte interna del pliegue del codo (cubital).
Una vez encontrado el ritmo cardiaco, se cuentan los latidos durante un minuto
completo, o durante 30 segundos y el resultado se multiplica por dos; la cifra
obtenida debe cotejarse con los siguientes valores normales en latidos por minuto
en reposo:
26
Bebes de 0 a 11 meses De 100 a 160
Niños de 1 a 6 años De 65 a 140
Niños de 7 a 10 años De 70 a 110
Niños de 11 años y adultos De 60 a 100
Adultos mayores a 60 años 60 o menos
Tabla 2. Valores De Frecuencia Cardiaca de acuerdo a la edad
Cabe destacar que de acuerdo a los especialistas en la salud del corazón
(cardiólogos) la cifra máxima de pulsaciones cardíacas por minuto que soporta un
corazón sano es aproximadamente 220.
El nodo seno auricular se encarga de mantener el corazón latiendo a un nivel
adecuado, su estructura es susceptible de anomalías, las cuales generalmente se
originan debido a que las corrientes eléctricas producidas no son conducidas a los
ventrículos, en consecuencia, la sangre no es bombeada en forma eficaz. Cuando
esos impulsos se tornan irregulares o muy lentos —menos de 60 latidos por
minuto—, quiere decir que el paciente experimenta bradicardia, sin que ello
signifique problema a la salud, a menos que se trate de registro constante en
cualquier persona menor a 60 años, o que haya mareos y/o desmayos repentinos.
Por su parte, cuando la frecuencia cardiaca en reposo supera los 120 latidos por
minuto el paciente sufre taquicardia, y como consecuencia el cuerpo tampoco
recibe suficiente oxígeno y nutrientes para funcionar correctamente; una persona
27
con este problema puede experimentar mareos, confusión, manchas oscuras
temporales en el campo visual y desvanecimientos.
1.6.2 Electrocardiograma (ECG). Es un examen que registra en un papel los
cambios que ocurren en las pequeñas corrientes eléctricas que se producen en el
corazón con cada latido, se utiliza para medir el ritmo y la regularidad de los
latidos, así como el tamaño y posición de las aurículas y ventrículos, cualquier
daño al corazón y los efectos que sobre él tienen las drogas [3].
Figura 1.5 Electrocardiograma (ECG)
El ECG tiene una amplia gama de usos:
Determinar si el corazón funciona normalmente o sufre de anomalías (p. ej.:
latidos extra o saltos – arritmia cardiaca).
Indicar bloqueos coronarios arteriales (durante o después de un ataque
cardíaco).
Se puede utilizar para detectar alteraciones electrolíticas de potasio, sodio,
calcio, magnesio u otros.
Permitir la detección de anormalidades conductivas (bloqueo aurícula-
ventricular, bloqueo de rama).
Mostrar la condición física de un paciente durante un test de esfuerzo.
Suministrar información sobre las condiciones físicas del corazón (p. ej.:
hipertrofia ventricular izquierda)
28
Para el análisis de un ECG se toman 12 derivaciones las cuales son mediciones
de voltajes entre electrodos colocados en el cuerpo, en conclusión es como
plasmar la actividad el corazón en fotografías tomadas desde diferentes puntos de
vista. Para este proceso se utilizan 10 electrodos. Cada uno de ellos se coloca
sobre el paciente de la siguiente manera:
Figura 1.6 Colocación de los electrodos en el ECG
1.6.3 Electrodos. Son una clase de sensores que transduce la conducción iónica
a la conducción electrónica para que la señal pueda procesarse en los circuitos
electrónicos. El propósito usual de los electrodos es adquirir médicamente la señal
bioeléctrica, por esta razón son utilizados en exámenes médicos como en el
electrocardiograma (ECG), electroencefalograma (EEG), y electromiograma
(EMG). La mayoría de estas señales bioeléctricas son adquiridas de uno de los
tres tipos de electrodo existentes: macro electrodos de superficie, macro
29
electrodos de sonda, y micro electrodos. De éstos, los dos primeros generalmente
se usan en vivo, mientras el último se usa en in Vitro6.
Figura 1.7 Clases de Electrodos
1.7 FISIOLOGIA DEL SISTEMA RESPIRATORIO
El objetivo principal de la respiración es suministrar oxigeno a los tejidos y
eliminar dióxido de carbono.
1.7.1 Estructura del sistema respiratorio. El sistema respiratorio está formado
por una serie de órganos que realizan el intercambio gaseoso:
Nariz
Faringe
6 Robledo Carmona Juan Manuel. (2009). Electrocardiograma, Documento pdf,
http://www.medynet.com/usuarios/jraguilar/Manual%20de%20urgencias%20y%20
Emergencias/ecg.pdf,fc. Mayo de 2010.
30
Laringe
Tráquea
Bronquios
Pulmones
Estos órganos se ubican en dos zonas:
Vías respiratorias altas: nariz, cavidad nasal, senos frontales, senos
maxilares, laringe, faringe y tráquea.
Vías respiratorias bajas: pulmones, alvéolos y bronquios.
En el sistema respiratorio los pulmones y las vías respiratorias conducen el aire
entre los pulmones y la atmósfera exterior. El aire inhalado viaja por la nariz, la
faringe, laringe, y la tráquea antes de entrar en uno de los dos bronquios que
llevan a los dos pulmones. En ellos, los bronquios se dividen en ramificaciones
cada vez más pequeñas que acaban en alvéolos, donde se intercambia el oxígeno
por dióxido de carbono. El aire exhalado vuelve en dirección contraria.
31
Figura 1.8 Vías respiratorias.
El cuerpo humano puede vivir sin comida ni agua durante un tiempo, pero no sin
un suministro continuo de oxígeno. Sus miles de millones de células consumen
oxígeno incansablemente para liberar de los azúcares la energía necesaria para
realizar sus actividades. Este proceso, llamado “respiración celular” o “interna”,
genera también dióxido de carbono. El aporte de oxígeno proviene del sistema
respiratorio, que introduce aire en el cuerpo, lleva el oxígeno a la sangre y expulsa
el aire, con el dióxido de carbono indeseado7.
1.8 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA RESPIRATORIO
Las funciones del sistema respiratorio se pueden resumir en tres pasos:
7 Guyton & Hall, Tratado de Fisiología médica, Mexico: Mc-graw hill, 2002 . fc.
Mayo de 2009.
32
Ventilación Pulmonar: Contracciones musculares que alteran el
volumen del pecho y desplazan aire por el tracto respiratorio, dentro y fuera
de los pulmones.
Respiración externa: En los pulmones, el oxígeno pasa del aire al
torrente sanguíneo; el dióxido de carbono sigue la ruta inversa.
Respiración interna: En todo el cuerpo, el oxígeno pasa de la
sangre a las células, donde se usa para los procesos químicos que liberan
energía. El dióxido de carbono sigue la ruta inversa.
1.8.1 Mecánica de la ventilación pulmonar. Los pulmones pueden expandirse y
contraerse de dos maneras:
1) Por el movimiento hacia abajo y hacia arriba del diafragma para
alargar y acortar la cavidad torácica.
2) Por elevación y descenso de las costillas para aumentar y disminuir
el diámetro antero posterior de la cavidad torácica.
33
Figura 1.9 Contracción y expansión de la caja torácica durante la espiración
y la inspiración.
1.8.2. Mecánica de la respiración externa. La respiración consiste en el
intercambio de gases (O2, CO2) entre las células y la atmósfera, su mecánica
externa es el intercambio de gases (O2, CO2) a nivel pulmonar.
Figura 1.10 Respiración externa
34
1.8.3 Mecánica de la respiración interna. La respiración interna o celular es el
proceso de la respiración en la cual se produce el intercambio de gases entre la
sangre y los tejidos
Figura 1.11 Respiración interna
1.9 FRECUENCIA RESPIRATORIA:
La frecuencia respiratoria se define como el número de veces que un ser vivo
respira por cada minuto en el tiempo. Se suele medir en personas en reposo y
consiste simplemente en contar las veces que la persona respira (elevación del
pecho) por minuto. La frecuencia respiratoria suele aumentar con la elevación de
la temperatura corporal, algunas enfermedades y otras condiciones médicas.
Frecuencia normal por edad
Recién nacidos: alrededor de 44 respiraciones por minuto
Niño: 20–40 respiraciones por minuto
35
Pre-Adolescentes: 20–30 respiraciones por minuto
Adolescente: 16–25 respiraciones por minuto
Adulto: 12–20 respiraciones por minuto
Adultos a ejercicios moderados 35–45 respiraciones por minuto
Atletas' pico 60–70 respiraciones por minuto
1.10 TECNICAS DE MONITOREO DE LA RESPIRACION
Existen varias técnicas de monitoreo, algunas de ellas mencionadas a
continuación:
1.10.1 Espirometría. Un método para estudiar la ventilación pulmonar es registrar
el movimiento del volumen de aire que entra y sale de los pulmones, a este
proceso se le denomina espirometría; este método se utiliza para monitorizar los
pulmones y así determinar la eficacia de su funcionamiento, vigilar enfermedades,
tratamientos, etc.
Figura 1.12 Espirómetro
36
Figura 1.13 Diagrama que muestra los movimientos respiratorios durante la
respiración normal y durante la expiración e inspiración máximas.
1.10.2 Pletismografía corporal. Es una prueba compleja que permite conocer el
residual, es decir, el volumen que queda en el pulmón después de expulsar todo el
aire que se puede. Conocer el valor del volumen residual, la capacidad pulmonar
total y la capacidad residual funcional es importante para el diagnóstico de algunas
enfermedades respiratorias.
1.10.3 Impedancia Transtorácica. La medida de la respiración por impedancia
transtorácica es un método indirecto para monitorizar la respiración. La
impedancia del tórax cambia durante la respiración; aumenta durante la
inspiración y disminuye durante la espiración, ya que el aire tiene una mayor
impedancia que el tejido pulmonar.
37
Los cambios de impedancia pueden determinarse y mostrarse como una forma de
onda de respiración, y la frecuencia respiratoria puede contarse a partir de las
respiraciones detectadas.
La impedancia normal del tórax es, típicamente, de 200-1000 ohmios. El cambio
en la impedancia debido a la respiración es muy pequeño y varía con la
profundidad de la respiración: cuanto más profunda es la respiración, mayor es el
cambio. Este es el método no invasivo más accesible y económico.
1.11 BASES FISICAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES RESPIRATORIAS
Se puede decir que una señal es un fenómeno que transporta información. Las
señales biomédicas se utilizan fundamentalmente para extraer información del
sistema biológico bajo estudio.
El proceso completo de extracción de la información puede ser tan sencillo como
la estimación de la frecuencia cardiaca media de un paciente a través del "pulso" o
tan complejo como el análisis de la estructura interna de los tejidos blandos
mediante un sofisticado equipo de tomografía computarizada o resonancia
magnética.
La definición de "señal biomédica" es muy amplia. Para un análisis estructurado se
puede emplear la siguiente clasificación:
* Señales de Bioimpedancia
* Señales Bioacústicas
* Señales Biomagnéticas
38
* Señales Biomecánicas
* Señales Bioquímicas
* Señales Bioópticas
* Señales Bioeléctricas
Para el estudio de este proyecto las señales bioeléctricas generadas por el
cuerpo contienen información relevante sobre los sistemas biológicos
subyacentes. Su decodificación ha permitido identificar y clarificar un gran número
de condiciones patológicas.
El BIA (IMPEDANCIA BIOELÉCTRICA) es un método para el estudio de la
composición corporal que se basa en la naturaleza de la conducción de la
corriente eléctrica a través de tejidos biológicos. Es rápido, portátil, no invasivo,
barato y con poca dificultad técnica. Este método mide la impedancia u oposición
al flujo de una corriente eléctrica a través de los tejidos corporales contenidos
fundamentalmente en los tejidos magro y graso.
El principal problema en el registro de estas señales se encuentra en reducir al
mínimo las interferencias o ruido que se encuentran mezcladas con ella y que en
muchos casos tienen mayor amplitud que la propia señal con un espectro de
frecuencia superpuesto8.
8 Patterson, R. “Bioelectric Impedance Measurementst.”, The Biomedical
Engineering Handbook: Second Edition , Ed. Joseph D. Bronzino
Boca Raton: CRC Press LLC, 2000. fc. Julio de 2009.
39
1.12 FISIOLOGIA DE LA TEMPERATURA
La temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo, es decir,
su capacidad para ceder energía calorífica; es la medida del grado de calor de un
organismo, y desempeña un papel importante para determinar las condiciones de
supervivencia de los seres vivos.
La temperatura se puede expresar mediante la escala Kelvin (°K), Celsius (°C) o
Fahrenheit (°F). Las equivalencias entre estos sistemas son: °C = 0.555 (°F – 32),
°F = 1.8 (°C) + 32 y °K = °C + 273.15. El astrónomo sueco Ander Celsius ideó la
escala centígrada asignando el valor 0 al punto de congelación del agua (0 ºC) y el
valor 100 al de ebullición (100 ºC).
Figura 1.14 Escalas de medición de la temperatura.
40
Existen dos tipos de temperatura: La temperatura periférica y La temperatura
central.
Temperatura periférica o superficial. Es la de los constituyentes del
revestimiento periférico, como la piel, el tejido subcutáneo y las porciones
superficiales de las masas musculares cuya función principal es la de mantener
una temperatura central constante. La temperatura periférica muestra
considerables variaciones, subiendo y bajando según el medio ambiente. La
temperatura media de la piel para una persona promedio es de 33 °C en un cuarto
con temperatura ambiente de 25 °C. La temperatura de la piel se puede medir
mediante termocuplas o termistores montados en contacto con la epidermis.
Temperatura central. La temperatura central representa la temperatura media en
áreas corporales profundas centrales (ejemplos: cerebro, corazón, órganos
abdominales). Se encuentra constituida por las regiones del cráneo, torácica,
abdominal, pélvica y las porciones más profundas de las masas musculares de las
extremidades. Los seres humanos somos homeotérmicos lo que significa que la
temperatura corporal interna se mantiene casi constante. En condiciones
normales, la temperatura interna del cuerpo fluctúa entre 36.5 - 37.5 °C.
1.12.1 FACTORES QUE AFECTAN LA TEMPERATURA CORPORAL
Edad. Los niños tienden a tener temperaturas rectales y orales más altas (37.5 a
38.0 °C) que los adultos. Las variaciones diarias cambian a medida que los niños
crecen.
41
Ritmo diurno/circadiano (ciclo de 24 horas). A lo largo de la jornada las
variaciones de la temperatura suelen ser inferiores a 1.5 Cº. La temperatura
máxima del organismo se alcanza entre las 18 y las 22 horas y la mínima entre las
2 y las 4 horas. Este ritmo circadiano es muy constante y se mantiene incluso en
los pacientes febriles.
La temperatura ambiente. Altas temperaturas o frío extremo
La indumentaria. Exceso o falta de indumentaria afectan la temperatura.
El estrés. Las emociones intensas como el enojo o la ira activan el sistema
nervioso autónomo, pudiendo aumentar la temperatura.
Las enfermedades. Ciertas enfermedades metabólicas (hipertiroidismo) y
aquellas que impliquen estados febriles, aumentan la temperatura, mientras que
otras enfermedades metabólicas (hipotiroidismo) pueden conducir a un descenso
de la temperatura.
Cambios menstruales en las mujeres. En la segunda mitad del ciclo, desde la
ovulación hasta la menstruación, la temperatura se puede elevar entre 0.3-0.5 Cº.
El ejercicio físico. La actividad muscular incrementa transitoriamente la
temperatura corporal. Por el contrario, durante una inactividad prolongada
(dormir), la temperatura disminuye.
42
1.13 MEDICION DE LA TEMPERATURA CORPORAL
Los lugares anatómicos utilizados como referencia de temperatura corporal interna
son:
El recto. Se considera que la temperatura rectal es un buen criterio para
determinar la temperatura interna. La temperatura rectal es aproximadamente 0.6
°C mayor que la temperatura oral-sublingual.
El canal auditivo. Por su proximidad al hipotálamo, la temperatura timpánica
puede utilizarse como criterio para la estimación de la temperatura interna.
La cavidad oral-sublingual. Es un buen indicador de la temperatura corporal
central y suele oscilar entre 35,8 y 37,2 °C.
Axilar. Es la más cómoda y segura, aunque la menos exacta. Es poco
representativa de la temperatura interna, ya que aumenta y desciende con la
temperatura del entorno, y tiende a ser 1°C inferior a la rectal.
En síntesis, las diferencias usuales entre los valores de temperatura de los
diferentes lugares son aproximadamente de un grado lo cual se representa a
continuación:
43
Los instrumentos más comúnmente usados son:
Termómetro de vidrio de mercurio. Es un cilindro de vidrio hueco con un
depósito de mercurio en el fondo y el extremo superior cerrado. Tiene una escala
graduada que va desde los 35 hasta los 42 oC. Al aumentar la temperatura el
mercurio se dilata y asciende por el capilar. Este termómetro es el más usado,
aunque no el más preciso.
Termómetro digital. La lectura es muy sencilla y rápida. Se utiliza de la misma
manera que el termómetro de vidrio, pero la lectura se realiza a través de un
dispositivo visual digital. Es importante comprobar su calibración.
Termómetro de tira plástica. Contienen un cristal líquido sensible al calor, el cual
cambia de color para indicar la temperatura. La tira se debe colocar en la frente y
se lee cuando todavía está en su lugar después de un minuto. Este método no es
muy confiable9.
1.14 SENSORES PARA MEDICION DE TEMPERATURA:
Existen varias clases de sensores de temperatura:
- Termopares 9 Ferreira Maria Laura. Termorregulación. Tratado. Documento pdf.
http://www.buenastareas.com/ensayos/Termoregulacion/1018932.html. fc. Julio de
2009.
44
- Termistores
- Circuitos integrados termo sensibles.
1.14.1 Termopares (o termocuplas). Es un transductor formado por la unión de
dos metales distintos. Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera
un voltaje muy pequeño.
Las termocuplas manejan temperaturas de -250°C a 1820°C lo cual es un rango
demasiado amplio en comparación con la temperatura corporal humana (36°C a
40°C con fiebre).
1.14.2 Termo resistores. Son resistencias que varían su valor en función de la
temperatura a que estén expuestas. Son sensores absolutos, es decir miden la
temperatura respecto a 0º. De éstos los hay PTC y NTC. Los PTC (Positive
Temperature Coeficient) aumentan su valor a aumentar la temperatura. Los NTC
(Negative Temperature Coeficient) disminuyen su valor al aumentar la
temperatura.
1.14.3 Termo sensores. Son sensores de temperatura integrados en un chip. Los
hay de relativos y de absolutos. También es posible escogerlos en grados
Centígrados, grados Fahrenheit y grados Kelvin. Estos chips entregan una salida
45
proporcional a la temperatura. Las salidas más comunes son en tensión, corriente
o frecuencia10.
1.15 FUENTES DE ERROR DE LOS SENSORES
Los sensores al igual que todos los demás dispositivos, tienen ciertos errores. El
error se define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero. El
rango de posibles errores se pueden catalogar en 4 categorías básicas: Inserción,
aplicación, característico, y errores medioambientales.
Errores de inserción. Esta clase de error ocurre durante el acto de insertar el
sensor en el sistema que es medido. Éste es un problema general con las
medidas electrónicas, de hecho, todas las medidas. La forma de minimizar este
error, es dando un ajuste optimo al colocar el sensor o electrodo en el lugar
correcto, ya que un mal ajuste provocaría perdida de información.
Errores de aplicación. Estos errores son causados por el operador. Ejemplos
típicos, como en aplicaciones de los sensores de tensión arterial donde se
producen fallos por la mala purga de aire y otros gases (burbujas en la línea) en el
sistema, y colocación física incorrecta del transductor (sobre o debajo de la línea
del corazón) produciendo que una presión positiva o negativa se agregue
erróneamente a la lectura. Este tipo de error se puede evitar teniendo un buen
10 S. Gil y E. Rodríguez. Termometría y Sensores de temperatura. Documento pdf.
http://www.fisicarecreativa.com/guias/sensorestemp.pdf.
46
mantenimiento de los equipos usados, además de tener un buen conocimiento de
su uso.
Errores característicos. Esta categoría a menudo se define para aquellos errores
sin calificar. En esta categoría se pueden incluir errores como un valor de offset de
DC. Para eliminar este tipo de error se pueden usar filtros si se tienen por ejemplo
señales no deseadas o niveles de DC que no se necesiten.
Errores medioambientales. Estos errores se derivan del ambiente en que el
sensor se usa. Ellos incluyen frecuentemente la temperatura pero también se
puede incluir la vibración, exposición química, u otros factores. Esta desviación
puede significar varios grados de error dependiendo del tipo de sensor utilizado.
1.16 CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD
El riesgo de electrocución para las personas se puede definir como la
"posibilidad de circulación de una corriente eléctrica a través del cuerpo humano".
Así, se pueden considerar los siguientes aspectos:
Para que exista posibilidad de circulación de corriente eléctrica es
necesario:
Que exista un circuito eléctrico formado por elementos conductores.
Que el circuito esté cerrado o pueda cerrarse
Que en el circuito exista una diferencia de potencial mayor que cero
47
Que el cuerpo humano sea conductor. El cuerpo, si no está aislado, es
conductor debido a los líquidos que contiene (sangre, linfa, etc.)
Que el cuerpo forme parte del circuito
1.17 TIPOS DE ACCIDENTES ELÉCTRICOS
Los accidentes eléctricos se clasifican en:
Directos: Son provocados por la corriente derivada de su trayectoria
normal al circular por el cuerpo, es decir, es el choque eléctrico y sus
consecuencias inmediatas. Puede producir las siguientes alteraciones
funcionales:
Fibrilación ventricular- paro cardíaco.
Asfixia- paro respiratorio.
Tetanización muscular.
Indirectos: No son provocados por la propia corriente, sino que son
debidos a: golpes, caídas, etc. causados por un movimiento brusco al
momento del paso de la corriente a través del cuerpo.
48
1.18 FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL RIESGO DE ELECTROCUCIÓN
Los efectos del paso de la corriente eléctrica por el cuerpo humano vendrán
determinados por los siguientes factores:
Resistencia eléctrica del cuerpo humano: además de la resistencia de contacto
de la piel (entre 100 y 500 Ω), se debe tener en cuenta la resistencia que
presentan los tejidos al paso de la corriente eléctrica, con lo que el valor medio de
referencia está alrededor de los 1000 Ω; pero no hay que olvidar que la resistencia
del cuerpo depende en gran medida del grado de humedad de la piel.
Voltaje o tensión. El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión fija unos valores
de tensión de seguridad (tanto para corriente alterna como para continua) de 24 V
para locales húmedos y de 50 V para locales secos a una frecuencia de 50 Hz.
Tipo de corriente (alterna o continua): la corriente continua actúa por
calentamiento, aunque puede ocasionar un efecto electrolítico en el organismo
que puede generar riesgo de embolia o muerte por electrólisis de la sangre; en
cuanto a la corriente alterna, la superposición de la frecuencia al ritmo nervioso y
circulatorio produce una alteración que se traduce en espasmos, sacudidas y ritmo
desordenado del corazón (fibrilación ventricular).
Tiempo de contacto: este factor condiciona la gravedad de las consecuencias del
paso de corriente eléctrica a través del cuerpo humano junto con el valor de la
intensidad y el recorrido de la misma a través del individuo. Es tal la importancia
49
del tiempo de contacto que no se puede hablar del factor intensidad sin referenciar
el tiempo de contacto.
1.19 EFECTOS FÍSICOS DEL CHOQUE ELÉCTRICO
Según el tiempo de exposición y la dirección de paso de la corriente eléctrica para
una misma intensidad pueden producirse lesiones graves, tales como: asfixia,
fibrilación ventricular, quemaduras, lesiones secundarias a consecuencia del
choque eléctrico, tales como caídas de altura, golpes, etc.
Tabla 3. Efectos del choque eléctrico
Paro cardíaco: Se produce cuando la corriente pasa por el corazón y su efecto en
el organismo se traduce en un paro circulatorio por parada cardiaca.
50
Asfixia: Se produce cuando la corriente eléctrica atraviesa el tórax. El choque
eléctrico tetaniza el diafragma torácico y como consecuencia de ello los pulmones
no tienen capacidad para aceptar aire ni para expulsarlo. Este efecto se produce a
partir de 25-30 mA.
Quemaduras: Internas o externas por el paso de la intensidad de corriente a
través del cuerpo por Efecto Joule o por la proximidad al arco eléctrico. Se
producen zonas de necrosis (tejidos muertos), y las quemaduras pueden llegar a
alcanzar órganos vecinos profundos, músculos, nervios e incluso a los huesos. La
considerable energía disipada por efecto Joule, puede provocar la coagulación
irreversible de las células de los músculos estriados e incluso la carbonización de
las mismas.
Tetanización: O contracción muscular. Consiste en la anulación de la capacidad
de reacción muscular que impide la separación voluntaria del punto de contacto
(los músculos de las manos y los brazos se contraen sin poder relajarse).
Normalmente este efecto se produce cuando se superan los 10 mA.
Fibrilación ventricular: Se produce cuando la corriente pasa por el corazón y su
efecto en el organismo se traduce en un paro circulatorio por rotura del ritmo
cardíaco. El corazón, al funcionar de una forma no coordinada, no puede bombear
sangre a los diferentes tejidos del cuerpo humano. Para lograr dicha recuperación,
hay que conseguir la reanimación cardiaca y respiratoria del afectado en los
51
primeros minutos posteriores al accidente. Se presenta con intensidades del orden
de 100 mA y es reversible si el tiempo de contacto es inferior a 0.1 segundos.
La fibrilación se produce cuando el choque eléctrico tiene una duración superior a
0.15 segundos, el 20% de la duración total del ciclo cardíaco medio del hombre,
que es de 0.75 segundos.
Se debe tener cuidado que en el lugar donde se realicen las mediciones no tengan
condiciones de alta temperatura o contaminación11.
EQUIPOS TECNOLOGICOS EXISTENTES EN EL MERCADO
K4b2 MetaMax 3B Polar FT1
1. K4 b² cardio pulmonary exercise testing.
* Intercambio de Gas Pulmonar (VO2, VCO2) 11 Guyton & Hall, Tratado de Fisiología médica, Mexico: Mc-graw hill, 2002. fc.
Mayo de 2009.
52
* Tecnología Breath by Breath
* Transmisión de datos hasta 800m
* Calorimetría indirecta
* Sistema GPS integrado
* Saturación de oxígeno (SpO2) y ECG de 12 canales integrados
* Poderoso software basado en Windows™ para un avanzado análisis de datos.
Su valor en el mercado es de 28.000 dólares, se puede conseguir mediante LET
MEDICAL STSTEM, CORP en MIAMI 12.
2. Pulsímetro Polar FT80 G1
Ajustes Básicos:
· Zona objetivo automática basada en la edad (% / ppm) - % / ppm.
· Luz.
· Indicador gráfico de zona objetivo. 12 Página web.
http://www.cosmed.it/index.php?option=com_content&view=article&id=249%3Ak4b
2-mobile-cardio-pulmonary-exercise-test&catid=145%3Aproduct-features-
cpet&Itemid=174&lang=en. fc. Julio de 2010.
53
· FC (mostrada en % de FC máxima).
· FC (mostrada en ppm).
· Heart rate (displayed as graphical trend) - Strength training.
· HeartTouch, operación sin presión de botones.
· Bloqueo de botones.
· Zona objetivo manual (% / ppm) - % / ppm.
· Ajuste del volumen del sonido.
· Alarma visual y sonora de zona objetivo.
· Resistencia al agua - 50m.
Se debe acoplar a otros dispositivos POLAR para visualizar los datos
recolectados. Su valor en el mercado es 380 €.
3. MetaMax3B
Frecuencia cardiaca
Analizador de O2
Analizador de CO2
Temperatura
Telemetría
54
Presión
Su costo es de aproximadamente 8500 €13.
13 Página del producto. http://www.cortex-medical.de/metamax_sports_en.htm. fc.
Mayo de 2009.
55
2. MODELO TEÓRICO
De acuerdo a la creciente dinámica global del hombre, éste necesita portar
elementos que se han vuelto indispensables para el desarrollo de sus actividades
cotidianas. Dichos elementos varían dependiendo del campo de aplicación en el
que se requieran, con la característica en común de ser dispositivos portátiles.
Para el monitoreo de una persona en búsqueda de un rendimiento físico adecuado
es necesario realizar la medición de 3 señales del cuerpo humano, como la
frecuencia cardiaca ò pulso, la frecuencia respiratoria y la temperatura corporal.
En la actualidad se busca obtener dichas señales en tiempo real, directamente en
el ambiente de desarrollo del paciente o deportista, lo cual exige realizar este
proceso utilizando un dispositivo portátil.
2.1 FRECUENCIA CARDIACA
Como frecuencia cardiaca se entiende el número de latidos en un intervalo de
tiempo determinado, el cual normalmente se expresa en latidos por minuto.
Los métodos más comunes para obtención de la frecuencia cardiaca son:
Obtención de la frecuencia cardiaca por medio del sonido generado en
cada latido del corazón.
Obtención de la frecuencia cardiaca por medio del potencial eléctrico
producido por el tejido cardiaco en cada latido del corazón.
56
Para determinar la frecuencia cardiaca con el sonido del corazón es necesario
utilizar un micrófono de superficie torácica acoplado a un dispositivo que procese
dicha señal, la cual es utilizada principalmente para la detección de enfermedades
cardiacas (ej. soplos).
Para determinar la frecuencia cardiaca basados en el potencial eléctrico producido
en los latidos del corazón es necesario utilizar electrodos (invasivos o no
invasivos) que se colocan en pecho (ej. Triangulo de Einthoven) dependiendo de
los detalles que se requieran.
Figura 2.1 Ilustración Triangulo de Einthoven(a) y otras posiciones de los
electrodos (b).
Para obtener la frecuencia cardiaca se utilizaran los electrodos no invasivos
ubicados en el pecho para analizar la señal que produce el potencial eléctrico
generado por el corazón, procesar esta señal y así determinar la frecuencia
cardiaca en latidos por minuto.
57
2.2 FRECUENCIA RESPIRATORIA
La Frecuencia respiratoria son las veces en que una persona respira (contracción
y expansión de los pulmones) en un periodo determinado, la cual se expresa
normalmente como respiraciones por minuto.
Dentro de los métodos para obtener la frecuencia respiratoria se encuentran:
Análisis de la inspiración y la expiración
Análisis de la expansión y la contracción del abdomen mediante una galga
extensiométrica.
Análisis de la variación de la impedancia con electrodos ubicados en el
abdomen.
Teniendo en cuenta que la frecuencia cardiaca se obtendrá con electrodos, es
conveniente mantener el mismo tipo de transductores, por lo tanto se utilizaran los
electrodos ubicados en el abdomen para analizar la variación de la impedancia en
cada inspiración – expiración, y procesar la señal para así obtener la frecuencia
respiratoria.
58
Figura 2.2 Proceso de expansión y contracción del abdomen
2.3 TEMPERATURA CORPORAL
Para obtener la temperatura corporal se deben utilizar transductores que
transformen la irradiación del calor corporal en una señal que se pueda procesar.
Para esto existen sensores que traducen la temperatura corporal a voltajes que se
pueden procesar y así obtener los datos deseados.
Un sensor con las características necesarias es el LM 35 el cual genera 10mV por
cada grado Celsius de temperatura corporal en la superficie de la piel.
2.4 CIRCUITO ACONDICIONADOR DE SEÑAL
En dicho circuito se deben agregar los filtros necesarios para la adecuación de las
señales obtenidas mediante los transductores (frecuencia cardiaca – electrodos,
frecuencia respiratoria – electrodos, temperatura corporal – sensor de
59
temperatura). Dicho circuito debe tener elementos adecuados para manejar
señales médicas (ej. Ina118 de burr brown).
2.5 PROCESAMIENTO DE LAS SEÑALES
Para el procesamiento de las señales es necesario utilizar un micro controlador
capaz de recibir tres señales ya sean análogas o digitales. Dicho microcontrolador
debe de tener un puerto de comunicación serial (USART) para así enviar hacia un
dispositivo de comunicación inalámbrica las tres señales procesadas y adecuadas.
En el mercado existen dispositivos con las características nombradas, de esta
variedad se eligió el PIC16F873 que tiene la capacidad de manejar las tres
señales, procesarlas mediante programación y enviarlas en un paquete de datos
mediante la USART.
2.6 COMUNICACIÓN INALÁMBRICA
Para la comunicación inalámbrica existen diferentes tecnologías capaces de
realizar ésta tarea. Dicho dispositivo debe de poder recibir una señal proveniente
de la USART del microprocesador y transmitirla sin pérdida de información a un
receptor.
En el mercado existen dispositivos bluetooth, wifi, comunicación por infrarrojos
IrDA, zigbee, etc..., los cuales se adecuan a las necesidades del proyecto. Para la
selección del dispositivo es necesario enfocarse en que dicho dispositivo sea
60
portátil, lo cual exige un bajo consumo, un amplio rango de transmisión y una
comunicación eficaz, por lo cual se decidió utilizar el ZIG BEE, que cumple con
todas las características necesarias para la transmisión de los datos obtenidos en
el microprocesador. En la comunicación inalámbrica se propone usar el ZIG BEE
para transmitir y recibir datos, ya que este dispositivo es un sistema de bajo
costo, maneja un estándar para redes Wireless de pequeños paquetes de
información, representa bajo consumo, es seguro, fiable y muy fácil para el manejo
y formación de redes de transmisión de datos.
2.7 SOFTWARE
Para la visualización de los datos es necesario realizar un programa que capture
los datos provenientes del zigbee receptor. Se decidió por la plataforma Visual C#
la cual se programa con un lenguaje de fácil manejo y además permite leer los
datos directamente del puerto COM con una rutina ya existente en el programa.
El modelo teórico propuesto se explica en el diagrama de bloques del sistema de
monitoreo de los signos vitales (figura 2.3), donde se explican básicamente los
instrumentos para llevar a cabo cada una de las etapas que constituyen el
proyecto. Se tuvieron en cuenta sistemas eléctricos y electrónicos como
electrodos y amplificadores, capaces de captar señales biomédicas de muy baja
frecuencia; además se utilizaron las bases de programación de micro
controladores para procesar estas señales y digitalizarlas para así ser enviadas a
través de un modulo de transmisión y recepción vía RF (Radiofrecuencia) y
61
representarlas numéricamente en un PC por medio de un programa de
visualización.
Figura 2.3 Esquema para la obtención transmisión y recepción de las
señales biomédicas
62
3. DESARROLLO DEL MODELO TEORICO
La base de este proyecto es convertir la medición física en una salida eléctrica,
ofrecer una interfaz entre el sistema biológico y un instrumento de registro
eléctrico, preservando la información original a lo largo de todo el procedimiento
de adquisición de los datos. El sistema en general consiste en la toma de tres
señales biomédicas: frecuencia cardiaca, frecuencia respiratoria y temperatura; la
toma de estas señales se hace utilizando electrodos para obtener la frecuencia
respiratoria y el pulso, para detectar la temperatura se usará un IC sensor (Termo
Sensor).
3.1 FRECUENCIA CARDIACA
El diseño del circuito electrónico para la etapa de frecuencia cardiaca consta de
la toma de la señal cardiaca por medio de dos electrodos (E3 y E4) adheridos al
tórax en la parte superior izquierda precisamente en contacto con la piel entre la
3 y 4 costilla, y otro electrodo (E2) que es el electrodo común del circuito (tierra).
Luego se prosigue con la etapa de acondicionamiento y acople de impedancias
por medio de un filtro pasivo pasa baja de 3 Hz conectado a cada una las entradas
de los electrodos que van hacia el amplificador de instrumentación (INA 118) el
cual amplifica la señal. Esta señal amplificada, contiene gran cantidad de señales
provenientes del ruido muscular y corporal, por lo que es necesario añadir a la
63
salida del amplificador un filtro pasabanda, que permita extraer la señal del pulso
cardiaco en todo su rango de variación, de 40ppm a 180ppm, ósea de 0.66Hz a
3Hz.. La importancia de la señal cardiaca es la frecuencia y no su forma, se pasa
esta señal a través de un circuito conformador de onda, que convierte la señal
análoga del corazón, en una onda cuadrada correspondiente a la frecuencia
cardiaca.
Figura 3.1 Diagrama de bloques Frecuencia Cardiaca
3.1.1 Adquisición de la señal. La adquisición de la señal se efectúa mediante
los electrodos denominados E3 y E4.
64
Figura 3.2 Posición del sistema hombre – instrumento
3.1.2 Adecuación de la señal. La adecuación de la señal consta de un filtro
pasa baja de 3 Hz conectado a cada uno de los electrodos antes de la entrada al
amplificador de instrumentación.
Figura 3.3 Red de adecuación de la señal cardiaca
RCf c 2
1
Si HzfC 3 y R=56kΩ
uFHzk
C 1)3)(56(2
1
C=1Uf
65
3.1.3 Amplificador de instrumentación. Se utiliza para tener una alta impedancia
de entrada y alto rechazo al modo común (CMRR)*. En este caso se utilizara el
encapsulado INA 118 en una configuración de ganancia igual a 500 lo cual nos
permite analizar la señal cardiaca que es del orden de 1 a 2mv amplificada 500
veces teniendo como resultado una señal aproximada de 500mv a 1v.
Figura 3.4 Ganancia Amplificador de Instrumentación
Según la figura 3.4 se obtiene una ganancia de 500 con una RG de 100 ohmios.
3.1.4 Filtro pasa banda. Este filtro se eligió para el paso del rango de la
frecuencia cardiaca, la cual puede variar entre 0.66Hz. y 3Hz.. Para su
implementación, se opto por usar 4 etapas de filtrado en cascada, debido a que
para este rango de frecuencias, aplicarlo en una sola etapa implicaría el uso de
condensadores polarizados y resistencias demasiado grandes.
66
Primero una etapa pasa bajo pasiva; segundo una etapa pasa alto activo orden
2; tercero, una etapa pasa bajo activo de orden 2.
.
Filtro pasa baja pasivo 3Hz. Este filtro se utiliza para filtrar las señales por
encima de 3Hz y dejar pasar las señales iguales o más bajas de 3 Hz.
Figura 3.5 Esquema filtro pasa baja.
RCf c 2
1
Si HzfC 3 y R=56kΩ
uFHzk
C 1)3)(56(2
1
uFC 1
Filtro activo pasa alta 0.3 Hz. Este filtro de 2º orden tipo butherworth se utiliza
para eliminar las señales por debajo de 0.3 Hz.
Figura 3.6 Esquema filtro pasa alta.
67
''2C =1.414 y llC1 =0,7071
75.03.02
414.1''2
HzC
, si MR 69.3
MC
69.375.0
2
nFC 2002
375.03.02
7071.0''1
HzC
, si MR 69.3
MC
69.3375.0
1
nFC 1001
Filtro activo pasa bajas. Se diseño un filtro de 2º orden tipo butherworth
FIGURA 3.7 Filtro activo pasa baja de 3 hz
414.1''1 C y 7071.0''
2 C
075.032414.1''
1 Hz
C
, si kR 220 k
C220
075.01
nFC 3401
0375.032
7071.0''2
HzC
, si kR 220
kC
2200375.0
2
68
nFC 1702
3.1.5 Conformador de Onda.
Figura 3.9 Conformador de onda de la frecuencia cardiaca
Se busca conformar la onda del corazón, en una onda cuadrada para llevarla a
una entrada digital del micro controlador y así poder medir el numero de pulsos
por minuto del corazón; para ello, se usa un comparador de piso, el cual está
formado por un circuito promediador de la onda y un amplificador operacional en
malla abierta, como se ve en la figura 3.9. La señal del corazón es comparada con
su valor promedio. El resultado es una onda cuadrada entre +V y -V, que al pasar
por el diodo rectificador, queda limitada a +V y -0, con frecuencia igual a la
cardiaca.
69
3.2 FRECUENCIA RESPIRATORIA
El principio para la medida de la FR, es el de variación de la impedancia
transtorácica, para lo cual se usará un generador de voltaje con frecuencia de
70 KHZ en serie con una resistencia fija, cerrando el circuito la impedancia
variable transtorácica, resultando en una señal modulada en amplitud por la FR
en los electrodos conectados al paciente. La Frecuencia Respiratoria se recupera
usando un detector de envolvente y un conformador de onda como el usado en la
Frecuencia Cardiaca.
Figura 3.10 Diagrama de bloques sistema respiratorio
El sistema consta de un oscilador el cual proporciona la señal de medida que
será aplicada al paciente. Después la señal respiratoria es detectada utilizando un
arreglo de dos electrodos que registran la variación de la impedancia del tórax
cuando se respira; usualmente esta señal es amplificada y filtrada, para esto
utilizamos amplificadores operacionales para incrementar la amplitud de las
70
señales, para eliminar el ruido o compensar las distorsiones causadas por el
medio externo.
3.2.1 Oscilador. En este primer bloque del circuito se implementa un oscilador
tipo PUENTE DE WIEN que genera una frecuencia de 70 Khz la cual es
permitida dentro del rango de consideraciones de seguridad del paciente.
Figura 3.11 Oscilador sinusoidal en puente de Wien
21
2 RR
; RC
f21
0
Si R1=5.6kΩ R2=20kΩ
71
Si kHzf 700 y pFC 150
kpFkHz
R .10)150)(70(2
1
3.2.2 Filtro Pasa Alto pasivo. Con el objeto de eliminar la DC proveniente de los
electrodos, y las componentes de baja frecuencias se incorpora un filtro pasa alto,
con frecuencia de corte de 1.5 kHz.
Figura 3.12 Esquema pasivo filtro pasa alta
RCf c 2
1
Si kHzfC 5.1 y R=100kΩ
nFkHzk
C 06.1)5.1)(100(2
1
nFC 06.1
72
3.2.3 Detector de Envolvente. Se uso un detector de pico como el mostrado en
la figura 3.13, fijando la resistencia y el condensador a una frecuencia de 15 Hz .
Figura. 3.13 Esquema Amplificador Operacional, Detector de envolvente y
filtro
RCf c 2
1
Si HzfC 15 y R=10kΩ
uFHzk
C 1)15)(10(2
1
uFC 1
3.2.4 Filtro activo pasabanda 0.1 a 0.7 hz. Se diseño un filtro de 2º orden
tipo butherworth que permitiera solo frecuencias características de la respiración
las cuales oscilan normalmente entre 12 hasta 25 respiraciones por minuto(r*pm)
lo cual equivale a un rango de 0.1 Hz hasta 0.7 Hz (este rango es amplio lo cual
73
significa que el límite inferior está por debajo de 12 r*pm y el superior por encima
de 25 r*pm); para tal fin se diseño un filtro pasa banda constituido por un filtro
pasa baja de 0.7 Hz en serie con un filtro pasa alta de 0.1 Hz.
3.2.4.1 Filtro pasa altas 0.1 hz. Filtro activo de 2º orden tipo butehrworth
Figura 3.14 Filtro pasa altas con fc=0.1hz
''2C =1.414 y llC1 =0.7071
2515.21.02
414.1''2
HzC
, si MR 3.3
MC
3.32515.2
2
nFC 6802
1259.11.02
7071.0''1
HzC
, si MR 3.3
MC
3.31259.1
1
nFC 3401
74
3.2.4.2 Filtro pasa bajas 0.7 Hz.
Figura 3.15 Filtro pasa bajas de 2º orden con fc=0.7hz
414.1''1 C y 7071.0''
2 C
321.07.02
414.1''1
HzC
, si MR 2.2
MC
2.2321.0
1
nFC 1461
16.07.02
7071.0''2
HzC
, si MR 2.2
MC
2.216.0
2
nFC 722
3.2.5 Conformador de Onda. Se busca conformar la onda de la respiración, en
una onda cuadrada para llevarla a una entrada digital del micro controlador y así
medir el numero de respiraciones por minuto; para ello, se usa un comparador de
piso, el cual está formado por un circuito promediador de la onda y un amplificador
operacional en malla abierta, como se ve en la figura 3.16. La señal es comparada
con su valor promedio. El resultado es una onda cuadrada entre +V y -V, que al
75
pasar por el diodo rectificador, queda limitada a +V y 0V y con frecuencia igual a
la frecuencia respiratoria.
Figura 3.16 Conformador de Onda de la frecuencia respiratoria
3.3 ETAPA DE MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA
Teniendo en cuenta que la temperatura a medir está entre 36°C(hipotermia, menor
a 36) y 40°C(hipertermia, por encima de 40), se utilizará un LM35 el cual es un
sensor de temperatura linealmente proporcional a la temperatura en grados
Celsius (°C). El LM35 tiene una ventaja sobre los sensores de temperatura
calibrados en grados kelvin, debido a que el usuario no tiene que hacer ningún
ajuste para obtener una temperatura conveniente en la escala de °C. Este no
requiere una calibración externa para proveer una precisión típica de ± ¼ ° C a
temperatura ambiente y de ± 1 ¾ °C sobre un total de -55 a +150 °C de rango de
76
temperatura. Es de fácil uso gracias a su baja impedancia, salida lineal y precisa
calibración inherente; puede ser usado con una o más fuentes de alimentación y
exige solamente 60 uA de su fuente y además presenta un muy bajo auto-
calentamiento, a menos de 0,1 ° sin presencia de aire. La configuración básica del
LM35 (permite leer temperaturas de 2°C a 150°C.) enviando la señal a la entrada
AN0 del PIC.
Figura 3.17 Conexión LM35 – PIC
3.4 PROCESAMIENTO DE SEÑAL
Para realizar la etapa de procesamiento de la señal análoga se cuenta con el PIC
16F873.
El bloque de procesamiento se basa concretamente en el uso del conversor
análogo a digital y la USART (Transmisor y Receptor Sincrónico/Asincrónico
Universal), los cuales se encargarán de tomar la señal fisiológica censada y
realizarle la respectiva conversión y procesamiento para luego hacer la
transmisión hacia el sistema de visualización en el PC.
77
Figura 3.18. Diagrama de Bloques Procesamiento de la señal
Utilizamos el PIC 16F873 ya que consta de la suficientes herramientas para la
implementación del proyecto, tales como memoria de 4k, 3 timer/counter, 10 bits
para la conversión análoga digital, USART, etc.
La ventaja de trabajar con un solo microcontrolador se basa en que se tiene
menos estructura física, lo cual permite tener un equipo más compacto y portátil,
ya que este es el objetivo principal del diseño del sistema 14.
Las características principales del módulo son las siguientes:
3.3V @ 215mA
Máxima velocidad de datos 250kbps 14 Datasheet. PIC16f873.
http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/30292c.pdf
fc. Julio de 2010.
78
60mW de salida (+18 dBm)
1 milla (1.500 metros) de alcance
Tipo Antena
Plenamente certificado por la FCC
6 de 10 bits ADC pines de entrada
8 pines de E / S digitales
Cifrado de 128 bits
Configuración local o por aire
Configuración por comandos AP o ATI
3.4.1 Etapa de recepción. Para la etapa de recepción se utiliza un XBEE PRO
como receptor RF y un cable conversor de USB a serial TTL el cual funciona bajo
un chip FT232RQ.
79
Figura 3.19 Conexiones USART
80
El dispositivo Zigbee es alimentado con 3.3V provenientes de un regulador
LM1117 el cual es alimentado con 5V provenientes del nivel TTL del cable
conversor FTDI.
3.5 ETAPA DE PROTECCIÓN DEL PIC
Antes de introducir la señal análoga por el canal de conversión A/D que tiene el
PIC 16F873, se le realiza una protección contra picos de voltaje superiores a los
valores de voltaje de referencia utilizados para la conversión +5V o 0V.
Se usa una resistencia de valor de 2kΩ y dos diodos 1n60 en la configuración
mostrada en la siguiente figura. Lo que se pretende con ésta configuración es que
se manejan los valores de voltaje con los cuales el PIC no sufra ningún tipo de
inconvenientes cuando la señal análoga tenga picos altos o negativos.
Figura 3.20. Protección del PIC
81
3.6 CONSTRUCCIÓN DEL PROGRAMA ASSEMBLER EN EL PIC
El PIC se programa bajo el lenguaje de bajo nivel assembler el cual para los PICs
de la familia 16F87xx consta de solo 35 instrucciones con 14 bits de longitud.
Todas ellas se ejecutan en un ciclo de instrucción, menos las de salto que tarda 2.
Figura 3.21. Diagrama de flujo Programación en Assembler
82
3.6.1 ESTRUCTURA DE LA TRAMA DE TRANSMISIÓN USART (PIC16F873) –
DI (XBEE - TX)
Para la transmisión de los datos obtenidos y procesados se conforma una trama
de transmisión. Dicha trama se transmite por la USART del PIC hacia la DI del
Xbee transmisor el cual a su vez transmite por RF en modo transparente la
información.
La trama se compone de 11 bytes, los cuales están distribuidos de la siguiente
manera.
02 ID FC FCM FRB1 FRB2 FRM TB1 TB2 LRC 03
02: CABECERA DE TRAMA
ID: NÚMERO IDENTIFICADOR DEL DISPOSITIVO PORTATIL
FC: FRECUENCIA CARDIACA INSTANTÁNEA
FCM: FRECUENCIA CARDIACA POR MINUTO
FRB1: FRECUENCIA RESPIRATORIA BYTE 1 (BYTES MÁS SIGNIFICATIVOS)
FRB2: FRECUENCIA RESPIRATORIA BYTE 2 (BYTES MENOS
SIGNIFICATIVOS)
TB1: TEMPERATURA BYTE 1 (BYTES MÁS SIGNIFICATIVOS)
TB2: TEMPERATURA BYTE 2 (BYTES MENOS SIGNIFICATIVOS)
LRC: COMPROBACIÓN DE TRAMA
03: COLA DE TRAMA
83
3.7 PLATAFORMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y VISUALIZACIÓN
El uso del computador en medicina y campos afines provee muchas aplicaciones,
como en el procedimiento de adquisición de datos y la visualización posterior de
estos.
En la adquisición se utiliza un PC portátil para la lectura de las variables
fisiológicas. Dichas señales son analógicas y por lo tanto es necesario
acondicionarlas y convertirlas en señales digitales para poder ser vistas en un PC.
El proceso de adquisición puede ser entendido en el siguiente diagrama:
Figura 3.22. Diagrama Adquisición de datos.
Utilizando la herramienta Visual C# se desarrolla el software administrador, el cual
permite interactuar con los datos suministrados por el monitor portátil.
La obtención de dichos datos se realiza vía RF con ayuda de los XBEE PRO.
84
3.8 VISUAL C#
Microsoft Visual C# es un lenguaje de programación diseñado para crear una
amplia gama de aplicaciones que se ejecutan en .NET Framework. C# es simple,
eficaz, con seguridad de tipos y orientado a objetos. Con sus diversas
innovaciones, C# permite desarrollar aplicaciones rápidamente y mantiene la
expresividad y elegancia de los lenguajes de tipo C.
Construcción de un programa utilizando Visual C#
Para el desarrollo de una aplicación en ambiente Windows utilizando Visual C#
suele resumirse en los siguientes 3 pasos:
Creación de la interfaz de usuario utilizando los controles de VC#
Definir las propiedades de los elementos presentes en la interfaz de usuario
Escribir el código de control asociado a cada elemento de la interfaz
3.9 CONTROL DE COMUNICACIONES MSCOMM
El control de comunicaciones permite que se puedan realizar transmisiones y
recepciones de datos a través del puerto serie.
El control de comunicaciones tiene predefinido un solo evento para manejar las
comunicaciones. Éste evento llamado OnComm, se dispara cada vez que ocurre
cualquier cosa relacionada con el puerto de comunicaciones (se recibe un
carácter, se detecta un cambio en de las señales de la interfaz o se produce
85
cualquier tipo de error en la comunicación). Además cuenta con una serie de
propiedades específicas:
CommPort . Indica el número del puerto serie usado.
Settings. Indica la velocidad, paridad, número de bits y bits de stop (parada)
que se van a usar en la comunicación.
Handshaking . Especifica el método de control sobre el flujo de información
InBufferSize. Mediante esta propiedad establecemos el tamaño del Buffer
(almacén de datos) de entrada.
OutBufferSize. Mediante esta propiedad controlamos el tamaño del Buffer de
salida.
Interval. Indica el tiempo (en milisegundos) del intervalo entre una y otra
comprobación del estado de recepción del puerto. El valor mínimo es de 55 ms.
PortOpen. Abre el puerto de comunicación.
InBufferCount. Nos permite saber cuántos caracteres tenemos en el Buffer de
entrada
OutBufferCount. Nos permite conocer cuántos caracteres quedan por transmitir
en el Buffer de salida.
86
Output. Envía caracteres al Buffer de salida.
Input. Lee el Buffer de recepción.
CommEvent. Devuelve el evento más reciente que ha ocurrido para generar el
evento general OnComm.
3.10 ESQUEMA DEL PROGRAMA
En forma general el programa permite el acceso de los datos provenientes del PIC
a través del puerto serial.
Por medio de la pantalla principal se visualizan los datos recibidos.
Figura 3.23. Plataforma de Visualización de datos.
87
3.11 PROGRAMA DE INSTALACIÓN
El programa consta de un ejecutable siempre y cuando se corra en un ambiente
Windows, posterior a el sistema XP service pack 2, el cual debe contener las
librerías .NET framework 2.0.
88
CONCLUSIONES
Se logro un diseño sencillo no invasivo que permite una réplica confiable de las
señales de frecuencia cardiaca, frecuencia respiratoria y temperatura, además se
consigue un monitoreo constante, aprovechando al máximo el tiempo requerido
por el paciente, deportista o usuario sin tener que estar conectado a una maquina
estática y sin tener que trasladarse a algún sitio especializado para esta actividad.
El uso de la etapa de filtros ha permitido eliminar gran parte de ruido e
interferencias en el sistema. De esta manera se ha conseguido mejorar la calidad
de la señal cardiaca y de la señal respiratoria.
Se han encontrado problemas a la hora de filtrar las señales biomédicas ya que
por ser de baja frecuencia se pueden confundir muy fácilmente con señales de
interferencia de tipo biológico, eléctrico y acústico.
Se logro desarrollar un prototipo con elementos económicos que permiten la fácil
fabricación y comercialización de este producto ya que la mayoría de los
implementos usados en el desarrollo del proyecto son de fácil acceso al ser de
uso comercial.
89
La ventaja de implementar módulos ZigBee radica en la opción de implementar
una red de equipos que transmitan de manera simultánea sin que se presenten
colisiones o pérdidas de datos.
Se concluye que el aislamiento eléctrico es un requisito imprescindible para todo
equipo dedicado a la adquisición y medición de señales biomédicas en humanos,
dado que las consecuencias de una descarga eléctrica sobre el cuerpo pueden ser
fatales, debido a esto se diseño un equipo portátil con el propósito de proporcionar
seguridad eléctrica al usuario.
Para el uso de un dispositivo Xbee es necesario disponer de una buena fuente de
corriente debido a que en el momento de la transmisión éste consume hasta
240uA en modo transparente (de fábrica) lo cual podría afectar el correcto
funcionamiento del circuito.
La implementación de este proyecto nos permite confirmar la capacidad
académica y educativa con la que cuenta la Universidad de San Buenaventura
para desarrollar proyectos a pequeña escala que generan grandes beneficios a la
sociedad.
90
GLOSARIO
TRANSDUCIR: Es la transformación de un tipo de señal o energía en otra de
distinta naturaleza.
ELECTROCUCIÓN: Circulación de una corriente eléctrica de gran magnitud a
través del cuerpo humano.
CMRR: (Common mode Rejection) Relación Rechazo de Modo Común.
TTL: (Transistor – transistor logic) Lógica Transistor a Transistor.
PERICARDIO: Membrana fibroserosa de dos capas que envuelve al corazón y a
los grandes vasos.
FILTRO: Son circuitos electrónicos que mediante su manipulación permiten pasar
o no pasar algunas frecuencias dentro del circuito. Existen pasa banda, pasa baja,
pasa alta, rechaza banda, etc.
TERMOMETRO: Instrumento de medición de la temperatura que utiliza el principio
de la dilatación.
91
PULSO CARDIACO: Velocidad a la que palpita el corazón para bombear sangre a
todo el cuerpo.
AMPLIFICADOR OPERACIONAL: Es un dispositivo lineal de propósito general el
cual tiene capacidad de manejo de señal desde f=0 Hz hasta una frecuencia
definida por el fabricante. Los amplificadores Operacionales se caracterizan por su
entrada diferencial y su ganancia.
CAJA TORACICA: Es un arreglo de costillas dentro del cuerpo humano que
forman una especie de caja, lo componen 12 vértebras, los 12 pares de costillas y
el esternón.
FIBRILACION: Contracción muscular débil causada por la activación espontánea
de un grupo de fibras musculares. Puede presentarse en diversas partes u
órganos corporales.
MUSCULOS INTERCOSTALES: Los músculos que rodean la cavidad torácica y
mueven las costillas de adentro hacia afuera.
GRADOS CELSIUS: Unidad de medición de temperatura creada por ANDERS
CELSIUS en 1742.
92
PARO CARDIACO: El corazón deja de bombear sangre a todo el cuerpo debido a
alguna anomalía en el sistema cardiovascular.
BIOELECTRICIDAD: Energía eléctrica generada por un ser vivo; esta es
originada en las membranas celulares por desplazamiento de elementos con
carga.
ECG Electrocardiograma: Técnica que permite determinar la actividad cardiaca,
la transmisión de impulsos en el corazón y las características básicas en el
miocardio.
EEG Electroencefalograma: Técnica para la derivación y el registro grafico de
las corrientes producidas por la actividad cerebral.
EMG Electromiograma: Consiste en recoger la actividad eléctrica de los
músculos. La contracción de un músculo se debe a la descarga eléctrica del nervio
que lo controla.
COMPARADOR: Circuito electrónico, analógico o digital, capaz de comparar una
señal de entrada con un determinado valor, variando su salida según el resultado.
93
INHALACIÓN: Acción durante la respiración en la que los pulmones absorben la
cantidad de oxigeno necesaria.
EXHALACION: Proceso contrario a la inhalación, en este el aire que se encuentra
en los pulmones sale de estos.
MICROCONTROLADOR: Es un microprocesador que comprende y desarrolla las
tres funciones principales de una computadora: unidad central de procesamiento,
memorias y unidades de entrada y salida.
94
ANEXO A
ESQUEMATICO DEL CIRCUITO PRINCIPAL: FILTROS,
MICROCONTROLADOR Y TRANSMISOR ZIGBEE
95
ANEXO B
ESQUEMATICO DEL CIRCUITO RECEPTOR
96
ANEXO C
ESQUEMATICO CIRCUITO ALIMENTADOR
97
ANEXO D
ESPECIFICACIONES BÁSICAS INA118
CARACTERISTICAS
LOW OFFSET VOLTAGE: 50mV max
LOW DRIFT: 0.5mV/°C max
LOW INPUT BIAS CURRENT: 5nA max
HIGH CMR: 110dB min
INPUTS PROTECTED TO ±40V
WIDE SUPPLY RANGE: ±1.35 to ±18V
LOW QUIESCENT CURRENT: 350mA
8-PIN PLASTIC DIP, SO-8
98
ANEXO D
ESPECIFICACIONES BASICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL LF411
LF411
CARACTERISTICAS
Internally trimmed offset voltage: 0.5 mV(max)
Input offset voltage drift: 10 µV/°C(max)
Low input bias current: 50 pA
Low input noise current: 0.01 pA/√Hz
Wide gain bandwidth: 3 MHz(min)
High slew rate: 10V/µs(min)
Low supply current: 1.8 mA
High input impedance: 1012Ω
Low total harmonic distortion: ≤0.02%
Low 1/f noise corner: 50 Hz
Fast settling time to 0.01%: 2 µs
99
ANEXO D
ESPECIFICACIONES BASICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL LF411
LF353
CARACTERISTICAS
Internally trimmed offset voltage: 10 mV
Low input bias current: 50pA
Low input noise voltage: 25 nV/√Hz
Low input noise current: 0.01 pA/√Hz
Wide gain bandwidth: 4 MHz
High slew rate: 13 V/µs
Low supply current: 3.6 mA
High input impedance: 1012Ω
Low total harmonic distortion : ≤0.02%
Low 1/f noise corner: 50 Hz
Fast settling time to 0.01%: 2 µs
100
BIBLIOGRAFÍA
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Moderno, 2004, fc. Julio de 2009.
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Medicina y Ciencias de la Actividad Física y el Deporte vol. 3 (11) pp. 136-148
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