Vol. 4, Nº 15, 2008 ISSN ISSN:: 1698-796 16 98-79699
Desarrollo de un Sistema para la Medición de la Presión Arterial en Forma Continua No Invasiva Gustavo Adolfo Guarín Aristizábal, Jorge H. Torres1 Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.
1
RESUMEN En este trabajo (ganador del III Encuentro Encuentro de Investigación, Innovación Innovación e Ingeniería en Telecomunicaciones y Áreas Afines de CINTEL, Colombia) se presentan los resultados preliminares del Diseño y construcción de un prototipo experimental de monitoreo continuo no invasivo de la presión arterial. En él, se han tenido en cuenta criterios de calidad, bajo costo y pertinencia social, que permitirán ampliar la cobertura en el servicio de diagnóstico tanto ambulatorio como en unidades de cuidado intensivo. This This paper paper prese presents nts prelim prelimina inary ry results esults regar regardin dingg Design Design and const construc ructio tionn of an experimental prototype of continuous, non-invasive monitoring of blood pressure. It takes into account criteria regarding quality, low cost and social relevance that will allow broader coverage in diagnostic service in both outpatient care and intensive care units
1. INTRODUCCIÓN El monit monitor oreo eo elec electr trof ofisi isiol ológ ógic icoo es de gran gran
cateterismo intravenoso, lo que implica ciertos
impo import rtan anci ciaa en el ambi ambien ente te clín clínic ico, o, sobr sobree
ries riesgo goss como como son son las las comp complilica caci cion ones es por por
todo en unidades de cuidado cuidado intensivo (UCI) ya
infecciones. Esto conlleva a que el monitoreo
que es la guía para el manejo del paciente,
esté sujeto a la gravedad del paciente y por lo
debido a que variaciones en corto tiempo de las
tanto a que la iniciación del monitoreo invasivo
señal señales es
pueda,
moni monitor toread eadas as
pose poseen en
info inform rmaci ación ón
algunas
veces, ces,
represent sentar ar
una
acer acerca ca cómo cómo cont contro rola la el sist sistem emaa nerv nervio ioso so
intervenció intervenciónn tardía, tardía, iniciada iniciada solamente solamente después después
autonó autonómic micoo el siste sistema ma cardio cardiovasc vascula ularr, sobre sobre
de que el paciente ha sido admitido en UCI.
todo en condiciones fisiopatológicas como la
Como premisa general, la eliminación de signos
hipertensión arterial. 1
de shock, con el subsecuente riesgo de falla múltiple en órganos, podría tener un impacto
El monit nitoreo de la presión arterial es
positivo mucho mayor que si la intervención es
actu actual alme ment ntee real realiz izad adoo en las las uni unidade dadess de
inic inicia iada da desp despué uéss de que que ha empe empeza zado do una una
cuidado
disfunción orgánica. La habilidad de monitorear,
intensivo
mediante nte
el
uso
de
2
GUSTAVO ADOLFO GUARÍN ARISTIZÁBAL Y JORGE H. TORRES
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junto con la capacidad de identificar y detectar
plataforma para la visualización y grabación de
la presencia y la dirección de un shock
los registros.
temprano, podría permitir una intervención temprana, previniendo el desarrollo de isquemia tisular, hipoxemia y disfunción de órganos secundarios 2.
3. SISTEMA INVASIVA
DE
MEDICIÓN
DE
PRESIÓN CONTINUA
NO
En este apartado describiremos todo el
La terapia dirigida a recuperar la hemodinámica
procedimiento de diseño, desarrollo y prueba del
después de un fallo, no tiene muy buenos
sistema de registro de la presión arterial de
resultados. Si la terapia puede ser iniciada antes
forma continua no invasiva. Para el desarrollo
del
de este sistema se tuvo en cuenta la siguiente
desarrollo de la
falla
de órganos,
previniendo su comienzo, los resultados pueden
metodología.
ser mejorados. Iniciar el monitoreo antes de la admisión en la UCI puede proveer una oportunidad para alterar el curso clínico . 3
Es por esto que ha proliferado el desarrollo de dispositivos
de
monitoreo
no
invasivo
disminuyendo riesgos tanto de intervención,
3.1 Selección del método de medición El método escogido para desarrollar el prototipo es el método de tonometría arterial, los criterios de selección fueron los siguientes:
Capacidad de registrar la presión arterial
como permitiendo evaluar el estado de los
de forma continua, es decir, se debe
pacientes sin necesidad de que ingresen en la
poder registrar todas y cada una de las
UCI .
variaciones de la forma de onda de la
4
señal.
A continuación se hace una descripción del dispositivo desarrollado.
2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL DISPOSITIVO
Registro de la señal de forma no invasiva Viabilidad
de
implementación
con
sensores comerciales.
El dispositivo desarrollado consta de 3 bloques constitutivos, a seguir. Un canal de medición de
Implementación de bajo costo
la presión arterial de forma continua no invasiva, bloque conversor análogo digital, bloque de comunicaciones y un software
Fidelidad y precisión en la medida
De acuerdo a estas consideraciones de diseño agruparemos
los
métodos
investigados
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3
conforme a sus restricciones de tal forma que se
transductor tonométrico. El balance de fuerzas
escogió el método que cumplió con los
entre el transductor “presión de contacto” y la
requisitos antes nombrados.
presión interna de la arteria permiten registrar la morfología de la señal de presión. Hay que tener en cuenta que para efectos prácticos, la
3.1.1 Métodos no invasivos pero no continuos
6
Método basado en la llegada de pulso .
presión de contácto óptima se da cuando en la señal de presión se presenta la máxima
Método basado en el análisis de tiempo
elongación. Si el transductor efectúa una
transiente 5-8.
presión muy baja sobre la arteria, no hay transmisión efectiva de presión. Si la presión se
Método oscilométrico
excede, se obstruye el flujo de sangre y la presión medida no es correcta.
3.1.2 Métodos continuos no invasivos, pero que requieren inversiones amplias en sensores
9
Penáz . 10
Basado en modelo hemodinámico .
Los sitios escogidos para posicionar los sensores van desde la muñeca hasta el cuello . Las principales desventajas que tiene la tonometría arterial son:
Basado en Pletismografía 11-12.
El posicionamiento del sensor debe ser muy exacto.
3.1.3 Métodos continuos no invasivos, con precisión baja
Volumen de pulso 9.
3.1.4 Métodos continuos no invasivos con factibilidad de implementación a bajo costo
Método de tonometría arterial 13.
El método es muy sensible ante la presencia de artefactos de movimiento.
3.3 Selección del lugar de medición Para el desarrollo del prototipo se ha elegido la arterial radial como el lugar más apropiado para hacer la medición de la presión arterial, más
3.2 Descripción del método elegido para el prototipo Una arteria superficial, preferiblemente
específicamente la porción de la arteria que se encuentra cercana a la muñeca. Para tomar esta decisión se evaluaron otras dos alternativas, la
soportada por un hueso subyacente, es
arteria temporal en la cabeza y la arteria
comprimida y parcialmente aplanada por un
carótida en el cuello. La arteria temporal fue
4
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descartada, debido a que es difícil de localizar,
importante que el sensor sea flexible y
ya que su localización es dependiente del
conforme al contorno de la superficie a
paciente. También se descartó la arteria carótida
sensar
en el cuello, debido a que como no tiene un hueso que la soporte, está sujeta a rupturas
Delgado, la superficie a sensar es la
especialmente en personas mayores, además las
arteria radial y tiene menos de 2 mm de
mediciones en este punto están influenciadas
diámetro
por el patrón respiratorio.
Rango de presiones que debe medir debe ser de 0-300 mmHG
3.4 Consideraciones de selección del sensor Una vez seleccionado el método por medio del
repetir las mediciones en un largo
cual se va a medir la presión arterial, se hace
periodo de tiempo para cuantificar los
necesario seleccionar un sensor que cumpla con
cambios dinámicos de la presión
ciertos requerimientos impuestos por el método y por nuestras limitaciones de diseño. El sensor seleccionado fue el MPX2300DT1 de freescale.
Repetitividad (durabilidad): Es necesario
Debe ser un sensor comercial de bajo costo
Dentro de las consideraciones que se tuvieron
Teniendo en cuenta todas estas limitaciones los
en cuenta para seleccionar el sensor son:
sensores de presión evaluados fueron los
El
sensor
debe
medir
presiones
siguientes:
superficiales
1. Piezoeléctricos
Linealidad, poca histéresis y poco
2. Piezoresistivos
desplazamiento. 3. Galgas extensiométricas
Baja sensibilidad a los efectos térmicos, sobretodo en el rango de temperaturas de 20 a 37 ºC
4. Sensores de propósito orientado: En el mercado también es posible encontrar sensores
de
propósito
específico,
Flexibilidad: Un sensor rígido puede
especialmente para la medición de
afectar la superficie o las características
presiones arteriales.
de interfaz entre el tejido humano y la superficie del dispositivo. Por lo tanto es
Teniendo
en
cuenta
las
anteriores
consideraciones, se ha elegido el sensor
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5
MPX2300DT1 como el candidato ideal para
tenga la propiedad mecánica de trasmitir
hacer el desarrollo de un prototipo del
la presión sin pérdidas.
dispositivo. Los materiales escogidos son aquellas siliconas de tipo RTV (siliconas con capacidad de secado a
3.5 Acondicionamiento del sensor Es necesario diseñar una interfaz que sirva de
temperatura ambiente). Se escogió este material
acople para transmitir la presión entre el tejido
necesarias para transmitir la presión, además se
y el sensor. Para este propósito se tomaron dos
puede moldear fácilmente y en el mismo sensor,
conceptos a partir de los cuales se generaron
ya que no necesita secarse a temperaturas altas.
debido a que posee las propiedades mecánicas
diseños: 1. Introducir el sensor dentro de una cápsula flexible llena con un fluido transmisor de presión. El material a partir del cual se elaboró la capsula es el plastisol. La principal desventaja que tiene este materia es que se debe moldear
en
temperaturas,
un
horno
además
a
altas
por
las
dimensiones que se manejan, elaborar el molde presenta una dificultad muy alta. Otro de los inconvenientes que se tuvo con
este concepto fue el de llenar la
capsula con líquido, ya que la capsula debe quedar completamente hermética y sin aire.
Fig. 1 Diagramas del sensor modificado usando acople sin
3.6 Características de desempeño del sensor modificado El prototipo fue sujeto a diferentes pruebas para evaluar su desempeño relativo comparado con el sensor original13. Un pequeño arreglo se diseñó y construyó. Este arreglo se basa en el
2. Llenar la cavidad del sensor con un
método de la columna de mercurio, en el que se
pueda
transmitir
fijó un tubo delgado al sensor, para llenarlo con
directamente la presión,
pero que
mercurio y así determinar la presión ejercida en
material tenga
que una
composición
lo
suficientemente sólida como para que no necesite encapsulamiento y además
el sensor en mmHg.
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3.6.1 Dependencia de la temperatura
Las propiedades de la galga de todas formas son
Para hacer esta prueba fue necesario desarrollar
dependientes de la temperatura y la calibración
otro arreglo, ya que el mercurio es dependiente
del offset y la compensación por temperatura
de la temperatura, por lo tanto se empleó una
han sido tenidos en cuenta en el diseño del
fuente de presión basada en peso. El arreglo se
sensor MPX2300D. Las diferencias vistas entre
compone de una plataforma que guía un
las diferentes temperaturas en presencia de
embase que puede ser llenado con líquidos, en
varias presiones pueden ser resultado del efecto
nuestro caso agua, para variar el peso ejercido
de compensación 13.
sobre el sensor a medida que se va llenando el envase. La temperatura se varió mediante el uso
Para cuantificar mejor el efecto de la
de flujo de aire caliente y se controló usando un
temperatura con respecto a la salida a 20 ºC, la
termómetro digital. Para evitar variaciones
siguiente medida, E, fue también usada:
rápidas de
temperatura por perturbaciones
externas, se envolvió la plataforma en papel aluminio. La dependencia de la temperatura del sensor modificado se muestra en la Fig. 2. Aunque la galga estensiométrica del sensor MPX2300D es
Donde E= efecto térmico en psi/ºC a una
parte integral del diafragma de silicio, las
temperatura dada (T) y una presión (PT),
especificaciones técnicas advierten que no hay
PT=lectura actual de presión del sensor a la
efectos térmicos debido a diferencias en la
temperatura (T), P20=lectura de presión del
expansión térmica de la galga estensiométrica y
sensor a 20ºC, T= temperatura actual (ºC).
el diafragma.
La tabla I muestra que los valores de E son muy pequeñas, indicando un bajo efecto térmico con respecto a la temperatura ambiente de 20ºC.
3.6.2 Efectos de histéresis
El sensor modificado fue probado dentro del rango de presiones para el que fue diseñado Fig. 2. Curva de comparación de dependencia de temperatura
(0-300 mmHg). La figura 3 muestra la curva típica de carga y descarga para el sensor
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modificado. Es de notar que la histéresis en el
bueno, aunque la modificación haya alterado
sensor modificado es mínima.
algunas características.
3.6.4 Repititividad
La repetitividad es una característica muy importante de un sensor de presión. El comportamiento del sensor modificado es satisfactorio en términos de repetición con un valor de alrededor 4% de la media del valor (ver tabla II).
3.6.5 Estabilidad
Una
carga
constante correspondiente 100
mmHg fue aplicada al sensor durante la prueba de estabilidad. La salida del sensor fue tomada cada 5 s durante un periodo de 145 s (Fig. 11). Los resultados muestran que la estabilidad del sensor modificado es entre -2 y 3% FSS, mientras que la mayoría de las mediciones es de
Fig. 3. Curva de histéresis
±0.1%. 3.6.3 Linealidad
El sensor sin modificar está tasado para tener una cantidad de linealidad y de histéresis de -2 y +2 de % de span a escala total. Una regresión lineal en la porción de carga de la figura
3
produce
(mmHg=0.9693+0.0364;
un
buen
R2=99%).
ajuste R2,
el
coeficiente de determinación, en la porción de la variación total que es explicada por el modelo ineal. Este alto valor de R2 sugiere que el sensor modificado tiene un comportamiento lineal
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3.7 Mecanismo de posicionamiento y ajuste de presión del sensor Debido a que el método de tonometría arterial requiere que el sensor ejerza la presión adecuada sobre la arteria se desarrolló un brazalete que fija el sensor a la muñeca y que posee un mecanismo deslizante que permite variar la presión que ejerce el sensor sobre el tejido (ver Fig. 5).
Fig. 4. Curva de presión para la prueba de estabilidad
Fig. 5. Mecanismo de posicionamiento y ajuste de presión del sensor
3.6.6 Deslizamiento
la salida del sensor sobre el tiempo mientras que
3.8 Circuito de amplificación y filtrado El sensor de presión, produce una señal de 5 uV/
una presión permanece constante. Mediante la
V/mmHg, por lo tanto es necesario amplificar
aplicación de la prueba de estabilidad, se evaluó
esta señal. Para este propósito se empleó el
el deslizamiento. El sensor tuvo una lectura en
amplificador de instrumentación INA125. Este
t=0 de 100 mmHg. La salida del sensor es
amplificador es específico para puentes de
tomada cada hora durante un periodo de 12
weastone, puesto que provee la alimentación al
horas. Los valores de deslizamiento después de
sensor, en nuestro caso 5 V. La ganancia provista
3, 6 y 12 h fueron los siguientes:
en esta etapa es de 604, de tal forma que a 300
El deslizamiento es un porcentaje de cambio en
mmHg se produjera una salida de 4.5 V. La señal
Deslizamiento3h = (100 − 100) × 100 /
proveniente
100 = 0%
instrumentación es filtrada a 50Hz mediante un
Deslizamiento6 h = (100 − 96.9) × 100 /
del
amplificador
de
filtro Butterworth de tipo Sallen-Key de 4 polos.
100 = 3.1% (1.2)
Deslizamiento12 h = (100 − 95.4) × 100 /100 = 4.6%
4. MÓDULO DE DIGITALIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Este módulo consta de una etapa de ajuste de señal, una etapa de conversión A/D y un módulo
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de comunicaciones. La etapa de ajuste de señal
se ha implementado la posibilidad de corregir el
reduce la ganancia del canal de presión arterial
offset presente en el sensor de presión debido al
a la mitad y le suma un offset de 2.5V.
uso. En la Fig. 6 se puede observar un pantallazo del programa mientras se tomaba un registro.
La etapa de conversión A/D es llevada a cabo en un microcontrolador motorola que tiene 8 canales de conversión A/D de 10 bits y tiene un rango ente 0 y 5 V. La frecuencia de muestreo es de 300 Hz. El módulo de comunicaciones puede ser intercambiable, alámbrico o inalámbrico. La
Fig. 6. Software desarrollado.
comunicación alámbrica se realiza a través del puerto serial del computador usando el
6. RESULTADOS
protocolo RS-232.
Para probar la efectividad del dispositivo
La comunicación inalámbrica se realiza a través de un módulo bluetooth usando el dispositivo Parani-ESD200, que permite comunicaciones a una distancia de hasta 30 metros. La velocidad de trasnferencia es de 38.400 bps.
Se desarrolló un software que recibe la anviada
por
el
dispositivo
electrónico, y la canaliza a través de un puerto COM. El software consta de dos ventanas para graficar
las
señales
de
medición de la presión arterial se comparó con la de un dispositivo comercial de tipo oscilométrico. El error en las mediciones de presión sistólica y diastólica tieen un promedio del 5% y se presentó un máximo error del 8%.
5. SOFTWARE información
desarrollado, se probó en 3 sujetos diferentes. La
presión
y
electrocardiografía individualmente. El softwarte procesa la información en tiempo real usando programación por hilos, de tal forma que las tareas se desarrollan de acuerdo con la capacidad del procesador. En el software
7. CONCLUSIONES Se ha desarrollado un sitema de medición de la presión arterial continua no invasiva basado en el método de tonometría arterial usando un sensor comercial modificado. Las
modificaciones
realizadas
al
sensor
MPX2300DT, no degradaron el rendimiento del sensor, ni las especificaciones tecnicas con las cuales está diseñado, de tal manera que puede
10
GUSTAVO ADOLFO GUARÍN ARISTIZÁBAL Y JORGE H. TORRES
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ser usado de forma confiable en el dispositivo
se grantice una medición correcta de la presión
desarrollado.
arterial.
De acuerdo a las pruebas realizadas las
Desarrollo
mediciones proveen precisión y confiabilidad en
parámetros de importancia clínica, como lo son
los registros.
la presión arterial sistólica, diastólica y media, el
de
un software
que
calcule
ritmo cardíaco entre otros.
8. TRABAJO FUTURO Desarrollo de un sistema electrónico de posicionamiento automático, de tal forma que
EMBS San Francisco, CA, USA • September 1-5,
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