Sistema Prototipo para Supervisión y Monitoreo de Señales
Fisiológicas en una Unidad Hospitalaria
Yaneth Carrizo*, Wilson Marquina-Buitrago**, Jesús
Calderón-Vielma**, Gabriel Peña*
Laboratorio de Investigación y Desarrollo
en Automatización e Instrumentación.
Postgrado en Automatización e Instrumentación.
*Departamento de Control de Procesos. Escuela de
Ingeniería de Sistemas.
**Departamento de Circuitos y Medidas. Escuela de
Ingeniería Eléctrica.
Universidad de Los Andes.
Facultad de Ingeniería.
Mérida-Venezuela.
Telf: 58-74-403821. E-mail: yaneka@mixmail.com,
wilson@ ing.ula.ve
RESUMEN
Este proyecto de investigación enfoca un área particular
como lo es la Ingeniería de Control aplicada al campo de la Medicina,
con el fin de proporcionar al personal médico una herramienta de
trabajo para realizar diagnósticos confiables, de ahí la
necesidad de desarrollar un sistema de adquisición, procesamiento
y análisis de señales fisiológicas: Temperatura Corporal
(TC), Frecuencia Cardíaca (FC), Frecuencia Respiratoria (FR) y Nivel
de Oxígeno en la Sangre (SatO2) [1]. Se monitorean pacientes
durante las veinticuatro horas del día en cuatro camas simultáneas.
Los objetivos perseguidos son: La implementación de un sistema de
hardware y software para monitorear señales fisiológicas,
diseñar un programa computacional para capturar y mostrar la información
en forma gráfica en tiempo real, crear una base de datos para el
registro y despliegue de información relevante acerca del paciente.
En el computador personal (PC) se diseñó un programa para
supervisar las señales fisiológicas permitiendo una interfaz
humano-máquina amigable con el usuario, utilizando como soporte
el lenguaje de programación gráfico LabVIEW, el cual ofrece
rápidez, confiabilidad, precisión, seguridad y portabilidad.
La interfaz facilita la toma de decisiones del personal paramédico
y médico, mejorando la respuesta de atención ante problemas
en un paciente. El sistema desarrollado es un prototipo de laboratorio
probado en ambientes reales, en forma exitosa. El trabajo esta compuesto
de: Introducción, definición del problema, metodología
de solución, implementación del sistema, resultados obtenidos,
conclusiones y recomendaciones.
Palabras Claves: Señales fisiológicas, adquisición
de datos, LabVIEW, unidad hospitalaria, sistema de supervisión.
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INTRODUCCION
El desafío de esta investigación es crear un sistema capaz
de automatizar la valoración médica de varios signos vitales
en una sola integración para obtener los resultados de las lecturas
en una archivo que permita al usuario realizar un análisis más
eficiente.
Este sistema puede ser utilizado en cualquier centro de asistencia
médica, por poseer una facilidad de bajo costo, funcionamiento y
mantenimiento mínimo, y un fiel cumplimiento de las exigencias requeridas.
Es necesario realizar un estudio de las características de cada
una de las señales intervinientes y así disponer de una base
teórica para el diseño. Luego se procesan las señales
para que puedan ser manejadas por el computador y así realizar los
cálculos correspondientes a las señales para presentarlas
en la pantalla del computador de manera que el personal médico pueda
dar un diagnóstico rápido y eficiente.
2. DEFINICION DEL PROBLEMA
El problema objeto de estudio y desarrollo de la presente investigación
es el de diseñar un sistema capaz de Monitorear simultáneamente
en la pantalla de un PC cuatro señales fisiológicas provenientes
de cuatro camas en una Unidad Hospitalaria. El sistema deberá incluir
un registro que permita almacenar información relevante sobre cada
uno de los pacientes. El sistema debe ser versátil, adaptarse a
diversas arquitecturas de computadores, instrumentos y dispositivos de
adquisición de datos, y que requiera pocas horas/hombre de desarrollo
en su programación.
2.1 OBJETIVO GENERAL
Dotar a los Centros Hospitalarios de una herramienta a nivel de Hardware
y Software para el monitoreo de cuatro camas de hospitalización
de las cuatro señales fisiológicas.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
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Diseñar e implementar un sistema para la recolección en
línea de las cuatro señales fisiológicas en cada uno
de los pacientes.
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Diseñar e implementar la interfaz del sistema, para relacionar
las señales provenientes de los circuitos de acondicionamiento con
el computador, a través de un convertidor analógico/digital.
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Diseñar un programa computacional, para capturar y mostrar la
información en forma gráfica y continua a través del
computador.
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Crear una Base de Datos para el registro y el despliegue de la información
relevante acerca del paciente.
2.3 SOLUCIONES PROPUESTAS PARA ALCANZAR LOS OBJETIVOS PLANTEADOS
Para cumplir con los objetivos planteados, la investigación
constará de cuatro etapas de desarrollo, estas serán:
1ª.- Acondicionamiento de las diferentes señales que
intervienen en el proceso de monitoreo de los parámetros fisiológicos
del paciente, es decir, la amplificación, comparación y filtraje,
mediante circuitos lógicos.
2ª.- Conversión analógica a digital (A/D), la
cual permitirá establecer la comunicación con el computador.
3ª.- Desarrollo del Software, utilizando como soporte un lenguaje
de alto nivel, como lo es LabVIEW, para el procesamiento y visualización
por pantalla de las diferentes señales adquiridas.
4ª.- Crear una Base de Datos en MS-ACCESS e interconectarla
con LabVIEW, para llevar un registro de todas las señales fisiológicas
que podrían suscitarse de un estado de alarma de alguno de los pacientes.
-
METODOLOGIA DE SOLUCION
3.1 ETAPAS DE LA SEÑAL DE LA TEMPERATURA CORPORAL
Existe una etapa de adquisición de la señal, para ello
se utilizó un sensor "Termistor" conjuntamente con un circuito eléctrico
que se encarga de condicionar la salida de la señal a niveles de
milivolt y un regulador de voltaje a ±
5 V. Una vez que la señal pasa por estas etapas, está acondicionada
para pasar a la tarjeta de adquisición de datos para su uso posterior
por el PC [2].
3.2 ETAPAS DE LA SEÑAL DE NIVEL DE OXIGENO EN
LA SANGRE
Para la adquisición de la señal se utilizó
un equipo marca Pulse Oxímeter, la cual es presentada en la pantalla
de este aparato. Posteriormente la señal acondicionada, es enviada
a través del interfaz a la tarjeta de adquisición de datos
para su uso por el PC [2].
3.3 ETAPAS DE LA SEÑAL DE LA FRECUENCIA RESPIRATORIA
En la etapa de adquisición de la señal,
se utilizó un sensor que envía pulsos altos a un circuito
electrónico que acondiciona la salida de la señal y un regulador
de voltaje a ± 5 V. En el momento de
ser acondicionada la señal, esta es enviada a través del
interfaz a la tarjeta de adquisición de datos para su uso posterior
por el PC [2].
-
ETAPAS DE LA SEÑAL ELECTROCARDIOGRAFICA (ECG)
Para esta señal es necesario una etapa de adquisición,
para este fin se utilizó un equipo: Electrocardiógrafo modelo
NEW Cardiart Century FCC-1, la cual es presentada en la pantalla digital
de este aparato. Posteriormente, la señal entra en una etapa que
acondiciona la señal diferencial del ECG, la cual es enviada a través
del interfaz a la tarjeta de adquisición de datos para su uso por
el PC [2].
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LOGICA PROGRAMADA NECESARIA PARA LA IMPLEMENTACION
En el sistema desarrollado es necesario una lógica
programada que pueda ser capaz de ejecutar varias tareas entre las que
se encuentra, controlar la tarjeta de adquisición de datos, para
seleccionar los canales o las señales que se van a digitalizar y
habilitar el convertidor analógico/digital, permitiendo realizar
los correspondientes cálculos de cada señal que procesa y
grafica en el monitor del PC. La lógica programada debe permitir
el ingreso de los datos de los cuatro pacientes, para llevar un registro
de los pacientes tratados, este será desarrollado bajo un lenguaje
de programación gráfico denominado "LabVIEW" versión
5.01 [3], encargado de desarrollar aplicaciones de: adquisición
de datos, el análisis de datos y control de instrumentos con interfaz
hacia un computador personal. LabVIEW puede ejecutarse en un sin número
de sistemas operativos incluyendo Windows y UNIX, siendo su código
transportable de un sistema a otro. Por último, se diseñará
una Base de Datos en Microsoft ACCESS, para el registro de las señales
fisiológicas en caso de alarma de los cuatro pacientes; y el
despliegue de la información relevante de ellos como: historia
clínica, ordenes médicas, evolución médica
y resúmen de historia y egresos.
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SISTEMA A IMPLEMENTAR
El sistema diseñado consta de un primer bloque donde
se encuentran cada una de las señales que intervienen, cada una
de ellas acondicionadas, un segundo bloque que se encarga de realizar la
adquisición de datos para realizar la conversión A/D y un
último bloque que se encarga de mostrar las señales en la
pantalla del computador, mediante el lenguaje LabVIEW como lenguaje de
desarrollo y un manejador de base de datos creado en Access, donde se almacena
toda la información (signos vitales) de cada paciente. En la figura
1 se muestra el diagrama de bloques del sistema general.
FIG.1 Diagrama de Bloques del Sistema General
4. IMPLEMENTACION DEL SISTEMA
4.1 LA SOLUCION AL PPROBLEMA
Diseñar un sistema electrónico capaz de sensar e interpretar
las señales del cuerpo humano a través de una comunicación
con la PC. De esta manera se procesan y se muestran los datos obtenidos
en una interfaz amigable y de manipulación sencilla para el usuario
utilizando LabVIEW como lenguaje de programación.
Este sistema de monitoreo y diagnóstico utiliza una interfaz
amigable diseñada de manera que no requiere que el usuario posea
capacitación técnica especializada en el manejo del instrumento
médico. El sistema esta compuesto por un transductor de temperatura
y uno de respiración (etapa de transductores), equipos médicos
como lo son: El Electrocardiógrafo y PulxeOxímeter; una comunicación
con la tarjeta de adquisición de datos PC30GA [4] a través
del PC (etapa digital) y un programa de interfaz en la PC asistido por
LabView. El diseño de la base de datos se realizó en Access;
ya que LabView ofrece varias alternativas para almacenar datos, y una de
ellas fue mediante la conexión con MS Access vía DDE (Intercambio
dinámico de datos: protocolo establecido para intercambiar datos
entre aplicaciones windows) [5].
El sistema despliega en el monitor de la PC los datos de los 4 pacientes
correspondientes a: Temperatura corporal y su diagnóstico (normal,
fiebre o hipotermia), Nivel de oxígeno en la sangre (normal y anoxia),
Frecuencia respiratoria (normal, hipoventilación e hiperventilación)
y Frecuencia cardíaca (normal, bradicardia o taquicardia). En la
figura 2 se presenta la interfaz humano-máquina para el monitoreo
del sistema.
FIG.2 Interfaz Humano-Máquina para el monitoreo
del Sistema.
4.2 SOFTWARE: LabVIEW
LabVIEW es el acrónimo para designar un programa de National
Instruments que sus desarrolladores llaman Laboratory Virtual Instrument
Engineering Workbench. Se trata de una potente y versátil herramienta
de desarrollo orientado de manera primordial al campo del análisis
y la instrumentación en laboratorios. Los programas en LabVIEW se
denominan Instrumentos Virtuales o VIs (Virtual Instruments) por que su
apariencia y comportamiento pueden minimizar los de un instrumento de laboratorio
real; sin embargo, estos VIs son equivalentes a lo que en otros lenguajes
se llaman funciones y procedimientos. Un VI consta siempre de dos partes
diferenciadas, que son el Panel Frontal (o Front Panel que es la interface
de cara al usuario) y el Diagrama de Bloques (o Block Diagram que es el
código del programa en sí, escrito de manera gráfica).
Lo primero que se "opera" en la creación de un programa es el panel
frontal en donde se crearan controles de una paleta especifica para tal
fin, y los cuales servirán de fuente o sumidero de información
[6].
-
ETAPA DE TRANSDUCTORES
-
SENSOR DE TEMPERATURA. El transductor de temperatura se encarga de entregar
una señal digital. Se implementó un termómetro digital
en el cual su elemento sensor es un termistor, un circuito eléctrico
formado por un conjunto de resistencias, un transformador de 12 V junto
con un regulador de voltaje 78L05 y 79L05. Existe una etapa de adquisición
de la señal para ello se utiliza el termistor conjuntamente con
un puente de Wheatstone, que se encarga de acondicionar la salida de la
señal a niveles de milivolt [7].
-
SENSOR DE RESPIRACION. La señal de las respiraciones
del paciente son recogidas por un detector de umbral, el cual funciona
con el integrado 74LS13, posteriormente es llevada a un monoestable que
funciona con el 74LS123, y una vez que sigue la señal, esta entra
en un contador de tres dígitos el cual funciona con el 14553 y un
convertidor/multiplexor el cual es el 4511, para ir incrementándose
con las respiraciones del paciente, todo esto funciona con un temporizador
hecho con el 555 [7].
4.4 ETAPA DIGITAL: TARJETA DE INTERFAZ CON EL PC
La tarjeta de adquisición de datos PC30GA representa
el hardware que sirve de interfaz entre el circuito montado en la regleta
de conexiones y la computadora; se encarga de la conversión analógico-digital
para enviar los datos al microprocesador, el cual por medio de una adecuada
programación, puede leer los datos de las diferentes señales
[4]. Las características más resaltantes se tiene:
-
La sección A/D tiene 16 entradas sencillas u 8 diferenciales,
con resolución de 12 bits.
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Ganancias programadas de 1, 10, 100 ó 1000 en los
canales de entrada.
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Puede ser instalada en cualquier slot de una PC/AT o compatible.
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Muestreo simultáneo en los canales A/D con taza de
conversión de 100 kHz. y capacidad de tolerar rangos de entrada
comprendidos entre 0 a +10 V ó -5 a +5 V ó -10 a +10 V según
se requiera.
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Cuatro convertidores D/A de hasta 12 bits independientes
uno del otro que operan a 130 kHz.
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Rangos de salida (conversión D/A) de 0 a +10 V ó
-10 a +10 V ó -5 a +5 V según se requiera.
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Software soportado: Lenguajes de alto nivel como C, C++,
Turbo Pascal, LabVIEW, etc.
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RESULTADOS OBTENIDOS
El monitor del PC muestra las gráficas de las diferentes señales
fisiológicas (TC, SatO2, FC, FR) de los cuatro pacientes
con sus respectivas alarmas. También ofrece la opción de
guardar las lecturas de los pacientes en expedientes anexos a una base
de datos creada en Access con la hora y fecha en que se tomó la
lectura; de esta manera el médico encargado tiene la oportunidad
de revisar los registros de sus pacientes con la posibilidad de compararlos
para realizar un historial médico de acuerdo a la evolución
de cada uno de ellos. El volumen de expedientes que se puede almacenar
sólo está determinado por la capacidad del disco duro de
la PC.
Para el manejo y análisis de la señal ECG es indispensable
su tratamiento, que consiste en amplificación y filtraje, ya que
de lo contrario se presenta inconvenientes para apreciar la ocurrencia
de sus distintas partes y se incorporan una serie de ruidos de diversas
fuentes donde uno de los más significativos es el ruido de 60Hz.
Este ruido se logro atenuar gracias a la implementación de un filtro
rechaza banda con Fnotch en 60 Hz.
-
CONCLUSIONES
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Es importante reunir los distintos grupos de trabajo que realizan investigación
en ésta área de la Ingeniería Biomédica, para
aunar esfuerzos en el desarrollo de éste campo y permitir el intercambio
de conocimientos para el desarrollo de sistemas cada vez más efectivos
y que se adapten a las necesidades de los usuarios. Este hecho pone de
manifiesto la capacidad que hay en la Universidad de Los Andes, como promotora
de tecnología hecha en Venezuela.
-
Los avances científicos que se logran día a día
en el desarrollo de sistemas, tanto a nivel de software como de Hardware,
pueden ser incorporados progresivamente para ir facilitando las tareas
que el hombre desarrolla; en este caso en el campo de la medicina puede
servir de herramienta efectiva para que el usuario pueda actuar de forma
más rápida y precisa.
-
RECOMENDACIONES
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El uso de una tarjeta de adquisición de datos como la PC30GA
potencia las posibilidades de automatizar cualquier proceso de una forma
más apropiada. Además el hecho de que la tarjeta utilizada
contenga el software necesario para su práctico funcionamiento repercute
en facilidad y sencillez al momento de programar una aplicación.
-
Se espera igualmente que la aplicación desarrollada sirva como
proyecto piloto para una serie de pruebas a nivel de desarrollo de sistemas
de telemedicina de bajo costo que permitan extender los servicios de cuidados
de salud a centros de asistencia alejados de la ciudad. Para desarrollar
un sistema de telemedicina se requiere el uso de tecnología de telecomunicaciones,
informática médica y experiencia médica, para poder
realizar el diagnóstico de una enfermedad a distancia mediante la
comunicación remota entre médicos y especialistas por medio
de la videoconferencia. Es posible desarrollar sistemas de bases de datos
de imágenes y señales, además de la posibilidad de
accesar dichas bases de datos de manera remota. Estas aplicaciones están
basadas en el concepto de "sistemas distribuidos" dichos sistemas permiten
distribuir las actividades o procesos en diferentes computadoras y ejecutarse
concurrentemente para finalmente alcanzar un objetivo definido.
-
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
[1] Caraballo, A y Gabaldón, F., 1991. Manual de Exploración
Clínica. Universidad de Los Andes. Mérida-Venezuela.
[2] Medina, R. y Jugo, D., 1994. "Sistema de Adquisición y
Análisis de la señal ECG de alta resolución (Potardio)".
Grupo de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Los Andes.
Mérida-Venezuela.
[3] National Instruments. LabVIEW for Windows. Data Acquisition VI
Reference Manual.
[4] Eagle tecnology, 1996. User manual for the PC30F and PC30GA series
Boards. Manual del Usuario. Estados Unidos de América.
[5] Calderón-Vielma, Jesús, 1998. Instrumentación
Virtual. Reporte Postgrado en Automatización e Instrumentación.
Universidad de Los Andes.
[6] Calderón-Vielma, Jesús, 1999. Guía: Curso
de iniciación en LabVIEW. Universidad de Los Andes. Mérida-Venezuela.
[7] Hernández, F, Richard, 1998. Diseño e Implementación
de una Incubadora Automatizada, para el Monitoreo de Parametros Fisiológicos
en Recién Nacidos. Tesis de Grado. Universidad de Los Andes. Mérida-Venezuela.
-
AGRADECIMIENTO
A la Universidad de Los Andes, en especial al Laboratorio de Investigación
y Desarrollo en Automatización e Instrumentación de la Facultad
de Ingeniería.
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