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.

 

  1. 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

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.

 

  1. 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].

  1. 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].
  1. 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.
  1. 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].
  1. ETAPA DE TRANSDUCTORES
  1. 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].
  2. 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:
  1. La sección A/D tiene 16 entradas sencillas u 8 diferenciales, con resolución de 12 bits.
  2. Ganancias programadas de 1, 10, 100 ó 1000 en los canales de entrada.
  3. Puede ser instalada en cualquier slot de una PC/AT o compatible.
  4. 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.
  5. Cuatro convertidores D/A de hasta 12 bits independientes uno del otro que operan a 130 kHz.
  6. Rangos de salida (conversión D/A) de 0 a +10 V ó -10 a +10 V ó -5 a +5 V según se requiera.
  7. Software soportado: Lenguajes de alto nivel como C, C++, Turbo Pascal, LabVIEW, etc.
 
  1. 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.

 

  1. CONCLUSIONES
  1. RECOMENDACIONES
 
  1. 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.

 

  1. 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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