Mediciones fotopletismográficas

Abstract

El presente trabajo trata sobre el manejo e implementación de un fotopletismógrafo, el cual permite sensar el ritmo cardíaco de una persona. Para su funcionamiento, se utilizan diferentes etapas de filtrado y amplificación de la señal muestreada.
El Fotopletismógrafo es un instrumento muy utilizado para la adquisición de signos vitales de un paciente. Con el fotopletismógrafo se monitorea de forma no invasiva la presión sanguínea; su funcionamiento se basa en la absorción diferencial de la luz reflejada desde los capilares del dedo hacia el fototransistor. Para la implementación se utilizó herramientas de Electrónica Básica, conceptos de programación y un entorno gráfico de Labview.

Full text

ESCUELA
SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL
CENTRO DE
INVESTIGACIÓN
CIENTÍFICA Y
TECNOLÓGICA
“Mediciones Fotopletismográficas”
G. Celi, M. Rocha, M. Yapur
Facultad de Ingeniería en Electricidad y Computación
Escuela Superior Politécnica del Litoral, Campus Gustavo Galindo, Km 30.5 vía Perimetral, Guayaquil, Ecuador
galgacel@espol.edu.ec, maliroch@espol.edu.ec, myapur@fiec.espol.edu.ec
Resumen
El presente trabajo trata sobre el manejo e implementación de un fotopletismógrafo, el cual permite sensar
el ritmo cardiaco de una persona. Para su funcionamiento, se utilizan diferentes etapas de filtrado y
amplificación de la señal muestreada. El Fotopletismógrafo es un instrumento muy utilizado para la adquisición
de signos vitales de un paciente. Con el fotopletismógrafo se monitorea de forma no invasiva la presión
sanguínea; su funcionamiento se basa en la absorción diferencial de la luz reflejada desde los capilares del
dedo hacia el fototransistor. Para la implementación se utilizó herramientas de Electrónica Básica, conceptos
de programación y un entorno gráfico de Labview.
Palabras Claves: Fotopletismógrafo, fototransistor, Labview.
Abstract
This paper deals with the management and implementation of a photoplethysmograph, which
allows sensing the heart rate of a person. For his performance, using different stages of filtering and
amplification of the sampled signal. The photoplethysmograph is a widely used tool for the acquisition of a
patient's vital signs. The photoplethysmograph monitors a non-invasive way the blood pressure, its operation is
based on the differential absorption of light reflected from the capillaries of the finger to the phototransistor.
Was used for the implementation basic electronic tools, programming concepts and a Labview graphical
environment.
Key Words: photoplethysmograph, phototransistor, Labview.
1. Introducción.
Todo fotopletismógrafo permite visualizar la
variación del volumen sanguíneo como
consecuencia de la actividad cardiaca. Para ello, se
utiliza una pareja de fotodiodo y fototransistor
acoplados para la adquisición de la señal proveniente
de un vaso sanguíneo del paciente. En este proyecto,
se ha desarrollado un fotopletismógrafo que va a
mostrar la forma de onda de las pulsaciones en un
osciloscopio virtual. Se incluyen conceptos básicos
de medicina acerca de presión sanguínea. La
siguiente parte será la explicación etapa por etapa de
la implementación y los pasos que se siguieron para
mostrar los resultados.
2. Conceptos Básicos.
2.1. Presión Sanguínea
La presión sanguínea es una medición de la
fuerza que se aplica sobre las paredes de las arterias
a medida que el corazón bombea sangre a través de
todo el cuerpo [1]. Esta presión puede ser de dos
tipos: la presión venosa, aquella que toma lugar en
las venas, y la arterial, la que ocurre en las arterias.

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La presión está determinada por la fuerza y el
volumen de sangre bombeada, así como por el
tamaño y la flexibilidad de las arterias. Los valores
de la presión sanguínea se expresan en kilo-
pascales (KPa) o en milímetros de
mercurio (mmHg).
Se puede distinguir en la presión arterial: La
presión sistólica que ocurre cerca del principio
del ciclo cardíaco durante la sístole o contracción
ventricular. La presión diastólica que ocurre en la
fase de diástole o relajación ventricular del ciclo
cardíaco [2].
2.2. Mediciones no Invasivas
Las mediciones no invasivas son aquellas que no
penetran la piel del paciente. Las formas más
comunes de mediciones no invasivas son: por
auscultación (escuchar), oscilométrica, palpación y
pletismográfico. Estos métodos son sencillos y
rápidos, además requieren menor pericia y no son
dolorosos para el paciente. El inconveniente con
estos métodos es que no tienen gran exactitud. Su
uso más común es para exámenes y monitoreo de
rutina [3].
3. Fotopletismografía.
3.1. Pletismografía
La Pletismografía consiste en registrar de una
manera no invasiva las variaciones de volumen
sanguíneo en las diferentes partes del cuerpo de una
persona, especialmente sus extremidades [4].
3.2. Fotopletismógrafo
Un Fotopletismógrafo se obtiene a menudo
mediante el uso de un opto-acoplador que ilumina
la piel y mide los cambios en la absorción de la luz
que se dan debido a que con cada ciclo cardíaco, el
corazón bombea sangre a la periferia. A pesar de que
este pulso de presión es algo amortiguado por el
tiempo que llega a la piel, es suficiente para dilatar
las arterias y arteriolas en el tejido subcutáneo [5].
El cambio de volumen causado por la presión de
pulso, es detectado en la piel con la luz infrarroja
que emite un diodo LED; luego se mide la cantidad
de luz transmitida o reflejada con un fototransistor.
Cada ciclo cardiaco aparece como un pico en la
forma de onda del Fotopletismógrafo. La forma de
la onda que entrega un PPG varía con la
localización y la forma en la que se adjunta el opto-
acoplador.
3.3. Técnicas de Captura
El Fotopletismógrafo obtiene la señal de las
variaciones aplicando la fotopletismografía en los
dedos; con este propósito se describen los tres tipos
de captura mostrados en la figura 1. Las tres técnicas
son: Trans-iluminado, reflexión de luz y Fibra
Óptica. La técnica de reflexión de luz fue la
utilizada para implementar la captura de la señal
fisiológica [6].
Figura 1. Técnicas de captura en la
Fotopletismografía.
3.4. Forma de Onda
La señal obtenida por cualquiera de las técnicas
mencionadas se ilustra en la figura 2.
Figura 2. Señal característica de la Presión
Sanguínea.
Esta es la señal característica de un
fotopletismógrafo, la cual está directamente
relacionada con la frecuencia cardíaca, donde cada
periodo de la señal corresponde a una pulsación del
corazón.
La señal presenta dos picos por cada periodo, el
pico mayor representa la presión sistólica y el
segundo pico representa el inicio de la presión
diastólica cuyo valor es el mínimo de la curva; los

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valores de estos picos indicaran la estabilidad de la
presión arterial de cada paciente además de dar
información sobre el ritmo cardiaco.
4. Diagrama Circuital.
En el presente capítulo se procederá a detallar
cada una de las etapas que conforman el
Fotopletismógrafo, tal como se muestra en el
diagrama de bloques de la Figura 3.
Figura 3. Diagrama de Bloques del
Fotopletismógrafo
4.1. Optoacoplador Infrarrojo
El optoacoplador de luz infrarroja consiste en un
diodo emisor de luz infrarroja y un fototransistor. En
los capilares de los dedos existe un cambio constante
del flujo sanguíneo, el mismo que produce
variaciones en la intensidad de la luz reflejada, la
cual será detectada por el fototransistor. La
configuración que se utiliza es la que se aprecia en la
figura 4, la señal adquirida desde el dedo es VA,
cuya sensibilidad varía de acuerdo al valor del
potenciómetro de precisión de 10KΩ.
Figura 4. Optoacoplador Infrarrojo.
4.2. Filtro Pasa-Alto
El propósito del filtro pasa-alto es remover las
variaciones de voltaje causadas por el movimiento
del dedo y el voltaje de polarización DC del
optoacoplador, todo esto para asegurar que la
siguiente etapa del circuito no esté saturada y pueda
operar adecuadamente.
Ingresa la señal proveniente del Optoacoplador
VA y la salida será VB, como se aprecia en la figura
5.
Figura 5. Filtro Pasa-Alto.
La ganancia Av y frecuencia de corte fL pueden
ser determinadas a partir de los siguientes cálculos.

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De acuerdo a estos cálculos se puede establecer
que el filtro operará desde una frecuencia de 0.3Hz y
tendrá una ganancia de 1.56.
4.3. Amplificador de Ganancia
La figura 6 muestra una configuración que es
usada para amplificar la señal VB para la siguiente
etapa del circuito. La salida será VC.
Figura 6. Amplificador Inversor.
Este es un amplificador inversor de ganancia
100, la cual se determina mediante la siguiente
ecuación.
4.4. Filtro Pasa-Bajo de Cuarto Orden
El objetivo del filtro pasa-bajo de cuarto orden
de las figuras 7 y 8, es remover el ruido de alta
frecuencia de la fuente de poder, luz y lámparas
fluorescentes. La entrada es VC.
Figura 7. Filtro pasa-bajo de cuarto orden.
Figura 8. Filtro pasa-bajo de cuarto orden.
Se emplea dos filtros pasa-bajos de segundo
orden Butterworth, conectados en serie para formar
el filtro pasa-bajo de cuarto orden, el cual mejora su
selectividad. Sus ganancias Av1 y Av2, además de
sus frecuencias de corte fH1 y fH2 son determinadas
mediante las siguientes ecuaciones:

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La señal resultante de esta etapa será Vo1, la cual
muestra la onda de la presión sanguínea. De esta
manera se aprecia que el rango en el cual trabajará el
Fotopletismógrafo es de 0.3Hz a 10.6Hz.
4.5. Diferenciador
El circuito diferenciador de la figura 9 es
utilizado por lo general como indicador de la
velocidad de cambio en control de procesos, en el
caso específico del fotopletismógrafo puede acentuar
el volumen de cambio de la señal de presión
sanguínea, ya que siempre está variando entre la
presión sistólica y diastólica.
La entrada será la señal Vo1 la cual después de
pasar por el diferenciador será la señal VD.
Figura 9. Diferenciador.
Las ecuaciones del voltaje de salida y frecuencia
de corte son mostradas a continuación:
Con el resultado de la frecuencia de corte se
puede determinar que hasta 3.38Hz, equivalentes a
203 latidos por minuto, el circuito actúa como
diferenciador. De esta manera se asegura su correcto
funcionamiento.
4.6. Comparador
De acuerdo a la figura 10, el voltaje de conducción
del diodo D2 es usado como un voltaje umbral. El
diodo Zener D1 es usado para limitar el voltaje de
entrada del comparador.
En un latido de corazón, el comparador puede
generar solo un pulso que es usado para disparar el
multivibrador monoestable.
Figura 10. Comparador.

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4.7. Multivibrador Monoestable
La figura 11 muestra el multivibrador
monoestable que recibe la señal VF y produce un
pulso por cada señal de disparo positivo que recibe
el multivibrador la cual será la señal Vo2. El LED
conectado a la salida del multivibrador titilará una
vez por cada latido del corazón.
Figura 11. Multivibrador Monoestable.
El ancho del pulso tw es controlado por el resistor
R21 y el capacitor C13, y está dado por la siguiente
ecuación:
4.8. Digitalización de señales Vo1 y Vo2.
Como se puede apreciar en la figura 12, se
muestran las entradas y salidas del microcontrolador
16F886. Los puertos 0 y 1 del registro RA serán las
entradas analógicas de las señales VG y Vo2
respectivamente. El LED conectado al puerto 2 del
registro RA indicará el correcto funcionamiento del
PIC.
La salida digitalizada será por el puerto 6 del
registro RC e irá al módulo convertidor de serial a
USB como VH.
Figura 12. Digitalización de la Señal Vo1 y Vo2.
4.9. Código del PIC.
A continuación se muestra el código del
microcontrolador 16F886.
ProgramCodigoDigitalizador
dim VO1,VO2 as byte
dim tx_VO1,tx_VO2 as string[4]
main:
OSCCON=%01110101 'DEFINE LA VELOCIDAD DEL
OSCILADOR INTERNO EN 8MHZ
OPTION_REG=$80
intcon=0
ANSEL=%01100000 'DEFINE ENTRADAS ANALOGICAS Y
SALIDAS DIGITALES
ANSELH=0
CM2CON0=0
TRISA=%00000000 'SE INICIALIZA LOS PUERTOS COMO
ENTRADAS
TRISB=0
TRISC=%10000000 'SE INICIALIZA COMO PUERTO DE
ENTRADA Y SALIDA
TRISE=%00000011 'SE INICIALIZA COMO PUERTO DE
ENTRADA Y SALIDA
VO1=0
VO2=0
Usart_Init(19200) 'Initialize USART module
Delay_ms(100) 'RETARDO PARA EL LED INDICADOR
portA.2=1
Delay_ms(100)
portA.2=0
Delay_ms(100)
portA.2=1
Delay_ms(100)
portA.2=0
Delay_ms(100)

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portA.2=1
WHILE(1)
VO1 = Adc_Read(5)>>2
VO2=Adc_Read(6)>>2
ByteToStr(VO1 ,tx_VO1 ) 'CONVIERTE V01 EN STRING
Y GUARDA EN tx_V01
ByteToStr(VO2 ,tx_VO2)
USART_Write(97) '97 ES EL CODIGO ASCII DE LA
LETRA “a”
Usart_Write_Text(tx_VO1)
USART_Write (98) '98 ES EL CODIGO ASCII DE LA
LETRA “b”
Usart_Write_Text(tx_VO2)
Delay_ms(20)
WEND
end.
4.10. Convertidor Serial a USB
Para la transmisión de los datos se utiliza el
módulo USB-USART de la figura 13, el cual
permite la comunicación serial por puerto USB para
hacer interface con una computadora o PC. La
transferencia de datos se da a 19200 Baudios.
La señal digital que viene del PIC, VH, entra al
pin Rx del módulo USB-USART y la resultante es
transmitida por el puerto mini-USB hacia el
computador.
Figura 13. Módulo USB-USART.
4.11. Interfaz Gráfica
Para la presentación de la señal de presión
cardíaca en el computador se utiliza el entorno
gráfico de Labview, figura 14.
Figura 14. Programación en Labview.
Se programó gráficamente un entorno que recibe los
datos enviados por el PIC a través del puerto serial,
luego los lee, los reconoce y los procesa. Labview
trabaja con un tipo de programación concurrente,
por lo que las dos señales Vo1 y Vo2 serán
procesadas al mismo tiempo. El usuario puede
cambiar los parámetros de configuración de puerto
serial como lo son el puerto COM designado y la
velocidad de muestreo; también se puede variar el
valor de frecuencia de corte del filtro pasa-bajo
digital que se ubicó para suavizar la señal Vo1. La
señal Vo1 será mostrada en un osciloscopio, también
se podrá apreciar el valor de la frecuencia cardiaca
tanto en Hz como en bpm.
5. Pruebas y Resultados
Una vez acoplado el circuito y el computador a
través del puerto USB de la misma, el
Fotopletismógrafo está listo para realizar las
diferentes pruebas de funcionamiento.
El gráfico 15 presenta la señal Vo1 y la frecuencia
cardiaca al momento de realizar una medición.

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Figura 15. Presión Sanguínea y Frecuencia
cardiaca.
6. Conclusiones.
Después de realizar diferentes pruebas, se puede
concluir lo siguiente:
La adquisición de la señal fisiológica a través del
dedo con el Opto-acoplador infrarrojo reduce en
gran medida el ruido producido por la luz visible,
pruebas realizadas con otro tipo de Opto-acoplador
producía muchos problemas al captar la señal por el
ruido antes mencionado.
La utilización de filtros en el proyecto es
indispensable para eliminar los ruidos presentes en
la medición al momento de adquirir la señal; el
fotopletismógrafo opera en su diseño circuital de
0.3-10.6 Hz, con este rango de frecuencia se asegura
la disminución de los ruidos ocasionados por los
movimientos en el dedo (ruido de baja frecuencia) y
los que son producidos por la luz visible.
Finalmente, se ha implementado el
fotopletismógrafo con la ayuda de conceptos
elementales de presión sanguínea y configuraciones
de Electrónica Básica; luego de realizar varias
pruebas y de acuerdo a las mediciones obtenidas, se
puede decir que el fotopletismógrafo entrega
resultados bastante confiables y las señales de ruidos
presentes en las mediciones, se han reducido lo
mayormente posible.
7. Recomendaciones.
A lo largo de la implementación del circuito y la
interfaz gráfica que da como resultado el
Fotopletismógrafo se encontraron muchas
dificultades, es por ello que a continuación se
detallará algunas sugerencias que ayudarán al
perfecto funcionamiento de esta herramienta:
El potenciómetro de precisión en la etapa del
Opto-acoplador debe estar debidamente calibrado,
de esta manera asegurar la obtención de la señal
fisiológica.
Verificar con que COM está trabajando el puerto
USB escogido para la transmisión de datos, ya que
este parámetro puede incidir para que la interfaz
gráfica no muestre dato alguno.
8. Referencias.
[1] Sociedad Ecuatoria de Medicina Familiar, La
hipertensión, http://www.saluddealtura.com/todo-
publico-salud/salud-nutricion-
familia/enfermedades/hipertension-
informacion/hipertension0/, Agosto de 2005.
[2] Barillaro, G., Entorno Médico,
http://entornomedico.blogspot.com/2009/12/pulso-
arterial.html, 12 de Enero de 2009.
[3] Thibodeau, G. & Patton, K., Estructura y
Función del Cuerpo Humano, ELSEVIER 13va Ed.,
2008.
[4] Rutherford, R. B., Rutherford cirugía vascular,
ELSEVIER 6ta Ed., 2006.
[5] Marinel-Lo Roura, J. & Samsó, J. J., Diagnóstico
hemodinámico en angiología y cirugía vascular (Vol.
I), Glosa, 2003.
[6] Martínez González, D., Sistema autónomo para
la medida óptica del ritmo cardíaco, Universidad
Politécnica de Cataluña, España, 2008