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I
Facultad de Ingeniería
Carrera de Ingeniería Electrónica
“Diseño de un prototipo de monitoreo
oximetrico Adulto-Pediátrico
hospitalario”
Autor: David Alvarez Quispe
Para obtener el Título Profesional de
Ingeniero Electrónico
Asesor: Ing. Robert. Quispe Romero
Lima, junio 2019
PROGRAMA ESPECIAL DE TITULACIÓN
II
DEDICATORIA
Dedicatoria: A mis Padres,
hermanos por guiarnos
en el camino
III
AGRADECIMIENTOS
A mis padres y hermanos por el incondicional apoyo durante todos esos años de
formación, Finalmente a todas gracias.
IV
RESUMEN
El presente proyecto mostrado en el informe de suficiencia tuvo su progreso en el
Hospital II Ramón Castilla. el trabajo contiene el diseño de un oximetro de pulso para
monitorear una función vital llamada saturación de oxígeno. Que controlara los niveles de
oxígeno con el fin prevenir un daño. Para el censado utilizaremos sensores hospitalarios
de monitores que tienen esa función y otros oximetros (Nellcor, nonin, edan, Philips, BCI),
además que estos sensores son comerciales en el mercado actual. el cual acondicionara
la señal para un buen procesamiento del microcontrolador que se encargara de procesar
las señales tomadas. Para luego mostrarlo por una pantalla, El sistema a desarrollar
mejoraría la atención en los ámbitos hospitalarios tales como salas de emergencia,
cuidados intensivos, salas de operaciones, ya que en la actualidad se hace
imprescindible su uso.
En el 1er capítulo se describirá la situación problemática el cual se describirá el problema
principal, los objetivos, alcances y limitaciones, en el 2do capítulo se desarrollará el
marco teórico, donde se describen los fundamentos teóricos, diagrama de bloques, en el
3er capitulo expondrá el diseño del sistema, en el 4to capítulo se mostrarán los
resultados obtenidos del proyecto.
V
INDICE GENERAL
Pagina
DEDICATORIA ................................................................................................................. II
AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................III
RESUMEN ....................................................................................................................... IV
INDICE GENERAL ........................................................................................................... V
INDICE DE FIGURAS ..................................................................................................... VII
ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................ IX
ÍNDICE DE ECUACIONES ............................................................................................... X
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. XI
CAPITULO 1 ..................................................................................................................... 1
SITUACIÓN PROBLEMÁTICA ......................................................................................... 1
1.1 Descripción del Problema ........................................................................................ 1
1.2 Objetivos. ................................................................................................................ 2
1.2.3 justificación ....................................................................................................... 2
1.3 Alcance y limitaciones ............................................................................................. 3
1.3.3 muestra poblacional .......................................................................................... 4
1.3.4 estado del arte .................................................................................................. 5
CAPITULO 2 ..................................................................................................................... 8
MARCO TEÓRICO ........................................................................................................... 8
2.1 teoría pulsioximetria ................................................................................................ 8
2.2 Oxígeno................................................................................................................... 9
2.2.1 La sangre .......................................................................................................... 9
2.2.2 Pulso cardíaco .................................................................................................10
2.2.3 Hemoglobina ....................................................................................................11
2.2.4 cálculo para la saturación de oxigeno ..............................................................14
2.2.5 Pletismografica. ...............................................................................................18
2.2.6. Ley de Beer Lambert ......................................................................................18
2.3 Emisor y receptor ...................................................................................................20
2.7 Modelamiento .........................................................................................................30
CAPITULO 3 ....................................................................................................................37
DESARROLLO DE LA SOLUCION ..................................................................................37
3.1 diseño del sistema de filtrado .................................................................................37
3.3 diseño del sistema control. .....................................................................................42
CAPITULO 4 ....................................................................................................................47
VI
RESULTADOS ................................................................................................................47
4.1 simulaciones ..........................................................................................................47
CONCLUSIONES ............................................................................................................50
RECOMENDACIONES ....................................................................................................51
GLOSARIO ......................................................................................................................52
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................54
ÍNDICE DE ANEXOS .......................................................................................................58
VII
INDICE DE FIGURAS
Figura 2. 1 Funcionamiento de un oximetro ..................................................................... 8
figura 2. 2 Coeficientes de hemoglobinas. ......................................................................12
figura 2. 3 transferencia de la señal pletismografica. ......................................................13
figura 2. 4 ley de beer-lambert .......................................................................................15
figura 2. 5 Curvatura de hemoglobina. ............................................................................16
figura 2. 6 Diagrama del sistema pletismografico en bloques ...........................................18
figura 2. 7 la Absorción de la luz HbO2 y Hb ....................................................................19
figura 2. 8 en función a la longitud del recorrido ...............................................................20
figura 2. 9 Fig.(a) espectro del emisor, fig.(b) espectro del receptor ................................20
figura 2. 10 Diagrama interno del DS-100A. ....................................................................21
figura 2. 11 características de los emisores led ...............................................................22
figura 2. 12 característica fotodetector ............................................................................23
figura 2. 13 diagrama conector db9. ................................................................................23
figura 2. 14 controlador led. tipo puente H. .....................................................................24
figura 2. 15 límites de control para los diodos. ................................................................25
figura 2. 16 Filtro pasa bajos. ..........................................................................................26
figura 2. 17 circuito pasa altos ........................................................................................27
figura 2. 18 circuito amplificador. .....................................................................................28
figura 2.19 circuito del sensor. ........................................................................................28
figura 2. 20 diagrama de bloques inicial del proyecto. ......................................................29
figura 2. 21 Diagrama de bloques del prototipo. ...............................................................30
figura 2. 22 diagrama pictórico .........................................................................................30
figura 2. 23 diagrama de estado. .....................................................................................31
figura 2. 24 diagrama de flujo ...........................................................................................33
figura 2. 25 Diagrama Jerárquico. ....................................................................................34
VIII
figura 2.26 sistema amplificador ………………………………………………………………35
figura 2.27 (a)proceso de carga. (b)proceso de descarga …………………………………36
figura 3.1 filtro pasa bajo/pasa alto …………………………………………………………...39
figura 3.2 (a) npn y (b) pnp ……………………………………………………………….……39
figura 3.3 polarización 2n3904………………………………………………………..…….….40
figura 3.4 grafica del punto de trabajo…………………………………………………………41
figura 3.5 etapa control de leds………………………………………………….……………..41
figura 3.6 sistema completo. Prototipo de oximetro………………………….………………44
figura 3.7 sistema PCB completo. Prototipo de oximetro…………………….………….….45
figura 4.1 etapa del amplificador……………………………………………..….……...……..47
figura 4.2 señal amplificada osciloscopio…………………………………….……......……..48
figura 4.3 prueba de software .………………………………………………….……………..48
IX
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Muestra en reposo la frecuencia cardiaca de hombres y mujeres ……….………10
Tabla 2 la saturación en relación a la altitud …………………………………………………17
Tabla 3 de parámetros del amplificador ……………...……………………………………….35
Tabla 4 de parámetros del fotodiodo …………....…………………………………………….36
Tabla 5 comparación entre el oximetro normal y el diseñado ……………………………...49
Tabla 6 cuadro comparativo con características técnicas …………………...……………..49
X
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1. Tamaño de la muestra………………………………………………….…4
Ecuación 2. Tamaño de muestra ajustada……………………………………...…….4
Ecuación 3 método empírico de la saturación.....................................................14
Ecuación 4. longitud óptica recorrida………………………………… .….……..…..15
Ecuación 5 voltaje de salida.................................................................................26
Ecuación 6 Frecuencia de corte...........................................................................26
Ecuación 7 ley de ohm.........................................................................................26
Ecuación 8 .voltaje de salida del amplificador.......................................................28
Ecuación 9 .amplificación………………………………………………………..…….35
Ecuación 10.el proceso de carga del fotodiodo....................................................36
Ecuación 11. Para el proceso de descarga del fotodiodo.....................................36
Ecuación 12. La ganancia.....................................................................................37
Ecuación 13. El Filtro pasa alto.............................................................................37
Ecuación 14.Filtro pasa alto..................................................................................38
Ecuación 15.corriente del colector........................................................................40
Ecuación 16. Corriente de Saturación………………………………..……….......…40
Ecuación 17.corriente de base……………………………………………….....….…40
XI
INTRODUCCIÓN
Actualmente la población en su mayoría es atendida por ministerios de salud. Estos
centros de salud tienden a tener una carencia de equipos médicos ya sea por bajo
presupuesto o a su gran cobertura. A diferencias de clínicas particulares y centros de
salud de la policía y fuerzas aéreas, donde sus carencias son mínimas. esta forma de ser
no difiere por lo regular en otros países. por eso se vio la necesidad de aportar una idea y
así poder dar una solución para un tipo de carencia hospitalaria. por lo que se diseñó un
oximetro de pulso que actualmente es un equipamiento mínimo recomendado para
pacientes de cuidados intensivos, emergencia y hospitalizados. Para alcanzar dichos
objetivos se vio la necesidad de aprender técnicas no invasivas en la detección de
señales. por lo que se vio la necesidad de utilizar sensores ópticos y mediante la ley de
lamber beer y principios de absorción, se pudo obtener los valores para hallar la
saturación de oxígeno. Con la utilización de un microprocesador se podrá enviar
protocolos que sería la forma por la cual se procesaría y realizaría diferentes funciones
de detección y análisis que posteriormente se filtrarían y se mostrarían por una pantalla
(Lcd)
XII
se debe mencionar que, aunque existen actualmente diferentes marcas de equipos que
cumplen dicha función, pero se encuentran vinculadas a una o más parámetros médicos
(módulos de 5 o 6 parámetros). por lo que al fallar una se requiere cambiar todo el
módulo. que pocas veces se encuentra en el mercado y aun precio elevado por lo que se
tiene un exceso de sensores sin uso. Es por eso que la tecnología en este trabajo es
compatible con dichos sensores modulares.
Por lo que económicamente estos equipos se hacen accesibles a los centros de salud. el
presente informe se desarrollarla un prototipo Oximetrico mejorado.
1
CAPITULO 1
SITUACIÓN PROBLEMÁTICA
1.1 Descripción del Problema
Según la organización mundial de la salud los problemas respiratorios causan de un 20 a
25 por ciento son casos de neumonía y del 45 al 50 por ciento son bronquiolitis en niños
hospitalizados. En Perú del 2012 al 2017 según MINSA muestra que los problemas
respiratorios agudos no bajan de 698324 casos anuales en niños de 4 años o menos. De
los cuales 5484 son neumonía. (ISSN 2415-0762, 2017), debido a lo costoso de los
equipos médicos hay mucha carencia dentro de los ambientes hospitalarios (sala de
operaciones, emergencia y hospitalización). Debido a la necesidad del constante
monitoreo de los pacientes. Actualmente los oximetros se encuentran integrados dentro
de los monitores junto a otros parámetros vitales que al malograrse un parámetro como la
presión por ejemplo el equipo quedaría malogrado y no se usaría. Perdiendo el uso de
sus demás funciones Asia el paciente ya que al encontrarse todas las pruebas dentro de
un mismo modulo sus accesorios no se usarían. estos equipos no son portátiles por lo
que solo se monitorearía un paciente constantemente lo que dificulta aún más la atención
debida. Aunque en los almacenes cuenten con distintos tipos de sensores. Existen varios
equipos que se encuentran dañados y el costo de sus repuestos es elevado o se no hay
2
en el mercado. Aunque existen pocos equipos independientes de bajo costo (tipo dedal).
sus sensores están integrados por lo que solo es desechable si se malogra. El objeto de
esta investigación es dar una solución a este dilema. Diseñando un equipo Oximetrico
portátil capaz de competir en el mercado usando sensores comerciales desmontables y
aun bajo costo.
1.2 Objetivos.
1.2.1 Objetivo General
• Diseñar un prototipo de monitoreo Oximetrico adulto pediátrico hospitalario
1.2.2 Objetivo Especifico
• Diseñar un sistema de amplificación y filtrado sencillo no invasiva para
mejorar el control del censado.
• Diseñar un programa para el procesamiento de la señal deseada.
• Diseñar la unidad de control que permita realizar una adecuada conversión
análoga /digital de la señal obtenida.
1.2.3 Justificación
El siguiente trabajo de investigación se justifica por las siguientes razones:
Por su relevancia social: pues no es solo beneficiaría al personal de salud sino para los
hogares con familiares delicados (asmáticos, postrados…).
Por su valor teórico: aportaría un conocimiento para el campo de la Ing. Biomédica, ing.
mecatrónica, Ing. Electrónica, Ing. Sistemas y otras ingenierías. sobre la programación y
manejo de sensores de medición por longitud de onda para quienes quieran saber sobre
el tema.
3
Por sus implicaciones prácticas: resolvería el problema de la necesidad con respecto a la
monitorización, en este caso la medición de oxígeno en la sangre (saturometros).
Se justifica económicamente: porque es accesible a diferencia de equipos médicos de
gama alta que son muy costosos.
Por su metodológica: porque brindaría un nuevo instrumento de monitorización de datos
vitales.
1.3 Alcance y limitaciones
Descripción de los alcances y limitaciones del proyecto:
1.3.1 Alcances
• La interfaz de usuario seria de fácil manejo al usuario
• Se daría uso de un patrón para decidir que fragmento del sistema se podrá
simplificar
• La muestra obtenida se aplicará sobre las medidas descifrables para poder
mostrar un texto fácil de entender
1.3.2 Limitaciones
• Dificultad de identificar la señal proveniente del sensor. debido a que el
medio generaba un retraso. (exceso de cables, equipos electromecánicos
cercanos y luz).
• Al retiro del sistema abría que limpiar la ventana del sensor para un
adecuado uso del sistema
• El sistema no podrá guardar información del paciente
4
1.3.3 Muestra poblacional
el desarrollo de la muestra poblacional se llevó a cabo en el hospital 2 ramón castilla el
área de consultorios de emergencia. donde regularmente se atienden a 52 pacientes
cada 12 horas dándonos 104 pacientes diarios.
Nivel de confianza 99.7% (z=3), planteado un error aceptable del 7%(e=1.96 que sería un
error máximo permitido) y al no estar seguro de la proporción de pacientes que poseen la
necesidad de estudio se utiliza el valor por defecto (p=0.5).
Ecuación 1. Tamaño de la muestra
Ecuación 2. Tamaño de muestra ajustada
n0 = Z2.P.q/e2 …………ecuación 1
= 32.(0.5)(1−0.5)
(0.07)2 ≈ 459
N = 𝑛0
1+𝑛0−1
𝑁
……………ecuación 2
= 459
1+459−1
104
≈ 84.93 … Proporción de personas que usan la muestra
5
1.3.4 Estado del arte
En el mundo el uso del oximetro para monitorización y diagnóstico de pacientes está
establecido dentro de UCI, sala de operaciones y emergencia, hoy en día estos equipos
dejaron de ser estacionarios para ser portátiles dejando de ser un inconveniente para su
necesidad de uso. las enfermedades respiratorias afectan a muchas personas en todo el
mundo. Debido a esto es mayor el uso de estas herramientas para su evaluación y
monitoreo.
A nivel internacional, en España el 2017, se realizó un diseño e implementación de un
pulsioximetro el equipo usa un sensor Nellcor ds100A y un microcontrolador arduino para
alimentación del sensor y control de la información.
Y cuenta con una aplicación para dispositivos Android ya sea celular o table que
permitirá almacenar los datos de los registros del equipo. que contaba con una
pantalla(lcd).que permitía la visualización del SPO2 en la sangre arterial y el ritmo
cardiaco. Este proyecto contaba con componentes de bajo consumo de potencia asi
poder minimizar el consumo de la energía otorgada por la fuente. y además es asequible
en el mercado. De rápida interpretación de proceso fisiológico para el proceso de
obtención de señales biológicas. (López, 2017)
Pero en España en el 2017 , se hizo un estudio sobre la saturación de oxígeno en
mujeres deportistas, con el objeto de determinar la saturación transcutanea de oxígeno
en mujeres deportistas de distintas razas y buscar la conexión de dicha determinación de
los umbrales ventilatorios aeróbico y anaeróbico, Analizando su comportamiento durante
el esfuerzo máximo, así como el tiempo de la saturación de oxígeno, con los valores
independientes de las deportistas catalogadas por edad, talla, peso, frecuencia cardiaca
6
máxima alcanzada en la prueba , consumo de oxígeno basal y consumo máximo de
oxigeno)” (Galindo, 2017)
Aunque en Sudamérica ecuador en el 2016, se realizó un proyecto de diseño y
construcción de una red de monitoreo de signos vitales en adultos mayores con
deficiencia de movilidad, cuyo sistema permitía la monitorización de varios signos vitales:
presión arterial, saturación de oxígeno y frecuencia cardiaca, permitía visualizar los datos
en la computadora de la estación de enfermeras además que los valores normales eran
enviados por mensaje de texto al celular del especialista. Para ese procedimiento se
utilizó arduino para conectar a internet (arduino gsm shield), para enviar mensajes de
texto (arduino celular shield) y sim900 para envió de mensajes de bajo consumo de
energía. (Navarrete & herreria, 2016)
Asimismo, en Perú, en el 2014 se realizó el diseño e implementación de un módulo de
oximetría de pulso mediante una tarjeta nidaq y labview. Dicho sistema cuenta con una
tarjeta de y el uso del software labview que permite crear el programa de forma
ejecutable, el procesamiento de la información y visualización será en una computadora
(benite, 2014)
Luego en el 2016 se construyó un simulador de paciente biomédico para evaluar
electrocardiógrafos oximetros de pulso. Dicho sistema cuenta con un sensor tipo dedal,
para la etapa de visualización cuenta con una impresora térmica, el simulador utiliza un
microprocesador pic18452 y para la visualización de la saturación una pantalla grafica o
display de 7 segmentos (pérez, 2016)
7
También un año antes en España se diseñó un pulsioximetro de interfaz gráfica a una pc.
El cual mostraría la saturación de oxígeno y ritmo cardiaco con una pantalla de
computadora. que nos mostraría la onda pletismografica. Se utilizó un microcontrolador
arduino nano para la captura de datos y procesamiento. El sistema no cuenta con fuente,
pero puede trabajar con una batería de 5 voltios. (moreno, 2015)
8
CAPITULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1 Teoría Pulsioximetria
El pulsioximetro es considerado el quinto signo vital siendo los otros la presión arterial,
temperatura, frecuencia respiratoria y ritmo cardiaco .es un modo de medición no
invasivo de la medición del porcentaje de oxígeno en la sangre, (guillermo)Para eso re
utiliza longitudes de ondas representativas atreves de la piel y un fotoreceptor que
captaría la señal emitida que no es absorbida por el cuerpo. Mostrado en la figura 2.1.
(Llamoca, 2012)
Figura 2. 1 Funcionamiento de un oximetro (Llamoca, 2012)
9
Este sistema de medición tiene su fundamento en base a la teoría de espectrofotometría,
que permite saber la concentración de un cuerpo por medio de su retención óptica
durante una longitud de onda preestablecida. Se puede encontrar cuatro diferentes tipos
de hemoglobina que por medio de las leyes de Lambert–beer, transmitancia, absorbancia
podemos medir los cambios en el flujo sanguíneo. Por eso es necesario colocar el
sistema en partes traslucidas del cuerpo y donde haya un buen flujo sanguíneo (sangre
arterial). como son los dedos de la mano el pie, la frente, el puente situado por la nariz y
el lóbulo que está en la oreja (Alarcó, 2015). Donde se procederá a emitir dos tipos de
onda diferentes alternadas por el led de luz infrarrojo y luz roja hacia un fotodetector.
Luego se mide la absorción de la longitud de onda consiguiéndose así la saturación de
oxígeno y el ritmo cardiaco. (lopez, 2017)
2.2 Oxígeno
Elemento químico cuyo número atómico es 8 y se representa molecularmente: O2. en
temperatura ambiente se vuelve en estado gaseoso, incoloro e inodoro. El planeta tierra
tiene un 20,9% de oxígeno. Se involucra fuertemente en el ciclo energético y prioritario
durante la respiración celular de los seres aeróbicos. (moreno, 2015)
2.2.1 La sangre
Es un componente indispensable en cualquier sistema circulatorio; tejido líquido
circulante en las venas y arterias del cuerpo. Se compone de varias partes (glóbulos
rojos, glóbulos blancos, plasma entre otros).su volumen depende de la talla, el peso, sexo
y edad, en un adulto varia de 4.5 a 6 litros de sangre, su color es debido a la presencia de
hemoglobina contenida en los glóbulos rojos. (López, 2017)
10
Los glóbulos rojos tienen la función de transportar sustancias alimenticias y oxigeno que
son captadas en el sistema digestivo y respiratorio para luego ser liberado en las células
en todo el cuerpo. Llevando el co2 desde las células hasta los pulmones para proceder
su eliminación y recoger los desechos producidos por las células para depositarlos en los
órganos excretorios. Capta hormonas y los deposita en sus órganos blancos y transporta
enzimas, amortiguadores y sustancias bioquímicas; regula el PH mediante las sustancias
amortiguadas y regula la temperatura corporal que lo llevaría a la superficie de la piel,
mediante la presión osmótica regula el contenido de agua en las células; protege
mediante la coagulación la pérdida de sangre y formación de anticuerpos contra las
enfermedades. (Raymundo & Talla, 2012)
El volumen sanguíneo varía de persona en persona. Se estima de este modo:
70 ml x peso en kg.
2.2.2 Pulso cardíaco
Llamado también frecuencia cardíaca, son las contracciones del corazón o
Pulsaciones en un determinado tiempo. Siendo el corazón un músculo miogénico, porque
se excita a sí mismo, produciendo contracciones de manera automático. Las
contracciones se producen debido al pulso eléctrico. Que comienza en la pared superior
de la aurícula derecha. Esta corriente estaría en microamperio, desde las aurículas y
pasa a los ventrículos. Debido al impulso es que la sangre se comporta como un fluido
pulsátil, debido a eso se puede medir con el pulsioximetro. La
Tabla 1 Muestra en reposo la frecuencia cardiaca de hombres y mujeres.
11
Tabla 1. valores de la frecuencia cardiaca hombres y mujeres (moreno, 2015)
2.2.3 Hemoglobina
Es una proteína que se encuentra en grandes concentraciones de los glóbulos rojos cuya
función en el transporte de O2 de los pulmones a los tejidos y asimismo del transporte del
CO2 al sistema respiratorio. Los valores normales en hombre varia de 13 a 18 g/dl y en
mujeres de 12 a 16 g/dl. .la hemoglobina se divide en 4 tipos. cada una con una con
distinto tipo de absorción de luz estos son: hemoglobina oxigenada (HbO2), lleva el
oxígeno a los tejidos del cuerpo y hemoglobina reducida (RHb), es semisaturada dentro
de la sangre venosa; carboxihemoglobina (HbCO), resulta de la unión con el CO y la
metahemoglobina (HbMet), que es por la oxidación de la hemoglobina y no transporta
oxígeno. Como se ve en la figura 2.2. (Raymundo & Talla, 2012)
Frecuencia cardiaca reposo para hombre
edad mala normal buena Muy buena
20-29 86 o mas 70-84 62-68 60 o menos
30-39 86 o mas 72-84 64-70 62 o menos
40-49 90 o mas 74-88 66-72 64 o menos
50-59 90 o mas 74-88 68-74 66 o menos
60 o mas 94 o mas 76-90 70-76 68 o menos
Frecuencia cardiaca reposo para mujeres
edad mala normal buena Muy buena
20-29 96 o mas 78-94 72-76 70 o menos
30-39 98 o mas 80-96 72-78 70 o menos
40-49 100 o mas 80-98 74-78 72 o menos
50-59 104 o mas 84-102 76-82 74 o menos
60 o mas 108 o mas 88-106 78-88 78 o menos
12
figura 2. 2 Coeficientes de hemoglobinas. (Ronquillo & Salgado, 2013)
A la RHb y a la HbO2 predominan en condiciones normales, y por lo tanto son óptimos en
el desarrollo en este tipo equipos, aunque se pensó que eran los únicos presentes en el
plasma sanguineo. Teniéndolo presente,las dos diferentes longitudes de onda de la luz
se basa en que la Rhb y la HbO2 poseen la propiedad de la absorción de la luz,
claramente diferenciadas por rangos del espectro en concreto. En estos trabajos, se
utiliza de luz roja (λ1= 660 nm) y la infrarroja (λ2= 940 nm), (aguirre valencia, 2007)
debido que la desoxigenación presenta una consumación óptica en la región del rojo, y
una menor en la región del infrarrojo, (santiago l. , 2012).siendo opuestas en la absorción
al cambiar la oxigenación, ocasionando cambios ópticos fáciles de calcular. Sabiendo que
la luz debe pasar por otro tipo de cuerpo, como huesos, uñas y piel, se utiliza una
procedimiento para distinguir la sangre arterial descubierto en 1974 por el japonés Takuo
Aoyagi, quien diferencio la variación del volumen de la sangre (Llamoca, 2012),arterial
cada pulso podría obtener una señal dependiente de las características del tipo sangre.
13
De esa manera se logra diferenciar la parte pulsátil o alternada, que corresponde a la
pulsación de la sangre arterial, y una base o componente directa, que representa la
absorción tisular, de la sangre venosa y la sangre arterial no pulsátil. De modo que
oximetría de pulso, el sistema podrá extraer la señal alternada en el tiempo (1-5% de la
total), quitando la señal constante del total de la señal absorbida así poder calcular la
saturación de la sangre e ignorar los efectos de los tejidos circundantes. vista en la figura
2.3. (Pedraza, 2013)
figura 2. 3 transferencia de la señal pletismografica. (Ronquillo & Salgado, 2013)
14
Definido la saturación de oxígeno como el vínculo de la HbO2 y la reunión total del HbO2
más RHb. la transmisión de luz a través de la dermis al flujo de sangre varia por la
hemoglobina reducida y hemoglobina oxigenada, debido a los coeficientes de onda
mencionadas, entonces, usando los principios de espectrofotometría, mediante el uso de
leds y una foto detector. Los leds emitirían dos longitudes de onda distintas. Que se
emitirán a través del tejido de la persona. Estos leds se encenderán y apagarán
simultáneamente para hacer una lectura de las de las longitudes de onda. la longitud de
onda roja es adsorbida en mayor manera por la molécula oxihemoglobina y la infrarroja
por la desoxihemoglobina o hemoglobina reducida. Conociendo la cantidad relativa de la
longitud de onda de ambos emisores y la velocidad con la cual estas dos longitudes de
onda se pueden determinar es usando la fórmula de la saturación de oxígeno.
2.2.4 cálculo para la saturación de oxigeno
La componente pulsátil de la luz recibida por cada longitud de onda se relacionada con
la sangre arterial, tras excluir el efecto de la sangre venosa, piel, huesos, etc.
Por cada longitud de onda se puede calcular la diferencia entre la luz emitida y la
Recibida, de este modo se podrá hallar la cantidad de luz que ha absorbido la sangre
Pulsátil. Y así poder hallar la relación entre oxihemoglobina y hemoglobina Reducida.
Ecuación 3 método empírico de la saturación.
R´=𝐿𝑂𝐺(𝐼𝑎𝑐)λ1
𝐿𝑂𝐺(𝐼𝑎𝑐)λ2 sao2 𝛼 𝑅´
Método empírico para una estimación de la saturación:
sao2 =𝐻𝑏𝑂2
𝐻𝑏𝑂2+𝐻𝑏 .100…………………ecuación 3
15
La ley de Beer-Lambert combina la intensidad entra en un medio con la
Intensidad saliente. Después de que dicho medio se produzcan absorción
De modo que la absorbancia de una luz monocromática a través de una sustancia
depende de la Concentración del compuesto absorbente y distancia que recorre la luz y
del tipo de luz monocromática. Como se ve en la fig 2.4
figura 2. 4 ley de beer-lambert (moreno, 2015)
Según el grafico “I” es la cantidad transmitida de luz incidente. ελ coeficiente extinción de
la longitud de onda λ, “C” es la concentración adsorbente y “l” vendría a ser la longitud
óptica recorrida, si hubiera el caso que haya varios adsorbentes .la intensidad de luz
transmitida correspondería a la superposición lineal de las intensidades de cada
adsorbente. (moreno.2015).
Ecuación 4. longitud óptica recorrida
…ecuación 4
Donde a pertenecer a un adsorbente, recordando que la oximetría radica en el cambio de
la absorción d energía electromagnética de la hemoglobina. la hemoglobina reducida y la
oxihemoglobina tienen colores característicos descritos con los coeficientes de extinción.
16
Donde según el rango de longitudes de onda de 570 a 1000nm, las longitudes de onda
más usadas son de 600nm (rojo) y 940nm (infrarroja). en parte radica en que la absorción
de la longitud de onda “A” se definiría como el negativo del logaritmo neperiano
por cada litro de sangre hay 150 gr. de hb y por cada gramo de hb se disuelve 1.34
mililitros de O2. Por lo tanto 200 mililitros por cada litro de sangre. La relación entre la
atención de oxígeno y la saturación de hb de describe mediante la figura 2. 5
figura 2. 5 Curvatura de hemoglobina. (http://tratado.uninet.edu/c020106.html)
La curva muestra la relación del PO2 (presión de oxígeno) con el porcentaje de
saturación de la hemoglobina. Aunque la PO2 aumente por encima de 100 mmhg la
hemoglobina no podrá mezclarse con mayor cantidad de 02. la hemoglobina estará
saturada al 98% en los pulmones y 33% de los tejidos. El mecanismo que se usa en el
dedo del paciente mide la absorción de 2 longitudes de ondas luminosas por la
hemoglobina en la sangre arterial cutánea pulsátil. Debido a la diferente absorción de las
2 longitudes de onda de la luz por la hemoglobina oxigenada y no oxigenada puede
calcularse y mostrarse instantáneamente en una pantalla el % de hemoglobina saturada
por oxígeno, es decir la saturación arterial de oxígeno. pero hay circunstancias donde se
reduce su fiabilidad como: hemoglobinas menores de 5 gr/dl, hemoglobinas anormales,
17
hipotensión arterial, hipotermia, by pass cardiovascular. al igual que la presión del
oxígeno, la saturación del oxígeno disminuye con el nivel de altitud. El presente estudio
pretende demostrarlo. a nivel del mar saturaciones inferiores a 95 % imponen manejo
médico inmediato.
la tabla 2. Muestra los Exámenes realizados en tres niveles elevados de altitud por el
Hospital de Chulec han mostrado los siguientes valores normales promedios en grupos
mayores a 50 personas normales. (Monroy, 2009)
Tabla 2 la saturación en relación a la altitud.
Tabla 2. Medición de la saturación en relación a la altitud. Fuente (Monroy, 2009)
Aunque los saturadores de oxígeno, u oximetros de pulso se introdujeron en la década de
1980. (lesdepediatria.org, 2005)
18
2.2.5 Pletismografica.
Es la medición de la variación de luz roja absorbida por la sangre arteria en el ciclo
cardíaco, (Chan, Chan, & Chan, 2013) que atraviesa a través de la dermis y mide los
cambios de la absorción de la luz. Debido al flujo de pulso sanguíneo. Se trata de
Colocará una fuente de luz en un lado de la sección a medir y en el otro extremo una
resistencia sensible a la luz, que sería una célula de sulfuro de cadmio (CdS). Que debido
a la capacidad del cadmio de cambiar su resistencia por la cantidad de luz que cae en la
célula (a mayor luz menor resistencia). y a que puede trabajar con varias frecuencias
como luz infrarroja, visible y UV se podrá censar las variaciones del flujo sanguíneo. se
muestra un diagrama de bloques de dicho sistema en la figura 2.6. (swarthmore.edu,
2018)
figura 2. 6 Diagrama del sistema pletismografico en bloques (swarthmore.edu, 2018)
2.2.6. Ley de Beer Lambert
Sirve para hallar concentraciones de especies químicas por la intensidad de luz
adsorbida. Los pulsioximetro son espectrofotómetros de dos longitudes de onda. Entre
dos longitudes de onda dentro de la luz y un detector como receptor, el ritmo AC del
sistema sanguíneo hace un ritmo en la absorción del receptor.
19
Al colocar el dedo en medio de los emisores y el receptor, la luz atravesara el cuerpo
para alcanzar al detector. Parte de la luz quedara absorbida dentro del dedo y
Otra parte alcanzara al fotodetector. La porción que quede dentro del dedo depende de:
- densidad de la sustancia absorbida por la luz
- La distancia de la trayectoria en el medio que absorbe la luz
- el HbO2 y Hb absorben luz roja e infrarroja
Por lo que la cantidad de luz que será absorbida es proporcional a la concentración de la
sustancia que absorbe la luz. Fig2.7 absorción de la luz
figura 2. 7 la Absorción de la luz HbO2 y Hb. (moreno, 2015)
2.2.7 Transmitancia
Magnitud que expresa la cantidad de luz o energía que atraviesa un cuerpo
2.2.8 Absorbancia
Medida de la luz que es adsorbida por la muestra, a mayor concentración mayor
absorbancia. Fig.2.8. se aprecia la absorción de la luz en función de la longitud del
recorrido. Debido a que la arteria es mucho más ancha que en el otro.
20
figura 2. 8 en función a la longitud del recorrido La adsorción de la luz (moreno, 2015)
2.3 Emisor y receptor
Para la elección de la fuente de luz se utilizará diodos leds que trabaja con longitudes de
onda del rango del rojo (600‐750nm) o IR (850‐1000 nm). (adaptive calibration pulsed
oximetry method and device.) se muestra en la figura 2.9
El led convierte energía eléctrica en luz con un ancho de banda estrecho, casi siempre de
50nm. Son componentes pequeños, robustos, fiables y con una vida útil de más 105 horas
por lo que se adecuan perfectamente a las exigencias del montaje. Debido a la ventaja de
poseer un tiempo de encendido muy corto (menor a 1milisegundo). En la siguiente figura
a, b se observa el espectro de frecuencia del emisor y la sensibilidad espectral de la
recepción. Fuente. (Pedraza, 2013)
figura 2. 9 Fig.(a) espectro del emisor, fig.(b) espectro del receptor (Pedraza, 2013)
(b) (a)
21
2.3.1 Sensor óptico
En el mercado actual existen sensores para distintas partes del cuerpo (nariz, cara, oreja,
dedos). Algunos reutilizables y otros desechables ya sean adultos, pediátricos o
neonatales. Los más adecuados serían los sensores tipo dedal debido a que
normalmente son más exactos y conveniente de utilizar.
Para el diseño de este proyecto se utilizaría un sensor fotopletismografico tipo dedal o
pinza, dentro de dicho sensor se colocaría el dedo que estaría rodeado por dos leds
ópticos. Emisores de luz rojo e infrarrojo cada uno cuenta con una longitud de onda
diferente estas longitudes de onda presentaran una gran diferencia en la absorción de la
hemoglobina reducida y la oxigenada debido a que su encendido oscilara entre uno y otro
por lo que no abra estabilidad propia de luz se puede utilizar un solo fotodetector que
Recepcionaría la luz emitida por dichos leds. a continuación, se muestra el diagrama
interno del sensor Ds100a. en la figura 2. 10. fuente ( (electro-tech., 2018)
figura 2. 10 Diagrama interno del DS-100A. (electro-tech., 2018) y (oximetros nellcor)
22
Características de emisores empleados en el oximetro por el fabricante farnell .en la
figura 2.11
figura 2. 11 características de los emisores led (moreno, 2015)
el fotodetector que se encargara de detectar la intensidad de luz proveniente
alternadamente de los emisores led por lo que debe estar colocada de forma
perpendicular (90 grados) frente a los emisores. Para que pueda estar dentro del rango
del fotodetector.
Característica del fotodetector empleados en los oximetros. En la figura 2.12
23
figura 2. 12 característica fotodetector (moreno, 2015)
Para facilitar la conexión del sensor a la placa circuital de colocaría un adaptador tipo
hembra DB9, dicho adaptador se pondría resistencias de 1k ohm en serie de protección
en los pines 2,5,3, y 9 debe ser consideradas para el diseño. En la figura 2.13
figura 2. 13 diagrama conector db9. (Forero, 2012)
2.4 Controlador De Leds
Con el fin encargarse de la excitación alternada del control de los Leds, se utilizará un
sistema de configuración puente H, que se conforma de transistores como elementos de
conmutación, por lo que usara transistores PNP y NPN, que se utilizarían como
interruptores. Por precaución se incluye dentro del circuito una resistencia en pulldown
24
(5k ohm) por la base del NPN y tener la certeza que el transistor está desactivado cuando
no se le usa. en la figura 2.14 se observa el circuito. (Pedraza, 2013)
figura 2. 14 controlador led. tipo puente H. (fabricio, 2007)
Puesto que se activarán constantemente ambos emisores de luz Asia un receptor, es
necesaria la multiplexación de las señales. Así poder tener la certeza de tres niveles:
Diodo Rojo activo, diodo Infrarrojo apagado
Diodo Infrarrojo on, diodo Rojo apagado
Diodo Rojo apagado, diodo Infrarrojo apagado
Este arreglo de circuito nos da la confianza de que no existe la posibilidad de que ambas
fuentes de luz estén activas en un mismo espacio de tiempo. El microcontrolador se
responsabilizará de la multiplexación, la planificación de los temporizadores al puerto que
25
controla los emisores serán alternados a 500 veces/seg. con anchos de pulso de 380
μseg, como se observa en la figura 2.15. (Pedraza,2013)
figura 2. 15 límites de control para los diodos. (Pedraza,2013)
2.5 Filtrado:
Debido a su rango de pulsaciones que va de 30 - 300, su ancho de banda seria entre 0.5
Hz a 5Hz, nos permitirá diseñar las frecuencias de corte para los filtros a estructurar. Las
mayores fuentes de ruido se relacionan de forma directa la medición hecha por el
fotoreceptor, se debe alinear tener una posición del sensor en el sistema,
resguardándose de ruido externo, que varien su funcionamiento. (Pedraza.2013)
2.5.1 Filtro Pasa bajos:
Se encargará de suprimir las frecuencias mayores, que no sean parte del espectro
optimo. el diseño de un filtro pasivo R-C, debido a su menor pendiente, no se mermaría
señal, la figura 2.16 muestra cómo sería un tipo de filtro pasa bajos. Fuente
(Pedraza.2013)
26
figura 2. 16 Filtro pasa bajos. Fuente (Pedraza.2013)
la tensión de salida y la frecuencia en el corte están basadas en la siguiente
fórmula.
Ecuación 5 voltaje de salida.
Ecuación 6 Frecuencia de corte.
Ecuación 7 ley de ohm.
. como lo que se busca es estabilizar frecuencias entre rangos de 0 a 5 Hz, sacando las
que están por arriba y abajo del rango de corte del filtrado pasa bajo debe ser de 5hz
Vout=corriente de cátodo de la foto sensor *R1…...ecuación 5
𝑓𝑐 =1
2𝜋(𝑅1 ∗ 𝐶1)
R1 =𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑡𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟……..… Ecuación 7
......ecuación 6
27
2.5.2 Filtro Pasa-altos
Tiene como finalidad quitar la continua del voltaje de la señal, un ejemplo la figura 2.17,
así mismo como se procedió con el filtro pasa bajo también se debe obtener la frecuencia
de corte del filtro pasa alto. Para una frecuencia de corte de 0.6hz aproximadamente. En
la ecuación 6.
figura 2. 17 circuito pasa altos fuente (Navarrete & herreria, 2016)
2.5.3 Fase de Amplificación:
Esta etapa se diseñará un amplificador te tipo no inversor, considerando una ganancia
elevada, después de su cambio análogo/digital, como en la figura 2.18. para este
momento se debería obtener una señal filtrada (sin interferencia), y centrada en la tención
indicada. En ese punto no debería haber componente continua. Por lo que solo se podrá
incrementar la componente alterna. Es ahora cuando se debe amplificar la señal. Si su
amplitud de la señal esta en mili voltios, también su relación señal ruido es baja. se debe
amplificar para que disminuya la falla de medición. (moreno, 2015)
28
figura 2. 18 circuito amplificador. (instrument, 2018)
-cómo se sabe el voltaje positivo del pin de entrada es el mismo que el pin negativo.
Por lo que se puede apreciar la siguiente:
Ecuación 8 .voltaje de salida del amplificador.
Vsalida=Ventrada (1 +𝑅2
𝑅2)………..ecuación 8
En el momento de implementar el circuito final es común colocar para la resistencia R1 el
valor de 1k ohm y para R2 aún no lo delimitamos. Ya que el valor de la ganancia será R2
+1 en términos de kilo ohm. Como la figura 2.19.
figura 2.19 circuito del sensor. Fuente (Llamoca,2012)
29
2.6 Diagrama bloques inicial del proyecto
la figura 2.20. Se utilizó para representar el control de sistemas físicos. por eso hay gran
cantidad de variables relacionándose en el proceso de creación. (anonimo, 2012)
figura 2. 20 diagrama de bloques inicial del proyecto. Fuente propia
Muestreo luz Led
rojo
Muestreo luz Led
infrarrojo
Amplificación Filtrado
Amplificación Filtrado
Emisor de muestra
Control de leds
Visualización
Receptor de muestra
Conversor de
corriente a voltaje
Procesamiento del cálculo de %spo2 y cálculo
del BPM.
Fuente de alimentación
30
2.7 Modelamiento
.2.7.1 Modelamiento fuente
. Diagrama bloques del prototipo está formado por 5 unidades. Como se ve en
figura 2.21. la primera amplificación de la señal capturada, la segunda filtrado de la señal
amplificada, la tercera control del correcto funcionamiento de la luz infrarroja y Led rojo, la
cuarta procesamiento de la señal y la quinta visualización
figura 2. 21 Diagrama de bloques del prototipo. Fuente propia
2.7.2 Diagrama Pictórico
Diagrama donde se podrá apreciar el posicionamiento modelo del componente una vez
instalados en la figura 2.22
figura 2. 22 diagrama pictórico. fuente propia
31
2.7.3 Diagrama De Estado
El presente diagrama muestra la secuencia de interacción que pueden atravesar durante
sus estados el sistema. como se ve en figura 2.23. en respuesta a los estímulos que
vayan recibiendo, junto con las correspondientes respuestas y acciones. (diaz, puello,
gomez, & ortega, 2013)
figura 2. 23 diagrama de estado. Fuente propia
PETICION
Encender
infrarrojo
Guardar el
dato del
infrarrojo
Apagar
el
infrarrojo
Encender
luz roja
Algoritmo
de spo2
Adquisición de
datos espectro
de longitud de
onda de 990 nm
FIN DEL
PROCESO
Adquisición de
datos espectro de
rango de onda
160 nm
Guardar el
dato del Led
rojo
Enviar
datos
Inicio de
Programa
Encendido del
Led infrarrojo
Toma de datos
receptor
Guarda dato Apaga Led
infrarrojo
Se guarda el
dato obtenido
Se captura nueva muestra
Visualización
Lcd
Procesamient
o del dato
Se enciende
Led rojo
Final de
Programa
32
2.7.4 Diagrama De Flujo
El presente diagrama representa gráficamente los trabajos, acciones y medios,
continuando una secuencia lógica, permitiendo mostrar velosmente los condiciones o
acciones que sigan y surgen a lo largo del proceso y enlace lógico. Representado en la
figura 2.24. (LAPAIX, 2012)
Inicio
Configuración de puertos
análogos y digitales
Configuración de puerto
serial 9600 baudios
Definición y seteo de
variables:
Infra=0
Red=0
Vector1
Vector2
Vector3
Vector4 Lectura spo2
(Primer franco)
Tiempo 1 seg.
(1)
Configuración de
puertos
Inicio del algoritmo
Retardo para no saturar
Rx
Variables utilizadas para
el uso de los datos
entregados por los
sensores
Lectura de valores
sensor de saturación
(2)
Puerto serial para
comunicación
33
figura 2. 24 diagrama de flujo fuente propia
Función spo2 (segundo
flanco)
Almacenamiento vector 1
Lectura spo2 (tercer flanco)
Función lectura
Almacenamiento vector2
Lectura de los 3 valores
Función lectura
frecuencímetro digital
Almacenamiento vector3
Lectura (40 valore)
Función lectura A/D
Mostrar portb
Manejo de protocolo
de escritura
Lectura de los valores
sensor spo2
(1) (2)
Manejo del conversor A/D
Mostrar por Lcd
Lectura de los valores
Función para el manejo del
frecuencímetro
Lectura de los valores spo2
Manejo protocolo de
escritura
34
2.7.5 Diagrama Gerarquico
En el presente diagrama figura 2.25.muestra la orden de jerarquías de los procesos
figura 2. 25 Diagrama Jerárquico. fuente propia
35
2.7.6 Modelos Matemáticos de Sistemas Físicos
Amplificador:
La figura 2.26 muestra un modelo para el sistema de amplificación .su fórmula para este
caso, así como la tabla 3 de parámetros.
Ecuación 9 .amplificación
.=
.
figura 2. 26 sistema amplificador. Fuente (Ogata, 1995)
Tabla 3. De parámetros del amplificador
Abreviatura Descripción Unidad de medida
ei tensión de entrada V(voltios)
eo Tensión de salida V(voltios)
i 1 Corriente de línea 1 A(Amper)
i 2 Corriente de línea 2 A(Amper)
R1 Resistencia R1 ohm
R2 Resistencia R2 ohm
Fuente propia
i1=ei−e´
R1, i2=
e´−e0
R2
= ei − e´ − e0
R1 R2
= ei
R1=
−e0
R2
e0=−R2
R1 ei ……ecuación 9
36
Fotodiodo
En la figura 2.27. Se puede apreciar el circuito equivalente del fotodiodo y la tabla 4
muestra los parámetros para este caso y la ecuación del proceso de carga y descarga del
fotodiodo.
Figura 2. 27 (a) proceso de carga. (b)proceso de descarga. (santiago V. a., 2010) Ecuación 10.el proceso de carga del fotodiodo.
Ecuación 11. Para el proceso de descarga del fotodiodo.
𝑣𝑝3(𝑡) = 𝑣𝑐𝑐 −1
𝐶𝑡∫ i𝑅(𝑡)𝑑𝑡 = 𝑣𝑐𝑐 −
i𝑅(𝜑)
𝐶𝑟
𝑇
0…………………………..…ecuación 10
𝑇𝑑 =𝐶𝑟
i𝑅(𝜑)(𝑣𝑐𝑐 − v𝑇𝑅) = N𝐶𝑁𝑇
1
𝑓𝑡𝑐𝑙𝑘= N𝐶𝑁𝑇
1
𝑓𝑡𝑐𝑙𝑘 . ……………………..……ecuación 11
Tabla 4 de parámetros del fotodiodo
Abreviatura Descripción Unidad de medida
Td Tiempo de descarga S(segundos)
𝐢𝑹(𝝋) Fotocorriente del fotodiodo A(Amper)
𝐍𝑪𝑵𝑻 Numero entero del contador
𝒇𝒕𝒄𝒍𝒌 Frecuencia del reloj principal Hz(Hertz)
Cr condensador C(faradios)
𝒗𝒑𝟑(𝒕) Tención punto 3 V(voltios)
fuente propia
37
CAPITULO 3
DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN
3.1 Diseño del Sistema de Filtrado
Ecuación 12. La ganancia.
Debido a que la señal captada ´por el receptor estará en el rango de los mili-voltios se vio
la necesidad de amplificarla 1000 veces más para poder tener un mejor uso de la señal.
Por eso se usó el lm 358 por ser duple. La primera ganancia por 10 y el otro IC. por 100.
……………… ecuación 12
Filtrado:
Ecuación 13. El Filtro pasa alto. Tomando en consideración los rangos de emergencia de una persona normal en valores de hipo y híper lo que sería arritmias se tomó valores de 30 a 300 bpm que en Hertz estaríamos ablando de 0.5 hz y 5 hz.
G1=𝑅𝐹
𝑅𝐹1=
470
47𝐾= 10
G1=𝑅𝐹3
𝑅𝐹4=
470
4.7𝐾= 100
𝑓𝑙 =1
2𝑥𝜋𝑥𝑅𝑓2𝑥𝐶10=
1
2𝑥3.1416𝑥150𝑘𝑥2.2𝑢= 0.482 ℎ𝑧
38
𝑓𝐻 =1
2𝑥𝜋𝑥𝑅𝑓𝑥𝐶9=
1
2𝑥3.1416𝑥470𝑘𝑥68𝑛= 4.979 ℎ𝑧 …ecuación 13
Del mismo modo en el filtro pasa bajo de la misma forma para la siguiente parte de
amplificación:
Ecuación 14.Filtro pasa alto. Para la segunda parte de amplificación se toman los valores máximo y mínimo de 0.5 hz y 5 hz
……Ecuación 14
Filtrado del corte
Para hallar el Filtro pasa alto adecuado debido a que se requiere que la frecuencia de
corte sea cerca de 0.5hz y pasa bajo se aproxime a 5 hz de ganancia 10 (según calculo)
debido a que se espera una ganancia de 1000 se fracciono la etapa de amplificación en 2
de 10 de ganancia y 100 de ganancia. Debido que usamos el lm358 que es dual (2
opamp encapsulados). esto está presente en la figura 3.1. (Llamoca, 2012)
𝑓𝑙 =1
2𝑥𝜋𝑥𝑅𝑓5𝑥𝐶12=
1
2𝑥3.1416𝑥150𝑘𝑥2.2𝑢= 0.482 ℎ𝑧
𝑓𝐻 =1
2𝑥𝜋𝑥𝑅𝑓3𝑥𝐶3=
1
2𝑥3.1416𝑥470𝑘𝑥68𝑛= 4.979 ℎ𝑧
39
figura 3. 1 filtro pasa bajo/pasa alto (Llamoca, 2012)
3.2 diseño de la etapa de controlador de los leds.
Para esta etapa se utilizará un sistema basado en puente H. conformado por transistores
(npn y pnp) que servirán como interruptores para el control de leds. El sistema funcional
se ve en la figura 3.2.
figura 3. 2 (a) npn y (b) pnp (Mendiola. 2018)
Circuito de polarización del transistor 2n3904. Representado en la figura 3.3
40
figura 3. 3 polarización 2n3904. Fuente propia
Vbe=0.7 por ser de silicio. por lo tanto, Vc será 4.3 voltios.
Ecuación 15.corriente del colector.
Ie = Ic =4.3
0.02= 215 mA …ecuación 15
−𝑉𝑐𝑐 + 𝑅𝑐𝐼𝑐 + 𝑉𝑐𝑒 − 𝑅𝑒𝐼𝑐 = 0
−5 + 𝑉𝑐𝑒 − 4.3 = 0
𝑉𝑐𝑒 = 9.3 V
Ecuación 16. Corriente de Saturación
𝑉𝑐𝑒 = 0 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠 ∶ 𝐼𝑐 =𝑉𝑐𝑐
𝑅𝑐+𝑅𝑒=
5
0.020= 250𝑚𝐴 …ecuación 16
𝐼𝑐 = 0 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠: 𝑉𝑐𝑒 = 𝑉𝑐𝑐 = 5 Punto de corte.
Ecuación 17.corriente de base
Ib =Ic
Bcc=
215
100= 2.15 uA ………ecuación 17
41
Q= punto de trabajo
figura 3. 4 Gráfica del punto de trabajo
Figura 3.4Gráfica del punto de trabajo. (Andrés, 2001)
Sistema de activación alternada para los leds que emiten luz.
figura 3. 5 etapa control de leds
Figura 3.5 etapa control de leds (Pedraza,2013)
42
3.3 Diseño Del Sistema Control.
3.3.1 Circuito De Control
Requiere:
-Procesador digital programable
-puertos de Entrada/Salida ,2 canales a mas
-analógico/digital
-que cuente con RAM y flash
-que cuente con temporizadores
-que cuente con fuentes de interrupciones
-voltaje de trabajo 5 voltios
-bajo consumo
-watchdog
-controladores LCD
3.3.2 Selección Del Dispositivo
-Microcontrolador
-Pic
-Fpga
-Computadora
-Ardruino
43
3.3.3 Selección Del Microcontrolador
Podemos mencionar a:
3.3.4 Programa Del Microcontrolador
Podemos mencionar:
Tipos:
-lenguaje de bajo nivel -java
-lenguaje de medio nivel -c
-lenguaje de alto nivel -pascal
-cobol
-Motorola Bits de trabajo.
-NEC 4 bits
-Atmel Arquitectura
-Intel 8 bits -CISC Memoria
-Microchip -RAM
-Philips -RISC -ROM
-Toshiba 16 bits -EPROM
-Zilog -SISC -EEPROM
32 bits -FLASH
44
3.4 Diseño Del Sistema De Visualización
Requiere:
-5 voltios
-bajo costo
-accesible
3.4.1 Selección Del Microcontrolador
16x2
-led (segmentos) touchscreen 7”
-led (puntos) keypad shield
-Lcd piface control and display
Gráfico (glcd) de 128x64
Alfanumérico de 20x4
45
3.5 Diagrama Del Circuito De Procesamiento De La Señal
Circuito completo del prototipo de oximetro
figura 3. 6 sistema completo. Prototipo de oximetro fuente: propia
46
3.6 Diagrama PCB Del Sistema
Diagrama placa impresa (PCB)
figura 3. 7 sistemas PCB completo. Prototipo de oximetro fuente: propia
47
CAPITULO 4
RESULTADOS
4.1 Simulaciones
5 u.vp amplitud-4 hz frecc
Figura 4.1 Etapa del amplificador. Fuente: propia
48
5vp a 100hz
Figura 4.2 señal amplificada osciloscopio. Fuente: propia
Claramente se puede observar como el voltaje aumenta debido a la ganancia de los
amplificadores.
Figura 4.3 Prueba de software
Comprobando los valores con un oximetro hospitalario (marca: ninon). Se puede apreciar
una similitud entre ellos en condiciones normales. Tabla 5
49
Tabla 5.comparación entre el oximetro normal y el diseñado
Sujeto de Prueba 1 Sujeto de prueba 2
Oximetro de prueba diseñada Oximetro de prueba Diseñado
pulso Spo2 pulso Spo2 pulso Spo2 pulso Spo2
75 99 75 100 75 98 75 97
80 98 79 98 76 98 76 97
88 98 87 98 80 100 79 100
90 97 90 98 93 100 93 100
Fuente: propia
Cuadro comparativo con característica técnica cuantitativa entre los prototipos
involucrados para el diseño del informe en forma cualitativa.
comparación entre el oximetro normal y el diseñado.
Prototipo a: David López serrano, prototipo b: Carlos borbones acosta
Tabla 6 .Cuadro comparativo con característica técnica.
Cuantitativo Prototipo presentado
Cuantitativo Prototipo a
Cuantitativo Prototipo b
cualitativo
Amplificador Lm358 es doble Costo 1 sol
Amplificador transimpedancia Ad620.costo 37.80
Amplificador lm324n es cuádruplo. costo 1 sol
Por costo y mejores parámetros el lm358
Microprocesador dspic30f4013.costo 25,50
Arduino uno rev3 Costo 40 soles
Arduino uno. costo 40 soles
Por costo, por manejo se software el dspic
Fuente de alimentación 5 voltios, 0.5 amp
Fuente cargador de 15 vol.1 Amper y 15 watts regulable a 5 voltios para la placa
Requiere batería de 9 a 12 voltios
por facilidad y reducir el peso del sistema el prototipo a
Filtrado de 0.5 a 5 Hertz
Filtrado de 0 a 10 hertz
No especifica Para fines de un amplio rango el prototipo “a” pero para casos más reales se tomaría el presentado
Fuente: propia
50
CONCLUSIONES
1. Debido con los resultados encontrados. Se realizo con el diseño del prototipo.
2. El sistema tiene un buen rango de filtrado debido a que se tomó los peores momentos
de estado de un paciente, así mismo para la etapa de amplificado pues se quiso lograr
un estado manejable.
3. el programa diseñado se desempeñó según a lo que se quería llegar.
4. Se logró un buen control de análogo a digital de la señal encontrada.
5. el sistema desarrollado requiere una alimentación única de 5 voltios. Para su uso
portátil se requeriría emplear baterías que con ayuda de un regulador como el lm7805
es posible.
6. para la obtención de una mejor señal se requeriría un sensor de tipo dedal. con la
necesidad de evitar interferencias externas en la toma del censado.
7. se concluye que el prototipo desarrollado es de uso único (oximetro).de modo que no
se considera adecuado para dar un diagnostico paciente sin la presencia del personal
médico.
51
RECOMENDACIONES
1. . para un mejor resultado se recomienda no repara el sensor. sino cambiarlo debido
a que el receptor pierde eficiencia con el calor si hubiera que soldar.
2. .la etapa de visualización se recomienda el Lcd 16x2 debido a lo accesible en el
mercado y a su bajo coso
3. .la etapa de amplificación se recomienda el lm358 debido a su costo y accesibilidad.
4. . el desarrollo del prototipo es de gran ayuda para la detección de signos vitales y
así poder acelerar el tiempo que emplea el personal de salud.
5. . mejorar en la etapa de visualización para poder visualizar la onda
electrocardiograma en tiempo real.
52
GLOSARIO
1. BIBLIOGRAFIA: estudio referencia de los textos.
2. VOLTAJE: tención eléctrica o diferencia de potencial.
3. CORRIENTE: flujo de carga por unidad de tiempo.
4. HERCIO(Hz): es la unidad de frecuencia por segundo en un siglo.
5. FRECUENCIA: es un sistema alterno de la corriente.
6. OHMIOS: unidad de resistencia electrica.es la resistencia de un circuito.
7. RESISTENCIA: delimita la corriente se expresa en ohm.
8. VOLTIO: unidad de fuerza electromotriz.
9. ADC: conversor análogo digital.
10. AMPLIFICADOR: dispositivo electrónico que amplifica una señal eléctrica.
11. EMISOR: emite la señal.
12. GANANCIA: amplificación.
13. LED: diodo que muestra una luz.
14. MEMORIA: dispositivo que guarda información.
15. MICROCONTROLADOR: compuesto por partes como la unidad central y sus
memorias.
16. PCB (circuito impreso): compuesto por componentes electrónicos en una placa
aislante.
53
17. RAM : memoria compuesto por semiconductores que puede ser de lectura o
escritura por el sistema.
18. RUIDO: es una señal indescifrable del medio.
19. TRANSISTOR TIPO PNP/NPN: conformado por dos semiconductoras.
54
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58
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO A: NORMA ISO 9919
ANEXO B: DSPIC 30F4013
ANEXO C: LM358
ANEXO D: PROGRAMA DE CONTROL
ANEXO E: 2N2222
ANEXO F: BC557
ANEXO G: DS-100A
ANEXO A: NORMA ISO 9919
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60
61
ANEXO B: DSPIC 30F4013
62
63
ANEXO C: LM358
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65
ANEXO D: PROGRAMA MODULO DE CONTROL
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68
69
ANEXO E: 2N2222
70
ANEXO F: BC557
71
ANEXO G: DS-100A
