PRIMEROS ESTUDIOS CON UN MEDIDOR
OSCILOMÉTRICO DE PRESIÓN ARTERIAL
G. M. Salum, G.G. Ojeda Universidad Nacional de Entre Ríos Uruguay 347 Dpto. 9 – (3100) Paraná – Entre Ríos
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RESUMEN
En el marco del Proyecto de Investigación y Desarrollo: “Desarrollo de una cinta transportadora para estudios ergométricos y biomecánicos”, llevado a cabo en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Entre Ríos, se desarrolló, como tema de tesina de grado, un medidor de presión arterial en forma no invasiva para ergometrías. El desarrollo consistió en el diseño e implementación del hardware y el software de un dispositivo que midiera según el método oscilométrico la presión arterial. El sistema físico tuvo limitantes pero se pudieron realizar los primeros estudios con el fin de obtener una idea de determinar cuán bien medía la presión arterial el sistema completo para.
Básicamente el medidor consiste en un sistema microcontrolado con electrónica analógica asociada y software propio que se dedica a adquirir, acondicionar, almacenar, procesar las señales de presión sensadas en un manguito inflable, e informar a una PC las presiones arteriales (máxima, media y mínima) de cada medición, según los parámetros ingresados por el usuario vía PC (presión máxima de inflado, tiempo entre toma de datos y tiempo total de la ergometría).
Aquí solo se comentarán todos los elementos relacionados con la obtención de las muestras de presión arterial, sin entrar en detalle en el trabajo de investigación ni en el desarrollo del sistema físico.
Se realizaron pruebas en cinco individuos de 24 ± 3 años de edad y como resultado de la validación se obtuvo una buena repetibilidad del sistema y las características de programabilidad buscadas.
Palabras clave: método oscilométrico, presión arterial, no invasivo, validación.
1. INTRODUCCIÓN
En este informe se presenta toda la tarea de investigación necesaria para arribar a alguna conclusión respecto de la conveniencia del uso de un dispositivo electrónico que utiliza el método oscilométrico para la medición de la presión arterial en situación de ejercicio. Para ello fue menester recorrer un largo camino, desde la elección de este método como el óptimo, pasando por el diseño del dispositivo que lo implementara, hasta la validación del sistema completo.
La necesidad de un dispositivo para medición de presión arterial para humanos en situación de ejercicio se generó en el marco del PID: “Desarrollo de una cinta
transportadora para estudios ergométricos y biomecánicos” donde se plantearon los desarrollos de todos los dispositivos necesarios para llevar a cabo el seguimiento de las variables biológicas de una persona que realizaba ejercicio en una cinta tipo “Tread Mill”. [1]
Durante la realización del esfuerzo físico, entre otras variables cardiovasculares, la presión arterial es esperable que se modifique frente a cada carga impuesta, por lo tanto su determinación es indispensable como una de las medidas de las respuestas regulatorias cardivasculares. Sumado a los problemas intrínsecos de los métodos directos para la determinación de la PA, que se mencionaron antes, se debe considerar que dichas mediciones requieren de factores físicos (estructura e insumos) que encarecen a las mismas y que además están limitadas a pacientes en estado de reposo. Por lo anterior se descarta la implementación de cualquier método invasivo para la determinación de la PA.
De los métodos no invasivos descriptos anteriormente, se escogió el método oscilométrico para realizar la medición de la PANI, ya que el resto de los métodos presentaban algunos de los siguientes problemas :
• No determinar alguna de las tres presiones (sistólica, diastólica, media) a medir.
• Alta sensibilidad al movimiento.
• Alta sensibilidad al ruido.
• Requerir la presencia de algún operario en forma permanente.
• Lentitud en la toma y procesamiento de datos. Si bien el método elegido no está totalmente exento de estos problemas, es el que mejor se comporta bajo las condiciones de un estudio de esfuerzo y además es el que emplean la mayoría de los equipos convencionales actualmente en el mercado.
Los conceptos fundamentales del método oscilométrico no son claros, puesto que su desarrollo fue totalmente empírico. La interpretación corriente es que la expansión de volumen del segmento arterial comprimido, es transmitido al mango oclusivo, causando una correspondiente reducción en el volumen de aire y un incremento en la presión.
El método oscilométrico está basado en la observación de que la amplitud de las oscilaciones de presión en un manguito ocluido exhiben un patrón específico cuando la presión del manguito se reduce progresivamente desde encima del valor de la presión sistólica hasta por debajo del valor de presión diastólica. Este patrón está caracterizado por un incremento en las perturbaciones del manguito hasta un máximo nivel y luego un decrecimiento lento. [3]
Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba
En general, se acepta que la máxima oscilación se presenta cuando la presión del manguito está bastante por encima del nivel de diastólica, probablemente cerca a la presión arterial media. Geddes et al. proveyeron una contribución significativa para el análisis de la técnica oscilométrica. Estos autores sugirieron la existencia de factores de proporcionalidad (comúnmente llamados “relaciones características”) entre la amplitud de la oscilación del manguito en sístole y diástole y la máxima amplitud de las oscilaciones del manguito. En particular, ellos observaron que durante las maniobras de desinflado, en perros y humanos, la presión sistólica se encontraba cuando la amplitud de la oscilación de presión del manguito era la mitad de la máxima amplitud del manguito, mientras que la presión diastólica se encontró cuando la amplitud de la oscilación era aproximadamente un 75 – 80% del máximo. [4]
El sistema físico desarrollado está basado en un microcontrolador con una interface sencilla debido a que una de las necesidades del PID era poseer un sistema dedicado que mantuviera comunicación con una PC. Con el microcontrolador se puede realizar todas las tareas de procesamiento, temporización y cálculo dentro del prototipo que son necesarias para llevar a cabo las mediciones de la presión arterial y además realizar la comunicación con la PC en forma sencilla. [2]
El manguito se encuentra conectado a un sensor de presión diferencial con el cual se obtiene la señal de presión. La señal de presión está compuesta por la señal de oscilaciones, causadas por la expansión de la arteria del miembro del sujeto ocasionada por la sístole cardíaca, y la señal de presión del mango. Para utilizar el método oscilométrico, se debe separar estas dos señales. Además, estas señales deben encontrarse dentro del rango tensión de conversión, tratando de aprovechar al máximo la resolución del conversor analógico-digital. Para obtener la señal de oscilaciones de la sístole cardíaca se necesita realizar un acondicionamiento de la señal proveniente del sensor que consiste en preamplificación, filtrado y amplificación. [2]
2. METODOLOGÍA
Para establecer en que medida el trabajo realizado debía continuarse, se realizaron una serie de pruebas para determinar el nivel de exactitud de la medición del dispositivo, siempre teniendo en cuenta ciertos aspectos relacionados con el patrón de variación de la presión arterial. A continuación se mencionan las consideraciones metodológicas que se realizaron cuando se llevó a la cabo la validación del medidor implementado.
Ubicación del manguito. En algunas personas la presión
arterial es diferente en sus dos brazos. Para medirla se debe usar el brazo con la presión más alta y siempre se debe usar en el mismo lado (brazo derecho o brazo izquierdo). El manguito se debe colocar alrededor del brazo apuntando hacia abajo (hacia su mano) y debe estar al nivel del corazón (es particularmente importante). El borde inferior del mango se ubica a aproximadamente 1" del codo.
No debe apretar, antes del inflado, tal que se pueda poner un dedo entre el mango y el brazo.
El tamaño del manguito debe ser el adecuado.
Características de las mediciones. Se debe llevar un
registro de varias mediciones de la presión arterial, ya que una sola no entrega una visión completa del panorama. Algunas de las precauciones que se deben considerar, dado que pueden causar cambios en las lecturas de la presión son:
1. No se debe tomar la presión después de haber injerido comida, cafeína (café, té, chocolate), alcohol, medicinas para la presión o haber fumado. Tampoco se puede tomar la presión arterial luego de haber realizado ejercicio, haber tomado baños calientes o haber dormido.
2. Las mediciones deberán llevarse a cabo en un lugar tranquilo y con un clima agradable. El individuo debe estar relajado, por lo que antes de las mediciones el individuo debe estar 15 minutos en reposo y quieto durante las mismas. Además no debe sufrir de dolor, tensión o nervios, ni necesitar ir a baño.
3. Es normal que la presión arterial cambie constantemente en todo el día y la noche. Es mejor tomarlas a la misma hora de cada día.
Las lecturas pueden ser inexactas si no se deja tiempo entre las mismas para que la circulación en el brazo vuelva a ser normal.
Descripción del sistema de medición. Se colocó un
medidor comercial, en paralelo para usar su bomba y válvula. Se realizaron mediciones con el medidor comercial pero no se presentan aquí debido a que no está relacionado con el presente trabajo.
Debido a que no se contó con la infraestructura necesaria para realizar mediciones invasivas, las cuales son más exactas y ya que es objetivo de este trabajo presentar un método que compita con el método auscultatorio o convencional, se utilizará este último para contrastarlo con el oscilométrico.
Metodología empleada. Las mediciones se realizaron
en cinco personas (colaboradores voluntarios), edad: entre 21 y 27 años (media: 25 años), sexo: 3 femenino y 2 masculino, en la Facultad de Ingeniería, durante el mes de junio. El protocolo de medición empleado se detalla a continuación:
1. Medición de la presión arterial en ambos brazos con intervalos regulares, aplicando el método auscultatorio hasta que se verificó que las presiones se estabilizan.
2. Con los datos anteriores se elige el brazo que registró mediciones de mayor estabilidad para el medidor de prototipo, y el otro para el método convencional.
3. Luego se efectuó una serie de mediciones de la presión con ambos métodos. El intervalo entre mediciones fue regular.
4. Por último se compararon los valores tomados.
3. RESULTADOS
En cada sujeto se tomaron 6 muestras de la presión arterial a intervalos fijos. Luego de cada adquisición y de que la placa microcontrolada hacía los cálculos correspondientes, enviaba a la PC los valores de las tres presiones y las dos
señales (señal oscilatoria y señal de rampa). El objetivo de ver estas señales es que se podía determinar cuáles muestras eran erróneas y cuáles eran las causas del error. En el apartado de Discusión se detallaran los errores, sus posibles causas y la solución a los mismos.
El próximo paso consistió en depurar los datos, considerando los tres últimos valores adquiridos. A continuación se presentan las tablas de datos con los resultados obtenidos, de cada prueba. En todas ellas la presión máxima de inflado se fijó en 180mmHg.
Prueba: 1 Intervalo = 2min. PS Prototipo Desvío de la media PS Convencional Desvío de la media ds Toma 1 73.00 -4.67 92.00 -0.67 -19.00 Toma 2 76.00 -1.67 92.00 -0.67 -16.00 Toma 3 84.00 6.33 94.00 1.33 -10.00 Media 77.67 92.67 -15.00 PD Prototipo Desvío de la media PD Convencional Desvío de la media dd Toma 1 55.00 -3.67 50.00 1.33 5.00 Toma 2 66.00 7.33 48.00 -0.67 18.00 Toma 3 55.00 -3.67 48.00 -0.67 7.00 Media 58.67 48.67 10.00 Prueba: 2 Intervalo = 3 min. PS Prototipo Desvío de la media PS Convencional Desvío de la media ds Toma 1 108.00 -1.00 120.00 -0.67 -12.00 Toma 2 112.00 3.00 122.00 1.33 -10.00 Toma 3 107.00 -2.00 120.00 -0.67 -13.00 Media 109.00 120.67 -11.67 PD Prototipo Desvío de la media PD Convencional Desvío de la media dd Toma 1 81.00 6.00 54.00 2.00 27.00 Toma 2 77.00 2.00 52.00 0.00 25.00 Toma 3 67.00 -8.00 50.00 -2.00 17.00 Media 75.00 52.00 23.00 Prueba: 3 Intervalo = 2 min. PS Prototipo Desvío de la media PS Convencional Desvío de la media ds Toma 1 97.00 -3.33 100.00 2.00 -3.00 Toma 2 101.00 0.67 96.00 -2.00 5.00 Toma 3 103.00 2.67 98.00 0.00 5.00 Media 100.33 98.00 2.33 PD Prototipo Desvío de la media PD Convencional Desvío de la media dd Toma 1 81.00 3.33 58.00 1.33 23.00 Toma 2 77.00 -0.67 56.00 -0.67 21.00 Toma 3 75.00 -2.67 56.00 -0.67 19.00 Media 77.67 56.67 21.00 Prueba: 4 Intervalo = 2 min. PS Prototipo Desvío de la media PS Convencional Desvío de la media ds Toma 1 105.00 -1.00 118.00 -2.00 -13.00 Toma 2 105.00 -1.00 120.00 0.00 -15.00 Toma 3 108.00 2.00 122.00 2.00 -14.00 Media 106.00 120.00 -14.00 PD Prototipo Desvío de la media PD Convencional Desvío de la media ds Toma 1 70.00 -2.00 68.00 0.00 2.00 Toma 2 72.00 0.00 68.00 0.00 4.00 Toma 3 74.00 2.00 68.00 0.00 6.00 Media 72.00 68.00 4.00 Prueba: 5 Intervalo = 2 min. PS Prototipo Desvío de la media PS Convencional Desvío de la media ds Toma 1 102.00 -0.67 120.00 -0.67 -18.00 Toma 2 102.00 -0.67 122.00 1.33 -20.00 Toma 3 104.00 1.33 120.00 -0.67 -16.00 Media 102.67 120.67 -18.00 PD Prototipo Desvío de la media PD Convencional Desvío de la media dd Toma 1 79.00 -1.33 54.00 2.67 25.00 Toma 2 80.00 -0.33 52.00 0.67 28.00 Toma 3 82.00 1.67 48.00 -3.33 34.00 Media 80.33 51.33 29.00
4. DISCUSIÓN
Antes de discutir los resultados obtenidos nos detendremos en su interpretación. De las tablas anteriores se observa que:
• La media de las determinaciones con el prototipo difieren en un rango de 4 a 29 mmHg. respecto de las determinaciones con el método convencional.
• Las mediciones con el prototipo tienen una desviación de la media en un rango de 0 a 8 mmHg.
• Los errores encontrados fueron: fallas de adquisición, el ruido en la señal de rampa. La falla de adquisición se debe a que actualmente el control de inflado y desinflado no lo realiza el prototipo, produciendo en algunos momentos defasajes en la medición de la presión máxima de inflado. Esto provoca que se incorpore parte de la señal de inflado en el análisis de la señal de desinflado (rampa y oscilatoria). El ruido en la señal de rampa se produce por algún movimiento del manguito o del paciente.
Las diferencias entre las mediciones con el método oscilométrico y el auscultatorio, dan idea de cuánto el oscilométrico puede sustituir al auscultatorio, pero no aportan datos respecto de la exactitud de nuestro método “per se”. Esto se lograría contrastando con mediciones invasivas de la presión arterial, pero dadas las condiciones
presupuestarias y físicas del Proyecto no fue posible llevarlas a cabo.
Todo el análisis anterior sólo tiene en cuenta el medidor implementado y no el método oscilométrico, el que en sí mismo trae aparejado un análisis adicional. Las relaciones características de las presiones sistólica y diastólica en el método oscilométrico (50 % del pico máximo de oscilaciones para la presión sistólica y 75% para la diastólica), no son muy confiables y su valor depende de algunos parámetros tales como frecuencia cardíaca, propiedades viscoelásticas de la pared vascular, y otros. [5]
5. CONCLUSIONES
De los resultados obtenidos en la validación del sistema se puede afirmar que el prototipo mide presión con buena repetibilidad, y posee las características de programabilidad buscadas. En resumen, está orientado a la medición de presión arterial en una etapa muy previa a la utilización definitiva.
Los errores por fallas en la adquisición se deben a que el control de inflado y desinflado actualmente no lo realiza el prototipo. Por lo que se puede suponer que cuando ésta etapa sea implementada dicha fuente de error desaparecería.
El ruido que aparece en la señales se debe al movimiento muscular del paciente durante la medición. Este tipo de error se detectó pocas veces durante las pruebas. Esto se debió a que el ambiente no estaba suficientemente aclimatado para realizar pruebas en invierno. Como solución se propone la realización de filtros para eliminar las señales producidas por la contracción muscular y ajustes en el algoritmo de cálculo de la presión.
Las diferencias que existen entre las mediciones con el prototipo y con el método auscultatorio hacen suponer que existe un error propio del método oscilométrico. Esta diferencia no brinda ningún tipo de información acerca del error del prototipo con respecto a los valores reales de presión arterial. Para poder cuantificar este error se debería realizar una validación contrastando el método oscilométrico con un método invasivo.
Otra fuente de errores reside en que los manguitos de los dos sistemas se encontraban en distinto brazo, y aunque se sabe que existe diferencia de presión entre los dos brazos no se conoce con certeza dicha diferencia. Este error es difícil de cuantificar y de corregir. Una forma de eliminarlo es utilizar el mismo brazo, pero las mediciones deberían realizarse con mayores intervalos.
Se debe hacer una consideración muy importante respecto a la cantidad de muestras realizadas, dado que 5 personas no constituyen una muestra significativa de la población. Sin embargo, a los efectos de conocer como estamos es una buena herramienta para decidir si se prosigue o se abandona el desarrollo.
Como continuación de este trabajo se propone:
a. Agregar filtros para espigas de contracciones musculares.
b. Realizar pruebas y ajustes del sistema para lograr mediciones de la presión arterial durante el ejercicio.
c. Realizar una corrección del algoritmo de cálculo de las presiones que el método oscilométrico propone a fin de minimizar los errores que éste produce.
AGRADECIMIENTOS
Dios, mamá y hermanita. A Susana Perrone por ser la generadora de “grandes proyectos“ y de la energía para llevarlos adelante. A la Facultad de Ingeniería de la U.N.E.R. por “incubar” estos proyectos.
REFERENCIAS
[1] Informe de Avance del PID “Desarrollo de una cinta transportadora – Tread Mill – para estudios ergométricos y biomecánicos”, Directora: Méd. Ma. Susana Perrone – Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Entre Ríos.
[2] G. G. Ojeda y G. M. Salum, “Dispositivo automático para medición de P.A.N.I.”, Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Entre Ríos
[3] J. Mompin Poblet - “Introducción a la Bioingeniería” – Ed.: Marcombo – Año: 1987
[4] Drzewiecki - Melbin – Noordergraaf - “Handbook of Bioingeniering” – Ed. : Mc Graw Hill – Año: 1997
[5] M. Ursino y C. Cristalli - “A mathematical study of some biomechanical factor affecting the oscillometric blood pressure measurement” IEEE Transactions on Biomedical Engineering -Vol.43 - Nro. 8 - August 1996.
FIRST MEASUREMENT WITH A BLOOD PRESURE
OSCILLOMETRIC DEVICE.
ABSTRACT
In the Universidad Nacional de Entre Ríos, a meter of non invasive blood pressure was development which implement the oscilometric method. The measurement of blood pressure was achieved in 5 persons of 24 ± 3 years old, in rest in according to methodological considerations, with the meter development and the auscultatory method. The measurements was contrasted, analized and comparated. In conclusion, good repetition of measurements and features of progamability was searched.
