Revista 003a.cdr
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1. 6 EMPLEO DE INSTRUMENTO VIRTUAL EN EL DESARROLLO DE EQUIPOS M DICOS D Su rez Y Forneiro Instituto Central de Investigaci n Digital Calle 202 No 1704 Siboney 11600 La Habana Cuba Email dsuarez Wicid cu RESUMEN desarrollo para la atenci n y monitorizaci n de las se ales de un bloque de oximetr a que se introducir en un nuevo desfibrilador Se presenta y discute el hardware utilizado para garantizar el aislamiento galv nico entre el desfibrilador y el bloque de oximetr a Para el dise o de este hardware se tuvieron en cuenta la seguridad del paciente y del operador as como las caracter sticas el ctricas del desfibrilador y las posibilidades de introducci n en otros modelos futuros El Instrumento Virtual creado puede ser extendido a otras aplicaciones siempre que utilicen una comunicaci n serie para el intercambio con la microcomputadora o implementen mediante hardware una interfaz USB serie como el caso que se presenta S e presenta el dise o de un Instrumento Virtual de Palabras claves desfibrilador instrumento virtual ox metro de pulso reanimaci n cardiopulmonar saturaci n de ox geno ABSTRACT his article presents a developing Virtual Instrument VI for attending and monitoring the signs coming from the oximetry block to be introduced to the defibrillators line of the Institute The hardware used to guarantee the galvanic insulation between the defibrillator and the oximetry block2. Se chequea que los 4 MSB del primer byte no son cero e Se chequea que el primer MSB del cuarto byte no es cero e Eltercer byte es menor que 16 En todos los casos se considera el sistema fuera de sincronismo El protocolo de transmisi n hacia la microcomputadora desde el microcontrolador implementa las mismas caracter sticas que el utilizado por el m dulo de oximetr a incorpor ndole un byte de Inicio y Parada para facilitar su sincronismo en el IV Estos datos son recibidos desde el IV y monitorizados 2 5 Dise o del instrumento virtual El IV es una herramienta utilizada para realizar pruebas al bloque de oximetr a mediante la interfaz de hardware implementada Est conformado por cuatro bloques como se ilustra en la figura 3 Bioingenier a y F sica M dica Cubana ISSN 1606 0563 Bloque de identificaci n de bytes Bloque de recepci n Bloque de monitoreo Bloque de sincronismo Figura 3 Diagrama en bloques del instrumento virtual Las flechas indican el flujo de los datos Obs rvese como stos son llevados a trav s de los bloques hasta la monitorizaci n e indicaci n en el caso de los errores A continuaci n se describe el funcionamiento de cada uno de los bloques implementados El bloque de recepci n utiliza el buffer de recepci n serie que implementa Labview 4 kBytes para la recepci n de los datos provenientes del microcontrolador Se usan las funciones Visa Read y Visa Write para la comun
3. desconectado 7 P rdida de pulso 4 CONCLUSIONES El IV es una herramienta que se ajusta no s lo para esta etapa de prueba del proyecto sino tambi n se puede extender a cualquier otro m dulo dentro del desfibrilador o dise o que requiera de un monitoreo de se ales donde la adquisici n de las mismas sea por puerto serie o mediante dispositivos que utilicen el manejador Virtual COM Port VCP implementando una comunicaci n USB con la microcomputadora Esto es posible dado que pueden ser modificadas con mucha facilidad las caracter sticas de la transmisi n serie tales como la velocidad de transmisi n el n mero de bytes a recibir el bit de Stop entre otras 12 Con el IV se establece el control en ambos sentidos del bloque de oximetr a entrada de datos y control digital y se realizan indicaciones visuales de errores para que el operario del sistema adopte las medidas pertinentes Con el dise o utilizado para el hardware de interfaz es posible introducir el bloque del ox metro OXY98000 a la l nea de desfibriladores del ICID y en espec fico el CARDIODEFS 100 garantizando la protecci n al paciente y al m dulo en cuesti n mediante el aislamiento galv nico que existe entre el m dulo de oximetr a y el desfibrilador AGRADECIMIENTOS Agradecemos la atenci n brindada por el Dr C Jos Folgueras M ndez del ICID y al Dr Ing Enrique Ernesto Vald s Zaldivar del Centro de Investigaciones de Microelectr nica REFE
4. is clearly stated The electrical characteristics of the defibrillator line produced in the Institute as well as the patient protection to be monitored were also taken into consideration when designing this hardware Key words Defibrillator virtual instrument pulse oximeter cardiopulmonar reanimation oxygen saturation Bioingenier a y F sica M dica Cubana ISSN 1606 0563 1 INTRODUCCI N La reanimaci n cardiopulmonar RCP es la t cnica empleada para restaurar la oxigenaci n del organismo cuando ocurre una parada cardiocirculatoria Cuando esto ocurre son afectados todos los rganos siendo el cerebro y el coraz n los m s sensibles ante la disminuci n de la oxigenaci n de la sangre Las lesiones cerebrales aparecen despu s del tercer minuto 1 y las posibilidades de supervivencia disminuyen con el tiempo Si persiste la falta de oxigeno comienza el proceso de muerte celular Si el motivo del paro cardiaco es una fibrilaci n ventricular la forma m s eficaz de salvar a la v ctima consiste en desfibrilar el coraz n es decir revertir su ritmo a un ritmo normal mediante un choque el ctrico utilizando un desfibrilador La prontitud con que se efect e la resucitaci n determinar la posibilidad del xito que disminuye entre un 7 aun 10 por cada minuto transcurrido 2 Despu s de la desfibrilaci n es necesario verificar los signos vitales del organismo entre los que se encuentran el nivel de ox geno en san
5. RENCIAS 1 M B Pardo R B Puchades M C Soriano Manual de Soporte Vital del Adulto 2002 2 Procedimientos avanzados de resucitaci n y cuidados cardiacos de urgencia Nueces County Medical Education Foundation pp 4 1 4 17 1995 3 Manual de usuario Ox metro de pulso OXY 9800 2003 4 International Electrotechnical Commissions Particular requirements for the safety of cardiac defibrillators IEC 60601 2 4 2002 5 R W Carlson and M A Geheb Critical care clinics Respiratory Procedures and Monitoring Noninvasive Oxygen Monitoring Techniques vol 11 pp 199 217 1995 Bioingenier a y F sica M dica Cubana ISSN 1606 0563
6. aci n de 100 000 Baudios compatible TTL y con aislamiento de 5 3 kV Aunque la se al Reset no requiere de esa velocidad de conmutaci n se ha seleccionado el mencionado acoplador ptico para lograr homogeneidad en el dise o del nuevo desfibrilador 2 4 Atenci n al bloque de oximetr a desde el desfibrilador El bloque de oximetr a establece el protocolo de comunicaci n Consiste en la transmisi n serie RS232 de paquetes de 4 bytes cada 13 33 ms La transmisi n es asincr nica sin bit de paridad con 1 bit de stop 8 bit de datos sin control de flujo y a una velocidad de 19200 Baudios En caso de la ocurrencia de errores comunes durante la medici n de oximetr a el protocolo incluye la se alizaci n del tipo de error a trav s de c digos de error En la figura 2 se esquematiza la estructura de los datos que transmite el m dulo de oximetr a TUNE AAA Figura 2 Estructura del paquete de datos transmitido por el bloque de oximetr a sin la ocurrencia de errores El primer byte corresponde a la parte alta de la se al infrarroja IR_Hi donde los 4 MSB son ceros seguido de IR_Low que es la parte baja de la se al infrarroja Este puede tomar cualquier valor El tercer byte es relativo al valor de FC frecuencia cardiaca quien toma valores en un rango entre 16 y 250 y el cuarto byte contiene la informaci n de SpO saturaci n de ox geno en sangre 10 que toma valores entre 0 y 100 Los datos se transmiten en parej
7. as de byte nunca un byte solo Las parejas se llaman IR_Hi I R_Low y FC SpO Cuando hay error se transmite s lo la pareja FC SpO llam ndose FC error y SpO error Nunca esta pareja de error puede interrumpir a una pareja de datos Bajo esta condici n FC error es 253 en el primer reporte y 252 en lo adelante hasta que se elimine el error Luego SpO error contiene el c digo del error El firmware de atenci n a los datos provenientes del bloque de oximetr a se implementa en el microcontrolador encargado de esta tarea dentro del desfibrilador Una vez llegado el paquete de datos es retransmitido v a USB hacia la PC para su monitorizaci n en el IV usando un circuito integrado dedicado a este fin Para garantizar el sincronismo de los datos provenientes del m dulo de oximetr a con el m dulo de recepci n del microcontrolador se emplea un temporizador ya que el protocolo de transmisi n establecido no env a un byte de Inicio y un byte de Parada para conocer el inicio y fin de una trama Una vez recibidos los 4 bytes se habilita el conteo de 5 ms tiempo en el que no se reciben datos o tiempo de silencio Transcurrido el tiempo se desborda el registro de conteo asociado al temporizador y se pone al microcontrolador nuevamente en espera de un nuevo paquete de datos Esto garantiza conocer la llegada del primer byte del paquete Si durante el tiempo de silencio llega alg n dato al puerto este es ignorado La se al Reset se activa si e
8. erfaz gr fica del IV En la figura 5 se muestra el panel frontal del IV con los resultados obtenidos a partir de la implementaci n del firmware de prueba G ESS D 1 Instituto Central de Investigaci n Digital Bioingenier a y F sica M dica Cubana ISSN 1606 0563 Figura 5 Panel frontal del instrumento virtual para el monitoreo de las se ales provenientes del m dulo de oximetr a en etapa de prueba Obs rvese que las tres se ales generadas caen a cero una a continuaci n de la otra con un At Este At est determinado por el tiempo de procesamiento de un dato Los puntos resaltados en color m s intenso indican los momentos de muestreo de los datos La primera curva muestra en color rojo la se al Pletismogr fica la segunda en color amarillo se refiere a la Frecuencia Cardiaca y la tercera en color cyan a la Saturaci n de Ox geno en sangre Enlas tres gr ficas se muestran las se ales diente de sierra generadas Se observa la sincronizaci n de los datos recibidos y la continuidad de las l neas que conforman las gr ficas quienes indican la ausencia de p rdidas de los datos A la derecha del panel frontal del IV se observan los indicadores de alarma que en caso de errores son se alizados Los errores posibles se enumeran a continuaci n seg n el c digo de error correspondiente a cada uno 1 Exceso de luz ambiental 2 Tejido muy opaco 3 Baja perfusi n 4 Sensor ca do 5 Artefacto 6 Sensor
9. estra el diagrama de flujo asociado a la rutina de atenci n a la interrupci n del temporizador utilizado 11 Rutina de atenci n a IT TMRO 13 33ms Recargar constantes y limpiar bapdera IT Transmitir byte de inicio OxX3Ah Transmitir valor constante 1 5d Incrementar variable y transmitir la Incrementar variab le2 y transm tir la Incrementar variab le3 y transm itir la Transmitir byte de parada Ox 23h SALIR_IT Figura 4 Atenci n a la rutina de interrupci n del temporizador cada 13 33ms Se trabaja con el Timer0 del microcontrolador El tiempo que demora en realizar la transmisi n de los seis bytes es de 3 127 ms Obs rvese en la estructura de la trama que el valor 0x3A es el byte de Inicio y 0x23H el byte de parada Se representa el caracter ASCII correspondiente El segundo y tercer byte se concatenan en el bloque de monitoreo del IV utilizando la funci n Concatenate Strings formando un nico valor correspondiente a la se al Pletismogr fica dado su formato de 12 bits El tercer cuarto y quinto byte se incrementan en 1 cada vez que el programa entra a la rutina de atenci n al temporizador hasta que se produce el desbordamiento 255 e inician nuevamente su valor en cero cre ndose se ales diente de sierra en los tres casos De esta manera se simulan los datos asociados a la gr fica Pletismogr fica Frecuencia Cardiaca y Saturaci n de Ox geno en sangre 3 2 Int
10. gre y la morfolog a de las se ales electrocardiogr ficas para observar la evoluci n del paciente El Instituto Central de Investigaci n Digital ICID desarrolla actualmente un desfibrilador monitor bif sico semiautom tico que a ade entre otras la opci n de oximetr a de pulso sustentado sobre un ox metro de pulso ya existente 3 En este art culo se presenta un Instrumento Virtual IV de desarrollo que permite la comunicaci n y monitorizaci n de los datos provenientes del ox metro de pulso para acoplarlos al sistema jer rquico del desfibrilador El objetivo del IV es comprobar el funcionamiento del bloque de oximetr a antes de ser implementado en el desfibrilador 2 METODOLOG A Para la conexi n del bloque de oximetr a con el desfibrilador y realizar posteriormente el procesamiento de los datos desde el IV se estructur el trabajo en las siguientes etapas 1 Definici n de los bloques que conforman el hardware de interfaz con el desfibrilador 2 Dise o a la medida del bloque de alimentaci n y aislamiento 3 Implementaci n del control del bloque de oximetr a desde el desfibrilador 4 Dise o de un V para el monitoreo de las se ales 2 1 Requisitos para la conectividad del bloque de oximetr a con el desfibrilador Los requisitos de dise o que se tuvieron en cuenta se muestran a continuaci n e Tensiones de alimentaci n del ox metro 5 V 12 V 9 e Corrientes m ximas de consumo del
11. icaci n con el puerto serie El bloque de sincronismo se usa para sincronizar los paquetes de datos recibidos evitando la ocurrencia de errores en la lectura de los mismos Se chequea la llegada del byte de inicio y parada de cada paquete utilizando la funci n Match Pattern A la salida de este bloque quedan solamente los bytes de datos o errores El bloque de identificaci n de bytes implementa la l gica para separar los bytes restantes Se logra mediante Iteraciones ciclo For y utilizando la funci n String Subset En cada ciclo de iteraci n se obtiene a la salida de la funci n mencionada un byte de dato En el bloque de monitoreo se visualizan las se ales se al pletismogr fica frecuencia cardiaca y saturaci n de ox geno en sangre Se indican los errores en caso de su ocurrencia 3 RESULTADOS Y DISCUSI N El IV permite visualizar de manera permanente las se ales biom dicas que transmite el bloque de oximetr a observando la presencia o no de p rdidas en el proceso de recepci n de los datos y as valorar el funcionamiento del m dulo en cuesti n 3 1 Firmware de prueba para el instrumento virtual A modo de prueba se concibi un firmware para comprobar el funcionamiento del IV El firmware de prueba consiste en la transmisi n de seis bytes estableciendo el mismo protocolo del bloque de oximetr a pero incluyendo un byte de Inicio al principio de la trama y un byte de Parada al final de la misma En la figura 4 se mu
12. ncargar del control del bloque de oximetr a desde el desfibrilador y de la l nea de transmisi n serie Tx proveniente del bloque de oximetr a estableciendo la comunicaci n con el desfibrilador El instrumento virtual se ejecuta en una microcomputadora sobre plataforma Windows Sirve como herramienta en la etapa de prueba y puesta a punto del m dulo de oximetr a y su tarea es recibir y monitorizar los datos provenientes del bloque de oximetr a por el puerto USB interfaz que se implementa en el desfibrilador El programa brinda se ales visuales de alarma propias del proceso G ESES D ICID Instituto Central de Investigaci n Digital Bioingenier a y F sica M dica Cubana ISSN 1606 0563 2 3 Dise o de la fuente de alimentaci n y barrera de aislamiento Utiliza un convertidor DC DC para aislar galv nicamente al m dulo de oximetr a del desfibrilador en un nivel de 3 kV tensi n superior al valor m ximo que alcanza el est mulo el ctrico de desfibrilaci n 2 5 kV De esta manera se garantiza la seguridad del paciente tal como se establece en la norma correspondiente 4 y se protege el m dulo de oximetr a cuando se ha producido una descarga aplicada al paciente Se seleccionaron reguladores de tensi n de baja demanda de corriente en estado de shutdown garantizando el bajo consumo del equipo Para el aislamiento de las se ales de transmisi n y control se emple un acoplador ptico con velocidad de conmut
13. ox metro Im x 5V 10 mA Im x 12 V 1 mA e Aislamiento galv nico mayor que 3 kV entre el desfibrilador y el m dulo de oximetr a 4 e L neas de comunicaci n con aislamiento galv nico 2 2 Bloques que conforman el hardware de interfaz Comunicaci n con la microcomputadora En la figura 1 se muestra el diagrama en bloques que representa la conexi n del bloque de oximetr a con el desfibrilador y su interfaz con la microcomputadora Fuente de Inhibit alimentaci n Bloque de oximetr a Desfibrilador Control del sensor Barrera de aislamiento Sensor 1 Figura 1 Diagrama en bloques de la conexi n del m dulo de oximetr a con el desfibrilador Obs rvese la existencia de la barrera de aislamiento y la interfaz con la computadora El sensor de oximetr a da una se al el ctrica proporcional a la intensidad de luz absorbida por el ox geno presente en la hemoglobina siguiendo la ley de Lambert Beer 5 El bloque de oximetr a establece el control del sensor de oximetr a digitalizaci n y transmisi n de los datos con formato RS232 La fuente de alimentaci n brinda los niveles de tensi n y corrientes necesarios para el bloque de oximetr a a partir de la bater a del desfibrilador La se al Inhibit permite encender y apagar el bloque de oximetr a La barrera de aislamiento implementa el aislamiento galv nico de la se al de control Reset proveniente del microcontrolador que se e
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