M- health ¿Una solución económica? | 19 MAY 14

Diseño y evaluación de un oxímetro de pulso de bajo costo para dispositivos móviles

Es sabido que una breve interrupción en el suministro de oxígeno altera la función celular, y una interrupción sostenida rápidamente ocasiona lesión celular con injurias graves. Por lo tanto, la detección de los niveles reducidos de oxígeno en la sangre es un indicador clave de los pacientes que requieren una intervención inmediata.
Autor: Dres. Christian L. Petersen, P. Chen, J. Mark Ansermino and Guy A. Dumont. Sensors 2013, 13(12), 16882-16893; doi:10.3390/s131216882

Introducción


La oximetría de pulso es una tecnología de detección óptica no invasiva que es capaz de medir la saturación de oxígeno arterial. Esta tecnología ha contribuido significativamente a reducir el riesgo de muerte relacionada con la anestesia y la cirugía. El oxímetro de pulso se ha convertido en un dispositivo de monitorización estándar en los hospitales modernos, obligatorios en América del Norte, gran parte de Europa y en muchas otras regiones del mundo. Sin embargo, todavía hay lugares a nivel mundial donde los oxímetros de pulso no se utilizan habitualmente durante la anestesia, ya que no están disponibles.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) se ocupa de este déficit a través de la iniciativa Oximetría Global (GO). Como resultado de ello, los representantes de la Asociación de Anestesistas de Gran Bretaña e Irlanda (WFSA), y la Escuela de Salud Pública de Harvard, han creado una organización benéfica para facilitar el acceso a los oxímetros de pulso a bajo costo adecuados para su uso en la anestesia. El oxímetro LifeBox es suministrado para EE.UU. a 250 dólares y es respaldado por donaciones internacionales. El oxímetro de pulso también tiene el potencial para actuar como un dispositivo de diagnóstico en las vías respiratorias y enfermedades cardíacas, así como enfermedades sistémicas tales como la preeclampsia y la sepsis, que afectan a múltiples sistemas del cuerpo incluyendo los pulmones.

Un oxímetro de pulso funciona por el resplandor de la luz a partir de dos diodos emisores de luz (LEDs) en diferentes longitudes de onda, por lo general de 660 nm (rojo visible) y 910 nm (cercano al infrarrojo), a través de la sangre arterial de un dedo o la oreja y detectar la luz transmitida con un fotodiodo. Las moléculas de hemoglobina con y sin oxígeno unido tienen diferentes características de absorción óptica a estas longitudes de onda , y la saturación de oxígeno puede deducirse de la relación de la luz transmitida a las dos longitudes de onda. La saturación de oxígeno es el porcentaje de moléculas de hemoglobina que tienen al oxígeno unido en comparación con aquellos que no están vinculados al oxígeno.

Un individuo sano tiene un nivel de saturación de oxígeno por encima de 95%. Un descenso por debajo del 95% es un fuerte indicador de un suministro de oxígeno o el desequilibrio del consumo, por ejemplo, causado por el impedimento de intercambio de gases en los pulmones que resulta de enfermedades respiratorias graves como la neumonía y el asma o debido a un aumento en el consumo, así como el impedimento de intercambio de gases visto en otras enfermedades inflamatorias e infecciosas sistémicas. De esta manera, la oximetría de pulso puede ser usada, por ejemplo, para diferenciar la neumonía grave de afecciones más leves.

Por lo tanto, la oximetría de pulso tiene el potencial de ser una herramienta poderosa en la prevención de la mortalidad infantil en los países de bajos y medianos ingresos. Por desgracia, estas zonas del mundo siguen en gran medida sin acceso a la tecnología. Parte del problema es que los oxímetros de pulso convencionales son dispositivos costosos y voluminosos destinados a ser utilizados en los hospitales modernos, y no son adecuados para su uso en entornos de bajos recursos.

Con el fin de hacer que la oximetría de pulso más accesible, los investigadores han desarrollado un Oxímetro para Smartphones, que se conecta a un módulo de oxímetro comercial basado en un microcontrolador de impulsos del Smartphone.

Los teléfonos están ampliamente disponibles, incluso en las zonas más remotas, y se han convertido en una piedra angular de las economías en desarrollo y el sustento de la comunicación en todas partes. Por ejemplo, África ha experimentado un enorme crecimiento en el uso del teléfono móvil en los últimos años, con 648,4 millones de abonados de telefonía móvil en 2011, más que en los Estados Unidos o la Unión Europea.

Los estudios de usabilidad del prototipo del oxímetro previamente realizado en Canadá y Uganda dieron puntuaciones generales de usabilidad de 82 % y 78 % respectivamente.

En este trabajo describe el desarrollo de un oxímetro pensado para teléfonos inteligentes, el mismo es de bajo costo y no requiere un microcontrolador intermediario (muy costoso), interconectando del sensor directamente al teléfono. Mediante el aprovechamiento de las capacidades del teléfono, el costo total del nuevo dispositivo se reduce al sensor para el dedo en sí, y toda la infraestructura de soporte es inherente al teléfono móvil.

Cualquier implementación viable de un sensor de señales biológicas que se base en la electrónica de consumo debe tener una forma efectiva de verificar el rendimiento a través de diferentes dispositivos.

El siguiente es un esquema del sensor del oxímetro con dos diodos emisores de luz y un fotodiodo está interconectado a un smartphone con una aplicación de software de oxímetro de pulso.



Los investigadores observaron que los dispositivos de la familia Apple iOS (iPhone, iPod Touch, iPad y iPad Mini) generan las tensiones de salida suficientes para realizar las mediciones clínicas. El fotodiodo sensor del oxímetro se interconecta a al micrófono del teléfono con un fotodiodo.

Interfaz de software

Dado que no se utiliza ningún módulo microcontrolador, el oxímetro del smartphone debe realizar el procesamiento de señal necesario para calcular la saturación de oxígeno de la señal.



La aplicación se ha desarrollado en un entorno multiplataforma.
Los datos se transfieren entre el sensor y la aplicación a través de la conexión de audio en tiempo real.

La interfaz gráfica fue diseñada para mostrar los elementos clave necesarios. Se puede reconfigurar automáticamente de acuerdo al tipo de dispositivo.

Pruebas y aprobación del estudio

Con la aprobación del comité de ética y el consentimiento escrito se reclutaron nueve pacientes que llevaban dos sensores en la mano no dominante y tenían movimiento sin restricciones durante la exposición.

Los resultados mostraron una buena concordancia entre los dos oxímetros, y la precisión fue dentro del rango estándar ISO del 4%.

Sin embargo, la realización de estudios en humanos bajo condiciones de bajo oxígeno conlleva un riesgo de complicaciones, y no se puede involucrar a individuos de alto riesgo, como niños y pacientes con enfermedades cardiovasculares graves, ya que eso representaría casos con perfusión y transmisión limitada.

Actualmente existen más de 25 generaciones de hardware diferentes en la familia Apple móviles al momento de la escritura del presente trabajo. Una vez que el sensor ha sido validado de acuerdo con los requisitos de la norma en un dispositivo de referencia, son necesarios nuevos medios para realizar las pruebas para garantizar un rendimiento equivalente en otros dispositivos.

Por estas razones, se ha desarrollado un sistema de testeo basado en un simulador con la ventaja de poder testear la gama completa de niveles de pigmentación de la piel y la perfusión puede ser fácilmente evaluada. La instalación consiste en un simulador de oxímetro, controlado por un ordenador a través de la interfaz en serie del simulador.

Resultados y discusión


El prototipo, las pruebas y ensayos con el oxímetro se realizaron con dispositivos iPhone de Apple y el iPod Touch con el sistema operativo iOS.

La aplicación se evaluó con pruebas sistemáticas tanto para la saturación de oxígeno como para la frecuencia cardíaca.

Los resultados muestran una fuerte correlación entre la frecuencia cardíaca y los valores de saturación de oxígeno seleccionados en el simulador. Para la saturación de oxígeno, las pruebas se repitieron en los niveles de transmisión óptica de 5, 10, 50, 100, 200 y 300 partes por millón (ppm), lo que representa una gran gama de pigmentaciones de la piel. La misma búsqueda de calibración se utilizó en todos los niveles de transmisión en los dos dispositivos. Los coeficientes globales de correlación de Pearson para las mediciones de la saturación de oxígeno fueron 0.9976 y 0.9992 para el iPod Touch 4 y el iPhone 5, ambos indicativos de una excelente correlación (una correlación de 1,0). La precisión de las lecturas de saturación de oxígeno sobre todas las transmisiones fueron 0,85% para el iPod Touch 4 y 0,45% para el iPhone 5 con un sesgo de 0,12% y 0,05%, respectivamente.

Los niveles de transmisión o revisiones de hardware no afectaron el algoritmo de la frecuencia cardíaca, y el simulador se correlacionó bien con el dispositivo (coeficiente de correlación de Pearson fue de 0.9997).

Conclusiones y perspectivas

Se ha desarrollado un nuevo dispositivo oxímetro de pulso, que se conecta un sensor de dedo estándar al puerto de audio de un teléfono inteligente a través de un pre-amplificador de alta impedancia con conexión a red integrada en el conector del sensor.

Esta solución elimina casi la totalidad de los costos de hardware de un oxímetro convencional, y permite que un teléfono inteligente sea utilizado como una herramienta de diagnóstico para enfermedades como la neumonía.
El número de teléfonos inteligentes en el mercado es asombrosa, y representa un blanco en constante movimiento para los desarrolladores.

Por ejemplo, la tienda de aplicaciones de Google es compatible actualmente con más de 3.500 teléfonos inteligentes basados en Android, y nuevos dispositivos están llegando constantemente. Es inviable probar cualquier sensor en todos estos dispositivos a través de los ensayos en humanos, y la solución de este reto es esencial para el éxito de las aplicaciones de mHealth en general.

Comentarios

Al hablar de M-health ó de aplicaciones para el cuidado de la salud al alcance de la mano, considero ambicioso creer que todos tienen acceso a un teléfono inteligente o dispositivo que les permita prevenir complicaciones de enfermedades como la neumonía.

Si bien es un dispositivo que puede considerarse económico con el apoyo del estado, no se incluye en el presupuesto de los autores la necesidad de contar con un dispositivo que permita la utilización del oxímetro de pulso. Aún hoy no podemos afirmar que es una solución al alcance de la mano para todos.

♦ Resúmen: Dr. Daniel Luna . Jefe del Dpto de Informática Hospital Italiano de Buenos Aires

 

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