ES2302446B1 - Sistema para la determinacion y monitorizacion de los indices de desaturaciones y tasa respiratoria instantanea. - Google Patents
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Abstract
Sistema para la determinación y monitorización
de los índices de desaturaciones y tasa respiratoria
instantánea.
Se basa en la extracción de componentes de la
señal de saturación de oxígeno en sangre (SpO2) captada por un
oxímetro, obteniendo y procesando los datos en el dominio de la
frecuencia para detectar eventos respiratorios y determinar valores
como tasa respiratoria y sus desviaciones (taquiapnea/bradiapnea) e
índices de desaturaciones.
Se trata por tanto de una invención vinculada al
campo de la bioingeniería, con aplicaciones en el campo de la
Medicina permitiendo la monitorización y ayuda al diagnóstico de
trastornos respiratorios para su uso en anestesias, cuidados
intensivos y emergencias sanitarias, y ayuda al diagnostico del
síndrome de apneas e hipopneas del sueño (SAHS).
Description
Sistema para la determinación y monitorización
de los índices de desaturaciones y tasa respiratoria
instantánea.
El sistema objeto de esta patente se basa en la
extracción de componentes, mediante el análisis en frecuencia de la
señal captada exclusivamente por un oxímetro, obteniendo y
procesando información de los datos de la saturación de oxigeno en
sangre (SpO_{2}). Se trata por tanto de una invención vinculada
al campo de la Bioingeniería, con aplicaciones en el campo de la
Medicina, permitiendo la monitorización y ayuda al diagnóstico de
trastornos respiratorios, para su uso hospitalario y domiciliario y
de ayuda al diagnostico del Síndrome de Apneas e Hipoapneas del
sueño (SAHS).
La oximetría se fundamenta en la llamada ley de
Beer y Lambert, que permite calcular la concentración de una
sustancia en solución a partir de su absorción óptica a una longitud
de onda determinada. En el caso de la sangre, hay dos sustancias
relevantes a la oxigenación que son la Hemoglobina (Hb) y la
oxihemoglobina (HbO2). Puesto que la desoxigenación de la sangre
causa una absorción creciente en la banda roja y decreciente en la
banda infrarroja, los oxímetros tienen por tanto dos longitudes de
onda: roja e infrarroja que permite distinguir la hemoglobina
oxigenada de la reducida. En el mercado existen diferentes tipos de
equipos cuyo principio de funcionamiento es siempre el mismo.
Es frecuente la aproximación al diagnóstico del
Síndrome de Apnea e Hipoapnea del sueño (SANS), mediante la
determinación del índice de eventos de desaturación de oxigeno,
comparando los valores de saturación de Oxigeno (SpO2) con la línea
basal del paciente o con una línea base teórica correspondiente a
pacientes sanos.
La interpretación rigurosa de la oximetría
nocturna requiere del conocimiento de los valores normales de
saturación de oxigeno durante el sueño.
Partiendo de estos criterios clínicos, los
trabajos orientados al diagnóstico automatizado establecen diversos
criterios para la detección de eventos y el cálculo del Índice de
desaturaciones. Los basados en la medida del SpO2, establecen, hasta
donde sabemos, dos tipos de criterios fundamentales que a su vez
aplican diferentes métodos de cálculo, que obtienen diferentes
resultados. En los casos de SAHS severo no difieren sustancialmente,
pero en los casos leves y moderados pueden inducir a posibles
errores en el diagnostico. En relación a los algoritmos utilizados
por los fabricantes de instrumental de medida para la determinación
de los indices de desaturaciones, hasta donde sabemos no son
facilitados al usuario, por lo que es difícil establecer criterios
comparativos fiables.
La obtención del ID (Índice de desaturación)
requiere establecer un nivel de referencia respecto al que
determinar los eventos que se producen. La obtención de este nivel
de referencia o nivel basal ha dado lugar a diversos métodos que
serán considerados en este estudio como referencia para la
obtención de eventos.
Básicamente, dos son las estrategias que han
sido establecidas:
- \bullet
- Métodos basados en la desviación respecto de cierto nivel basal.
- \bullet
- Métodos basados en la velocidad de descenso o ascenso (flancos).
Dentro del primer grupo, se encuadran aquellos
algoritmos en los que el nivel basal se obtiene como media
estadística de los valores de SpO2 durante el total registrado
durante el experimento [4]. El nivel basal se obtiene como media de
la señal durante el periodo completo del experimento, excluyendo
artefactos y fallas en la medida. Para la detección de eventos
respiratorios, esta aproximación se basa en la búsqueda de
descensos por debajo del 4% de este nivel basal. En otros
algoritmos, el nivel basal es una media móvil de los valores
localizados en el percentil 95 durantes uno o varios minutos
previos al instante tratado. Por tanto, con anterioridad al calculo
de la media móvil, todos los datos del periodo tratado habrá sido
sometidos a un filtrado estadístico que elimina aquellos valores
inferiores al correspondiente al percentil 95. Ello asegura valores
elevados del nivel basal que conducen a buenos resultados prácticos
en la discriminación de eventos respiratorios [3,4]. Como resultado
de las aplicaciones de la aproximación de los percentiles al
filtrado, los periodos de desaturación en el paciente quedan
excluidos de forma automática en el cálculo del nivel basal, y
además se conserva la dinámica de la evolución temporal de la
oximetría del paciente [2].
El segundo grupo tiene en cuenta que los eventos
de apnea pueden estar totalmente localizados por debajo del nivel
basal estándar del 90%, y que, incluso cuando el nivel basal sea
una media estadística para cada paciente, un importante número de
desaturaciones pueden no ser detectadas debido a que las
recuperaciones de la SpO2 no llegan a alcanzar el umbral marcado
por el basal. Esta situación induce a error en el cálculo del
ID.
Rauscher [4] propone 2 nuevos métodos que no
requieren la determinación del nivel base, ya que considera
únicamente ascensos o descensos de los niveles durante cierto
intervalo de tiempo, o lo que es lo mismo, considera exclusivamente
la pendiente media de la señal SpO2 durante intervalos definidos de
tiempo. De acuerdo a esta aproximación, Rauscher obtiene tasas de
eventos por medio de la detección del número de descensos
superiores al 4% durante un intervalo de tiempo no inferior a 40
segundos, y por medio de la detección del número de recuperaciones
superiores al 3% en un intervalo de al menos 10 segundos. Este
procedimiento justifica la diferencia en las pendientes de subida y
bajada aduciendo que las restauraciones responden con mayo
celeridad a la restauración de la actividad respiratoria.
Sin embargo, estas medidas de valoración
estadística de la línea base o nivel basal de saturación de oxígeno
en la sangre, pueden estar afectadas por los siguientes elementos
que alteran la medida basada en el dominio temporal [1]:
- \bullet
- Bajo nivel de circulación sanguínea
- \bullet
- Alta fracción de HbCO (V.g: Fumadores o personas en ambientes tóxicos)
- \bullet
- Deoxihemoglobina
- \bullet
- Hipoxemia anémica
Las tasas respiratorias (braquipneas, taquipneas
y normapneas), hasta donde sabemos, son calculadas a través de
cánulas de flujo oronasales, galgas extensométricas, acelerómetros
y otros dispositivos de medida indirecta, no encontrando ni patentes
ni bibliografía de medida basadas en el uso de la oximetría
exclusivamente.
[1] Technik in der Kardiologie. A. Bolz,
W. Urbaszek. Springer, 2001.
[2] Eusebi Chiner, Jaime
Signes-Costa, Juan Manuel Arriero,
et al. Nocturnal oximetry for the diagnosis of the sleep
apnoea hypopnoea syndrome: a method to reduce the number of
polysomnographies? THORAX 1999; 54:968.
[3] J. C. Vázquez, W. H. Tsai, W.
W. Flemons, A. Masuda, R. Brant, E.
Hajduk, W.A. Whitelaw, J. E. Remmers.
Automated analysis of digital oximetry in the diagnosis of
obstructive sleep apnea. THORAX, vol. 55, pp.
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[4] Rauscher, H., Popp, W., y
Zwick, H. Computerized detection of respiratory events
during sleep from rapid increases in oxyhemoglobin saturation.
LUNG 1991, 169:335-342.
El método objeto de esta patente se basa en la
extracción de las componentes en frecuencia de la señal captada por
un oxímetro, obteniendo información de datos fisiológicos
respiratorios vitales, para la ayuda al diagnóstico automatizado de
problemas relacionados con la hipoxia en general y el síndrome de
apnea-hipopnea del sueño en particular, con
independencia de los valores basales y absolutos del SpO2.
La invención permite:
- \bullet
- Integración de forma novedosa en los actuales equipos de oximetría, del calculo del ID (Índice de desaturación) y de los ritmos respiratorios del paciente (normal, braquipneas y taquipneas) con independencia de los valores basales y absolutos del paciente.
- \bullet
- Procesado de los datos captados, mediante un sistema basado en microprocesador, para la extracción y presentación de las variables fisiológicas citadas: Espectroximetría y Espectropneas.
- \bullet
- Presentar parámetros resultantes del análisis de las variables anteriores: Ritmo Respiratorio e Índice de desaturaciones/hora.
- \bullet
- La aplicación domiciliaria almacenando o transmitiendo los datos para su interpretación por un especialista.
A fin de hacer más inteligible el objeto de la
invención, ha sido ilustrada con tres figuras esquemáticas, que
asumen un carácter de ejemplo demostrativo:
La figura 1.a muestra las diferentes etapas de
procesado de la información hasta la generación de la información
del índice de desaturaciones.
La figura 1.b muestra las diferentes etapas de
procesado de la información hasta la generación de la información
de los índices respiratorios.
La figura 2, representa de forma esquemática el
sistema físico en el que se basa la invención.
Acompañando a estas 2 figuras, se anexan otras
cuatro que muestran de forma gráfica los resultados expresados en
este documento, y que permiten contrastar de forma fehaciente las
informaciones expresadas en la descripción de la invención que
sigue.
La figura 3 muestra la forma de los datos
captados por el oxímetro y las correspondientes potencias
espectrales de las desaturaciones del oxigeno (SpO2) en el caso de
un paciente con diagnostico de desatuaciones medias. (ID= 25)
Las figura 4 muestra la correlación existente
entre la potencia espectral media calculada en los rangos
establecidos para las desaturaciones de oxigeno, y los
correspondientes índices de desaturaciones establecidos por los
expertos del Hospital de referencia.
La figuras 5 y 6 muestran la localización
espectral en los rangos de frecuencias de las componentes
respiratorias y de las desaturaciones.
En relación a la invención presentada, tiene dos
partes diferenciadas, se proporciona un método para el calculo del
índice de desaturaciones basado en el análisis en frecuencia, por
lo que el método no está afectado ni por los cálculos de líneas
basales que emplean los métodos tradicionales, ni por la existencia
de artefactos externos o internos al paciente que pueden modificar
la medida. Así mismo se presenta un método, no incluido en los
actuales oxímetros, para determinar los ritmos respiratorios de los
pacientes, basado también en los análisis en frecuencia de los
ritmos respiratorios detectados en las señales proporcionadas por
el oxímetro.
La invención presentada y expuesta supone en
consecuencia una simplificación de las pruebas para el diagnóstico
de determinadas disfunciones asociadas con desordenes respiratorios
tales como el síndrome de apnea hipopnea obstructiva del sueño
(SAHS), proporcionando ayuda a la diagnosis de trastornos
respiratorios y de evaluación en situaciones de riesgo.
Entre las ventajas que aporta respecto al estado
de la técnica actual, destacan las siguientes:
- 1.
- Sistema de sencilla aplicación y operación.
- 2.
- No requiere calibración de la medida.
- 3.
- No requiere personal experto
- 4.
- Uso domiciliario y uso hospitalario
- 5.
- Empleo en situaciones de catástrofes y emergencias para la rápida discriminación de situación vital de los afectados
- 6.
- Procesado novedoso de la información captada para la obtención de información útil para el diagnóstico.
El sensor de oximetría proporciona una señal
eléctrica, proporcional a la saturación arterial de oxihemoglobina
(SaO2). Esta señal eléctrica se transmite a una circuitería de
procesamiento, que la amplifica la señal, la filtra y la convierte
en una señal digital. Los parámetros de filtrado previo a la
conversión ND están condicionados por la frecuencia de muestreo.
Este filtrado puede implementarse vía hardware o software o por
medio de una combinación de ambos. La señal digital resultante se
entrega a un sistema microprocesador para su evaluación.
Este sistema operará conforme a unas
instrucciones almacenadas en memoria, que implementan el
procedimiento de cálculo reflejado en la figuras 1-a
y 1-b. Además, el sistema podrá almacenar en una
memoria los datos captados y obtenidos a través del procesamiento.
El almacenamiento puede realizarse en cualquier sistema de
almacenamiento o combinación de estos, como memorias volátiles
(DRAM), no volátiles, discos duros, CD-RW, DVD,
memorias extraíbles (tarjetas SD, MMC,...). El sistema
microprocesador puede además presentar los resultados a través de un
display al operador, generar alertas acústicas, luminosas o de
cualquier otro tipo. Puede contener dispositivos de entrada como
pantallas táctiles, teclados, o cualquier otro dispositivos
destinado a la entrada de información por parte del operador.
Es evidente que este sistema microprocesador
puede implementarse físicamente por uno o varios dispositivos,
capaces de cumplir con las funciones descritas. Pueden ser sistemas
de propósito general o especifico, tales como microprocesadores,
microcontroladores, procesadores digitales de señal, circuitos
integrados de aplicación especifica (ASIC), ordenadores personales,
PDAs, smartphones, ...
Es importante destacar que el procesamiento para
la obtención de los índices respiratorios y de desaturaciones está
completamente desacoplado y puede independizarse. En cambio, las
etapas de pre-procesamiento de la señal captada por
el oxímetro son idénticas. La señal recogida se somete a un
filtrado inicial para la eliminación de los artefactos en la
medida. Posteriormente se aplica un filtrado LP por filtro de media
móvil, con un índice de muestras para la media que puede variar
entorno a 5 muestras. La salida de este filtro se somete a un
submuestreo para generar un tren de muestras a fs=0.2 Hz, del que
se elimina la componente de continua. Con ello termina el bloque de
pre-procesamiento.
Tanto para la obtención de los índices
respiratorios como para el cálculo del índice de desaturaciones, se
calcula la densidad espectral de potencia de la señal resultante del
preprocesado anterior, empleando para ello cualquiera de los
métodos descritos en la literatura (paramétricos o no
paramétricos).
Para el cálculo del índice de desaturaciones, se
calcula el valor medio de la estimación espectral anterior, en la
banda [1/60 Hz, 1/20 Hz]. Este valor medio permite obtener
directamente el valor del ID a través de la relación logarítmica que
vincula estadísticamente ambas cantidades, de acuerdo al ajuste
realizado con un grupo de control. El índice de desaturaciones es
almacenado por el sistema.
Para el cálculo de los índices respiratorios, se
calcula el valor medio de la estimación espectral, en las bandas
[0.1 Hz, 0.2 Hz], [0.2 Hz, 0.3 Hz], [0.4 Hz, 0.5 Hz]. Estos valores
medios permiten de nuevo obtener directamente los valores de los
índices de normalpnea, braquipnea y taquipnea a través de la
relación que vincula estadísticamente sendas cantidades, de acuerdo
al ajuste realizado con un grupo de control. Los índices de
normalpnea, braquipnea y taquipnea son almacenados por el
sistema.
El método incluye las siguientes fases:
- 1.
- Test para la recogida de los datos del paciente, con la colocación del sensor de oximetría.
- 2.
- El sistema de adquisición acondiciona la señal mediante un preamplificador amplificador y filtro antialiasing. El muestreo se hace con frecuencias no inferiores a 1 Hz. Los datos obtenidos se almacenan en un registro para su procesamiento.
- 3.
- Se aplica un filtrado previo del espacio de trabajo anterior, para la eliminación de artefactos en la medida, generando un nuevo registro de datos libre de fallas. Este preprocesado puede incluir el truncado o la interpolación sobre el registro original.
- 4.
- Se aplica un filtrado de media móvil (LP) seguido de un submuestreo a una nueva tasa de 0.2 Hz. A la señal resultante se le elimina la componente de continua.
- 5.
- Procesado de la señal, para extraer el índice de desaturaciones. Se calcula la densidad espectral de potencia y se evalúa su valor medio en la banda [1/60, 1/20 Hz].
- 6.
- Entrega del resultado del procesamiento a una etapa decisoria, ajustada previamente con un grupo de control, para la obtención directa del índice de desaturaciones a partir del valor medio espectral anterior.
- 7.
- El índice de desaturaciones se determina inmediatamente y puede ser presentados al paciente por su médico especialista en tiempo real o tan pronto como el test concluya.
- 8.
- Procesado de la señal, para extraer los índices respiratorios. Se calcula la densidad espectral de potencia y se evalúa su valor medio en las bandas [0.1, 0.2 Hz], [0.2, 0.3 Hz] y [0.4, 0.5 Hz].
- 9.
- Entrega de los resultados del procesamiento a una etapa decisoria, ajustada previamente con un grupo de control, para la obtención directa del índice de braquipneas, del índice de normalpneas y del índice de taquipneas, a partir de los valores medios espectrales anteriores.
- 10.
- El índice de braquipneas, el índice de normalpneas y el índice de taquipneas se determinan inmediatamente y pueden ser presentados al paciente por su médico especialista en tiempo real o tan pronto como el test concluya.
Claims (4)
1. Método para la determinación y monitorización
de parámetros fisiológicos mediante el análisis en frecuencia de la
señal captada por un oxímetro, caracterizado porque el
cálculo del índice de desaturaciones empleado comprende las
siguientes fases:
- a.
- Test para la recogida de los datos del paciente mediante el sensor de oximetría.
- b.
- Acondicionamiento de la señal mediante un preamplificador amplificador y filtro antialiasing, realizando el muestreo con frecuencias no inferiores a 0.2 Hz y almacenando los datos obtenidos en un registro para su procesamiento.
- c.
- Aplicación de un filtrado previo para la eliminación de artefactos en la medida, generando un nuevo registro de datos libre de fallas, el cual puede incluir el truncado o la interpolación sobre el registro original.
- d.
- Filtrado de media móvil (LP) seguido de un submuestreo a una nueva tasa, eliminándole la componente de continua a la señal resultante.
- e.
- Procesado de la señal, para extraer el índice de desaturaciones, calculándose la densidad espectral de potencia y evaluándose su valor medio en la banda [1/60, 1/20 Hz].
- f.
- Entrega del resultado del procesamiento a una etapa decisoria, ajustada previamente con un grupo de control, para la obtención directa del índice de desaturaciones a partir del valor medio espectral anterior.
- g.
- Determinación inmediata del índice de desaturaciones, el cual puede ser presentado al paciente por su médico especialista en tiempo real o tan pronto como el test concluya.
2. Método para la determinación y monitorización
de parámetros fisiológicos mediante el análisis en frecuencia de la
señal captada por un oxímetro, caracterizado porque el
cálculo de los índices respiratorios empleado comprende las
siguientes fases:
- a.
- Test para la recogida de los datos del paciente mediante el sensor de oximetría.
- b.
- Acondicionamiento de la señal mediante un preamplificador amplificador y filtro antialiasing, realizando el muestreo con frecuencias no inferiores a 0.2 Hz y almacenando los datos obtenidos en un registro para su procesamiento.
- c.
- Aplicación de un filtrado previo para la eliminación de artefactos en la medida, generando un nuevo registro de datos libre de fallas, el cual puede incluir el truncado o la interpolación sobre el registro original.
- d.
- Filtrado de media móvil (LP) seguido de un submuestreo a una nueva tasa, eliminándole la componente de continua a la señal resultante.
- e.
- Procesado de la señal, para extraer los índices respiratorios, calculándose la densidad espectral de potencia y evaluándose su valor medio en las bandas [0.1, 0.2 Hz], [0.2, 0.3 Hz] y [0.4, 0.5 Hz].
- f.
- Entrega de los resultados del procesamiento a una etapa decisoria, ajustada previamente con un grupo de control, para la obtención directa del índice de braquipneas, del índice de normalpneas y del índice de taquipneas, a partir de los valores medios espectrales anteriores.
- g.
- Determinación inmediata del índice de braquipneas, el índice de normalpneas y el índice de taquipneas, los cuales pueden ser presentados al paciente por su médico especialista en tiempo real o tan pronto como el test concluya.
3. Uso del método para la determinación y
monitorización de parámetros fisiológicos mediante el análisis en
frecuencia de la señal captada por un oxímetro, descrito en las
reivindicaciones 1 y 2, para la ayuda a la diagnosis del Síndrome
de Apnea e Hipoapnea del Sueño y de otros trastornos
respiratorios.
4. Uso del método para la determinación y
monitorización de parámetros fisiológicos mediante el análisis en
frecuencia de la señal captada por un oxímetro, descrito en las
reivindicaciones 1 y 2, para empleo en situaciones de catástrofes y
emergencias para la rápida discriminación de situación vital de los
afectados, en base al estudio de sus tasas respiratorias.
Priority Applications (4)
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