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Pablo Samuel Luna Lozano

Ph.D. Thesis title:
Medida oculta de parámetros cardiorrespiratorios en personas sentadas 

Author:
Pablo Samuel Luna Lozano

Director:

Dr. Ramon Pallàs i Areny

Reading day:

21th February 2011


Abstract: 

La medida de parámetros cardiorrespiratorios en entornos no médicos tiene campos de aplicación tan diversos como el cuidado de la salud en casa, la reducción de riesgos laborales y la medicina deportiva. En esta tesis se propone registrar estos parámetros en personas sentadas, que es la posición habitual durante el periodo diurno en la mayoría de las aplicaciones mencionadas. Para que las medidas no interfieran en absoluto con las actividades cotidianas del usuario, se propone realizarlas de forma oculta, es decir, sin que la persona sea consciente de que está siendo monitoreada. Para ello se proponen tres técnicas de medida; dos utilizan principios de medida pasivos, y una utiliza un método activo.

Una de las medidas pasivas es el electrocardiograma (ECG) obtenido con electrodos capacitivos. El interés de esta forma de medida de biopotenciales ha aumentado en los últimos años y sin embargo, en la bibliografía conocida no hay ningún análisis completo sobre las limitaciones y precauciones que hay que tener en cuenta para implementar este tipo de sistemas. En esta tesis se estudian dos factores que afectan a la morfología y al contenido espectral de los biopotenciales con electrodos capacitivos: las variaciones de distancia entre la piel y los electrodos debidas al latido cardiaco y a la respiración (microfonismo), y la alta susceptibilidad a las interferencias de red de los electrodos capacitivos.

El ancho de banda del ECG capacitivo depende del valor de la capacidad del condensador formado por la piel y los electrodos. Si la separación entre estas “placas” del condensador varía, también lo hará el ancho de banda. En esta tesis se propone un método para medir esos cambios de distancia y se demuestra que la forma de la señal registrada puede verse muy afectada por el microfonismo, cuya magnitud depende de la separación espesor del material entre la piel y los electrodos, de la rigidez de la superficie sobre la que se coloquen los electrodos, y de las características anatómicas y fisiológicas de cada persona. Una superficie blanda reduce el microfonismo pero no lo elimina completamente, especialmente si se desea registrar los biopotenciales con un ancho de banda que no altere el contenido espectral de la señal a baja frecuencia.

El aumento de las interferencias de red se ha observado en todos los trabajos publicados sobre medidas de biopotenciales con electrodos capacitivos, pero no se conoce ningún análisis de estas interferencias. En esta tesis se desarrolla un modelo según el cual la corriente acoplada al cuerpo circula a tierra en parte por las capacidades parásitas distribuidas entre el cuerpo y tierra y en parte por el circuito de medida. Esta última genera una caída de tensión entre los electrodos de medida que es proporcional a la impedancia del electrodo de referencia, normalmente muy alta. Una forma de reducir esta impedancia es aumentar el área del electrodo, pero en condiciones normales de medida esto no suele ser suficiente. El modelo propuesto demuestra que la forma más efectiva es establecer un contacto resistivo entre el cuerpo y la masa de señal. Esto ha permitido obtener señales limpias incluso en entornos con altos niveles de interferencia.

La segunda medida pasiva que se propone en esta tesis es registrar las fuerzas de reacción del cuerpo ante la expulsión de sangre del corazón y su recorrido por las principales arterias (balistocardiograma, BCG), en dos direcciones: vertical y transversal. Para ello se mide, con sendos sensores piezoeléctricos, la deformación que generan esas fuerzas de reacción sobre las superficies en contacto con el cuerpo (el asiento y el respaldo de una silla).

La respuesta dinámica de la interfaz mecánica influye de forma determinante en la morfología del BCG, pero el desarrollo de un modelo mecánico que describiera dicha respuesta habría que hacerlo para cada tipo de silla o mueble sobre el que se deseara aplicar esta técnica, lo cual puede ser muy complejo y a veces innecesario. En esta tesis se ha estimado la frecuencia natural de oscilación de la silla a través del análisis espectral de su respuesta en el tiempo ante una excitación impulso. Si esta frecuencia natural es superior al contenido espectral del BCG, es posible obtener, de forma automática y oculta, las frecuencias cardiaca y respiratoria en personas sentadas.

En esta tesis se estudian además las relaciones temporales y de amplitud entre el BCG medido en dirección vertical y transversal, para contribuir al esclarecimiento del origen de algunas ondas de esta señal mecánica. Se propone también, a partir de los intervalos temporales entre el ECG y el BCG, estimar parámetros hemodinámicos en personas en reposo.

La técnica de medida activa propuesta en esta tesis es la medida de los cambios de volumen a partir de los cambios de impedancia eléctrica en los muslos de una persona sentada (pletismograma de impedancia eléctrica, IPG). Esta señal, que normalmente se mide con electrodos en contacto directo (resistivo) con la piel, aquí se obtiene inyectando y midiendo las señales con electrodos capacitivos, a través de la ropa e incluso a través de la tapicería del asiento.

Esta técnica se ha concebido como una evolución de la medida convencional del IPG en la que los electrodos circunferenciales empleados en ésta han sido abiertos para colocarlos sobre el asiento. Para superar las limitaciones que esto conlleva, se propone aumentar el área de los electrodos de inyección de corriente, para reducir su impedancia, y la separación entre ellos para lograr una distribución más uniforme de las líneas de corriente dentro del cuerpo. Se ha encontrado que la amplitud y definición de las oscilaciones debidas a los cambios de impedancia depende de la separación y de las dimensiones de los electrodos de medida de tensión: cuanto menos separados estén y más estrechos sean, mayor será la sensibilidad a los cambios de impedancia debidos al flujo sanguíneo. Como ejemplo de aplicación se demuestra que con el IPG capacitivo es posible obtener las frecuencias cardiaca y respiratoria de forma oculta en personas sentadas que permanezcan en reposo.

El desarrollo industrial de las técnicas presentadas en esta tesis significaría una aportación en el ámbito del cuidado de la salud en entornos no médicos. Pero además, dada la potencialidad de las señales medidas para extraer información cardiovascular, se podrían aplicar también en sistemas de monitoreo y quizá de diagnóstico, en entornos médicos. Esto podría ayudar a la optimización de la gestión de recursos y personal en dichos entornos para atender a los pacientes mejor y más rápidamente.