Principio de funcionamiento del oxímetro para monitorización del pulso

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Un oxímetro de pulso es un dispositivo sencillo que permite medir de manera bastante precisa las pulsaciones detectando la cantidad de oxígeno en sangre.

Cuando la sangre se oxigena al pasar por los pulmones, la hemoglobina (Hb) se transforma en oxihemoglobina (HbO2), de modo que puede transportar el oxígeno. Los dos compuestos, hemoglobina y oxihemoglobina, tienen diferentes niveles de absorción de las diferentes longitudes de onda de la luz.

gráfica de absorción de la luz por la oxihemoglobina HbO2 y la hemoglobina Hb

hasta los 600 nm aproximadamente, la diferente absorción es difícil de distinguir con un dispositivo simple, pero a partir de ese valor y especialmente entre los 650 nm (rojo) y los 950 nm (infrarrojo) la diferencia de comportamiento entre la oxihemoglobina y la hemoglobina es más sencilla de distinguir. Hasta los 800 nm aproximadamente, la hemoglobina absorbe más la luz (roja) y desde ese punto se invierte, siendo la oxihemoglobina la que absorbe más la luz (infrarroja)

Basándose en el comportamiento frente a las diferentes longitudes de onda, se puede detectar la presencia o ausencia de oxígeno y con ella, lo que nos interesa en este artículo, el pulso.

detalle gráfica de absorción de la luz por la hemoglobina Hb y la oxihemoglobina HbO2

La manera más precisa de medir la oxigenación es observar el comportamiento de la luz, de diferentes longitudes de onda, que atraviesa una parte translúcida del cuerpo y que en un niño puede ser incluso la palma de la mano pero en un adulto será necesario observar el lóbulo de la oreja, bien irrigado pero traslúcido, la nariz o un dedo. El dispositivo para medir la presencia de sangre oxigenada emite una luz roja y detecta la intensidad que atraviesa y posteriormente procede de la misma forma con luz infrarroja. En función de las diferentes intensidades absorbidas se puede establecer el nivel de oxígeno.

funcionamiento oxímetro pulsómetro

Una manera más sencilla (y menos precisa) puede ser observar sólo la cantidad de luz roja que atraviesa en cada momento (más hemoglobina, menos luz) El inconveniente es discriminar la luz parásita, lo que requerirá un aislamiento (oscuridad en el dispositivo) difícil de conseguir en presencia de luz ambiente intensa. Otra alternativa simple es medir la cantidad de luz infrarroja que atraviesa una zona irrigada; la luz parásita será menor y más sencillo filtrarla pero la diferencia de absorción, como se aprecia en la gráfica de arriba, también, por lo que será necesario amplificar más la señal detectada. Y existe una tercera alternativa, en la línea de simplificar la medida considerando que sólo el pulso es relevante en el sensor, que es medir la luz reflejada en lugar de la absorbida.

Esta tercera vía se ha vuelto más relevante, tanto que ya existen soluciones específicas, tanto basadas en el reflejo de una intensa luz verde como del rojo y del infrarrojo de las longitudes de onda descritas. En esa línea, el NJL5501R, por ejemplo, está formado por un emisor de luz roja muy pura (muy cercana a los 650 nm) situado en un extremo del integrado, otro emisor de luz infrarroja también muy pura (muy cercana a loss 950 nm) en el extremo opuesto y un receptor en la parte central.

detalle circuito sensor pulso oxímetro por reflejo de la luz verde PulseSensordetalle sensor pulso oxímetro por reflejo de la luz verde PulseSensormódulo pulsómetro oxímetro LED fototransistor sin filtrar ni amplificar

El esquema de la imagen de abajo muestra un montaje básico del oxímetro-pulsómetro. Si, como se ha dicho, en el funcionamiento inicial se ilumina alternativamente con una y otra luz, puede parecer que falta algún tipo de oscilador, pero hay que tener en cuenta que será un dispositivo microcontrolado cuyo software se encargará de activar y verificar cada luz en intervalos rápidos. El montaje usando un fotodiodo, es similar (sólo recordar que con la luz polariza en inversa) Puede parecer que la velocidad de conmutación condicione el tipo de sensor pero la magnitud de este tipo de medidas biológicas es relativamente lento. El filtro pasa-banda puede separarse en pasa-altos y pasa-bajos y funciona razonablemente bien con filtros pasivos. Lógicamente, el montaje será el mismo si se opta por trabajar sólo con un tipo de luz.

esquema electrónica pulsómetro oxímetro

Hay varios factores críticos que pueden hacer que fracase el diseño de un sensor de pulso. En primer lugar, no hay que desatender al diseño del contenedor del montaje ya que esta medición es sensible a la luz ambiente. Por lo que a mi experiencia respecta, he tenido suerte, como empecé las pruebas de diseño del sensor de pulso para un proyecto de gestión del sueño, hacía las pruebas más largas en condiciones de oscuridad por lo que me resultó sencillo discriminar los datos obtenidos en las «pruebas de escritorio» y caer en la cuenta del posible inconveniente que la luz ambiental representa.

La elección de los componentes utilizados tampoco es trivial, concretamente la longitud de onda de emisores y receptores de luz determinará que se esté midiendo o no la posición relevante en el espectro. En este caso sí que he tenido problemas, seguramente por comprar componentes baratos, especialmente en la medida de la luz infrarroja y más concretamente en la (no) discriminación la parte visible del espectro.

Aunque es posible un montaje mínimo con fotoemisor (LED) y fotorreceptor (fototransistor) la interpretación de los datos se complica bastante y la posibilidad de error aumenta considerablemente. Si duda, la mejor opción es filtrar y amplificar la señal antes de monitorizarla; en este sentido, lo mínimo recomendable es añadir un amplificador operacional o considerar la posibilidad de utilizar para el circuito alguno de los fotorreceptores comerciales que los incluyen, cuidando elegir uno cuyo comportamiento (longitud de onda) sea adecuado para este fin (ya que son más frecuentes los que trabajan con luz ambiente)

componentes del circuito pulsómetro por oxímetro como sensor pulso o frecuencia cardíaca

Por último, el diseño de la PCB también es significativamente relevante. En las que llamaba antes «pruebas de escritorio», era viable disponer de emisor y receptor conectado por cable a una protoboard, pero en las monitorizaciones más largas parecía inviable construir un dispositivo así. En mi caso, para mi proyecto de monitorización del sueño, la solución es disponer la electrónica en la pulsera (conectada a su vez a la base, ya sea por cable o por Bluetooth) y los sensores conectados a ella. Si se trata de un dispositivo autónomo, la integración de los componentes y el tamaño de la PCB son críticos en el diseño llegando a cobrar más dificultad que el propio diseño electrónico, en general sencillo, como se ha visto.

Por los problemas de integración que describo arriba, empecé a utilizar módulos comerciales en mis pruebas y encontré tres alternativas: (1) oxímetros comerciales con salidas digitales o analógicas (en general, caros) que descarté para poder investigar más de cerca el funcionamiento de forma que pudiera construir todo el dispositivo sin atarme demasiado a soluciones comerciales cerradas (2) módulos de LED+fototransistor o LED+fotodiodo, que no me aportaban gran cosa frente a mi propio montaje de los componentes «desnudos», sin filtros ni amplificación de la señal y (3) el módulo de hardware abierto PulseSensor de Joel Murphy y Yury Gitman (originalmente en KikStarter) que además de ser un dispositivo completamente funcional, aporta una detallada documentación del circuito lo que es de gran ayuda para aprender a construir una implementación propia; enésima prueba de que el hardware abierto y el software abierto son dos piezas clave para el desarrollo tecnológico y del conocimiento humano en general. Sólo para la etapa de investigación en un proyecto de este tipo ya merece la pena considerar hacer pruebas con este dispositivo.

En el montaje final usado en mi proyecto he usado un emisor de luz infrarroja (de longitud de onda imprecisa) sin emisor de luz roja, las etapas de amplificación y el filtro pasa-banda. Por ensayo y error he elegido un fototransistor en lugar de un fotodiodo pero el hecho de que algunos dispositivos en producción utilicen estos segundos me hace pensar que, o bien es una elección de importancia secundaria (pueden llegar a funcionar bien ambos componentes) o bien, como decía arriba, mi elección de fotodiodos no ha sido muy afortunada.

Víctor Ventura

Desarrollando aplicaciones para la web conocí el potencial de internet de las cosas, encontré la excusa perfecta para satisfacer la inquietud de aprender electrónica que había tenido desde siempre y ahora puedo darme el gusto de programar las cosas que yo mismo diseño y fabrico.

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14 Respuestas

  1. Jesus Antonio

    Amigo excelente tu proyecto… que valores de resistencia y capacitores uso en los filtros y amplificadores de su proyecto???, estoy tratando de armar un pulsometro para una materia de la universidad

  2. Jose Torres Ventura

    Estimado Víctor Ventura, te saludo y felicito por tu trabajo y dedicación. Estoy trabajando en un articulo para obtener mi Grado, y te quiero pedir PERMISO para utilizar dos de tus imágenes publicadas en esta publicación.
    Bueno agradecería tu apoyo y quedo en espera de tus comentarios.

    • Hola, José.

      Todos los contenidos del blog se publican con licencia CC BY-SA 3.0 ES así que puedes usar lo que quieras con la única condición de citar al autor y publicar en iguales condiciones.

      Te mando un correo electrónico privado para que tengas mi contacto por si las necesitas de más calidad o en otro formato.

      ¡Suerte con tu grado y gracias por visitarnos!

  3. Javier Agustí

    Hola, gracias por toda la información que nos facilitas.
    Estoy muy interesado en construir un oxímetro para detectar la saturación de oxígeno en sangre en la frente.
    NIR-Brain-HEG (Near Infrared Brain Hemoencephalography)
    No he encontrado ningún montaje para realizarlo yo mismo y los comerciales son muy costosos.

    Podrías facilitarme alguna información al respecto?
    Gracias.

    • Hola, Javier.

      El principio de funcionamiento la HEG es equiparable a lo explicado en el artículo. Evidentemente, la opción de detectar la luz que atraviesa no te sirve pero sí que puedes medir la luz reflejada.

      Si no tienes muy claro cómo empezar, te recomiendo que busques un kit, o mejor un módulo ya montado, que puedas usar con Arduino (te serviría la librería para Arduino de monitorización de la frecuencia cardíaca con oxímetro de pulso que explico en otro artículo del blog)

      Hay algunos muy baratos. Yo he probado Pulse Sensor (unos 25 €) y funciona muy bien. Como está licenciado como hardware libre puedes encontrar en algunas tiendas on-line versiones aún más baratas, como la de ICStation (unos 7 €) Además, creo que te puede ir muy bien porque es muy sencillo fijarlo a la frente con una banda elástica.

      En tu caso, yo haría pruebas para ver si el módulo o el kit se comporta como esperas y sólo después intentaría diseñar mi propia versión para mejorar los aspectos que necesitara. Por ejemplo, como el dispositivo con el que almacenes y/o proceses los datos seguramente estará lejos del sujeto medido, enviaría una señal digital para evitar que se degradara por la longitud de cable. Incluso puede que te convenga enviarla por radiofrecuencias (WiFi, Bluetooth…) para evitar el uso de cables; dependerá de la implementación concreta que quieras hacer en función del uso de tu proyecto.

      Gracias por visitar polaridad.es

  4. Javier Agustí

    Muchas gracias por tu rápida y Útil respuesta. Me pongo a ello, ya te ire comentando

  5. lograste que funcionara con los dos leds?

    • Hola, Pamela.

      No lo conseguí ni lo he intentado más (ahora ando con otros montajes para otros proyectos)

      Por si te sirve de ayuda, creo que mi problema era la deficiente calidad de los componentes, emisores (LED) y receptores, o una mala mezcla de ambos. La luz emitida o detectada no se ceñía a un rango estrecho de longitud de onda, así que la luz roja también era detectada por el sensor infrarrojo y al contrario (incluso sin dedos ni orejas de por medio)

      Si tienes acceso a un catálogo grande de componentes, te recomiendo que hagas pruebas con las parejas (sensor detector) correspondientes antes de hacer el diseño, no sea que tengas la misma mala suerte que yo. Si el precio es crítico para el proyecto me temo que lo tienes difícil para usa rojo e infrarrojo.

      Me faltó por detenerme más en una prueba, por lo que no estoy seguro de que sirva de ayuda. La idea (sin desarrollar) era encerrar los emisores y los receptores (sobre todo estos últimos) dentro de cilindros para que sólo detectaran la luz que incidiera más directamente.

      Por favor, si encuentras componentes concretos que funcionen bien juntos, o puedes hacer las pruebas de los cilindros, o se te ocurre alguna idea para resolver o mejorar esto, cuéntanoslo; seguro que algún lector podrá sacar partido.

      Gracias.

  6. Hola buenos días, me interesa mucho los proyectos que ud realiza, quisiera saber si existe algun sensor que me identifique los latidos del corazón aparte de un oximetro? Un dispositivo que use Internet de las Cosas.

    De antemano agradesco y espero su respuesta.
    Muchas Gracias
    Saludos

    • Hola, Grecia.

      Hasta donde sé, no soy un experto en el tema, hay varias formas de medir el latido del corazón. Dos de las más sencillas son ① la detección del pulso por el color de la sangre (diferencias de color entre la hemoglobina y la oxihemoglobina) y ② la detección del latido por la vibración que produce, frecuentemente detectándola con un sensor piezoeléctrico.

      No he escrito ningún artículo sobre el segundo método, aunque me parece interesante y puede que lo haga en algún momento; mientras, si quieres, puedes echar un vistazo a alguno de los montajes que hay en Internet y que lo usan. Uno de mis blogs favoritos de electrónica es HACKADAY, en el que puedes encontrar, por ejemplo, este artículo sobre el uso de un sensor piezoeléctrico para medir el latido del corazón.

      Con respecto a que el sensor esté conectado a la Internet de las cosas, hay varias alternativas. Una muy sencilla y de la que he hablado algunas veces en polaridad.es, es comunicar con «la nube» usando wifi. Por ejemplo, puedes consultar el artículo sobre las operaciones básicas sobre un módulo wifi ESP8266 desde Arduino, una alternativa económica y muy fácil de utilizar.

      Espero que esto te ayude un poco.

      Saludos.

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