ES2276594B1 - Metodo para procesar señales fotopletismograficas obtenidas de una persona o animal, y oximetro que utiliza dicho metodo. - Google Patents
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Abstract
Método para procesar señales fotopletismográficas obtenidas de una persona o animal, y oxímetro que utiliza dicho método. El método comprende: a) recibir unas señales eléctricas fotopletismográficas con dominio temporal, b) transformar dichas señales temporales en señales espectrales, c) identificar una serie de picos candidatos a pico producido a la frecuencia cardiaca, d) obtener una serie de parámetros a partir de dichos picos candidatos, y e) determinar a partir de dichos parámetros cuál es el pico representativo de dicha frecuencia cardiaca, realizándose dicha etapa d) para obtener un primer, un segundo y un tercer parámetros mediante unos cálculos ejecutados en paralelo, siendo: - dicho primer parámetro resultante de una función de probabilidad de armónicos de dichos picos candidatos, - dicho segundo parámetro resultante de una función de preponderancia, en energía, de dichos picos candidatos, y - dicho tercer parámetro resultante de una función de análisis histórico de dichos picos candidatos.
Description
Método para procesar señales
fotopletismográficas obtenidas de una persona o animal, y oxímetro
que utiliza dicho método.
La presente invención concierne en general, en
un primer aspecto, a un método para obtener parámetros fisiológicos
en tiempo real a partir de unas señales fotopletismográficas IPPG)
medidas por sensores ópticos, y en particular a un método para
obtener el valor del ritmo cardiaco a partir de esas señales
fotopletismográficas, incluso en situaciones extremas como es
durante la realización continua de movimientos durante la práctica
de ejercicios.
La invención también concierne, en un segundo
aspecto, a un oxímetro apto para procesar señales
fotopletismográficas según el método propuesto.
Es conocido que una de las mayores dificultades
de la oximetría de pulso es la obtención de valores fiables del
ritmo cardiaco y la saturación de oxígeno durante la realización de
movimientos por parte del individuo. La oximetría de pulso se basa
en la medida de la radiación luminosa en dos longitudes de onda
determinadas después de interaccionar con la sangre arterial, la
sangre venosa y el resto de tejidos existentes en la zona de
medida. Se utiliza generalmente radiación en la zona del rojo e
infrarrojo cercano y en configuración por reflexión o
transmisión.
La variación del volumen de sangre en las
arterias por el bombeo del corazón permite obtener una señal
luminosa variable relacionada con el ritmo cardiaco y con la
hemoglobina. Los oxímetros de pulso existentes según propia
experiencia y los datos obtenidos en la literatura ofrecen un valor
del ritmo cardiaco falso durante la práctica de ejercicio. Esto se
debe a que el movimiento del individuo o de alguna parte de su
cuerpo provoca la aparición de artefactos en la señal
fotopletismográfica medida por el sensor del oxímetro de pulso. La
realización continua de movimientos, como es el caso durante la
práctica de ejercicios, hace que en general no se obtengan valores
fiables del ritmo cardiaco o de la saturación de oxígeno. Esta
limitación no permite el uso fiable de los oxímetros de pulso
durante el ejercicio, impidiendo la medida de estos parámetros que
serían de gran utilidad durante la práctica deportiva y
principalmente durante el entrenamiento.
Se conocen diferentes propuestas relativas al
procesamiento de señales fotopletismográficas con el fin de
averiguar información relativa a una condición fisiológica de un
paciente, preferentemente la frecuencia cardiaca y la saturación de
oxígeno.
La solicitud
US-A-20040171948 concierne a un
método para procesar señales fotopletismográficas en diferentes
dominios: temporal, espectral y cepstral, y en base a los
resultados de los análisis de las señales en uno o más de dichos
dominios, estimar una o más condiciones fisiológicas de un paciente,
así como los artefactos de movimiento en el dominio temporal
incluidos en la señal fotopletismográfica.
La solicitud
US-A-20030163032 concierne a un
método para eliminar artefactos de movimiento de unas señales
eléctricas representativas de unas señales de luz atenuada, tales
como las correspondientes a unas señales fotopletismográficas,
mediante la transformación de dichas señales en un dominio
espectral, la identificación de unos picos candidatos de entre los
datos espectrales de dichas señales, su correspondiente filtrado, y
su análisis en base a una serie de parámetros para finalmente
averiguar el pico correspondiente a la frecuencia cardiaca del
paciente cuyas señales fotopletismográficas son objeto de
análisis.
Aparece necesario ofrecer una alternativa al
estado de la técnica enfocada a averiguar de una manera fiable y en
todo momento la frecuencia cardiaca de una persona o animal
mediante el análisis de unas señales fotopletismográficas
contaminadas con interferencias o artefactos, especialmente los
producidos en situaciones de movimiento continuo, o con múltiples
estados de transición, como los llevados a cabo durante la práctica
de ejercicio físico.
La presente invención concierne, en un primer
aspecto, a un método para procesar señales fotopletismográficas
obtenidas por un sensor de un oxímetro de pulso, mediante la
aplicación del cual es posible obtener de una manera fiable el
ritmo cardiaco incluso cuando el individuo realiza ejercicios.
En un segundo aspecto, la presente invención
concierne a un oxímetro adaptado para procesar señales
fotopletismográficas según el método propuesto por el primer
aspecto de la presente invención.
El método propuesto según el primer aspecto de
la presente invención tiene su aplicación en el procesamiento de
señales fotopletismográficas obtenidas de una persona o animal, con
el fin de averiguar como mínimo la frecuencia cardiaca del
mismo.
\newpage
En particular el método propuesto comprende
emitir, sobre una zona irrigada por capilares sanguíneos, como
puede ser un dedo u otro órgano de dicha persona o animal, dos o
más señales luminosas para obtener en respuesta dichas señales
fotopletismográficas, mediante la detección con al menos un
fotodetector de dichas señales luminosas, una vez han atravesado
dicha zona.
Dichas señales luminosas emitidas proceden
preferentemente de LEDs o láseres de distintas longitudes de onda,
comprendidas entre 630 y 980 nm, siendo como mínimo una de ellas
infrarroja.
El método es particularmente aplicable al
procesamiento de señales fotopletismográficas que contienen
armónicos de distintas frecuencias, algunos de los cuales han sido
producidos por artefactos representativos del movimiento de dicha
persona o animal, ya sea por movimiento de brazos, piernas y/o patas
de dicha persona o animal, provocado al andar o correr, que generan
unos armónicos a frecuencias distintas a la cardiaca, que varía
según la intensidad de la marcha o carrera.
Dicho movimiento provocado al andar o correr se
genera, por ejemplo, al realizar una actividad deportiva que
requiere medir frecuencias cardiacas en condiciones de esfuerzo
continuado y extremo, muy diferentes a las medidas en condiciones
de reposo.
Con el fin de discernir de entre dichas señales
fotopletismográficas contaminadas por los mencionados artefactos
producidos por el movimiento, cuál es la señal que hace referencia
al ritmo cardiaco de la persona o animal, el método propuesto
comprende realizar, según técnica en sí conocida, las siguientes
etapas de manera secuencial:
a) recibir unas señales eléctricas
fotopletismográficas en un dominio temporal,
b) transformar dichas señales temporales en
señales con un dominio en frecuencia, o señales espectrales,
c) identificar una serie de picos candidatos a
ser el pico producido a dicha frecuencia cardiaca, de entre parte o
todas dichas señales espectrales,
d) obtener una serie de parámetros a partir de
dichos picos candidatos, y
e) determinar a partir de al menos uno de dichos
parámetros obtenidos en d) cuál es el pico representativo de dicha
frecuencia cardiaca, o pico buscado.
El método propuesto por el primer aspecto de la
presente invención comprende realizar dicha etapa d) para obtener
como mínimo un primer y un segundo parámetros mediante unos
cálculos realizados en paralelo, siendo:
- dicho primer parámetro resultante de una
función de probabilidad de armónicos de dichos picos candidatos,
consistente en una comparación, dos a dos, de los mismos, que
ofrece como resultado una serie de valores para el primer
parámetro, y
- dicho segundo parámetro resultante de una
función de preponderancia, en energía, de dichos picos candidatos,
consistente en una comparación, dos a dos, de los mismos, que
ofrece como resultado una serie de valores para el segundo
parámetro.
El método propuesto comprende por último
asignar, en dicha etapa e), a dicho pico determinado como
representativo de dicha frecuencia cardiaca un coeficiente de
confianza.
Para un ejemplo de realización preferida el
método comprende además realizar dicha etapa d) para un tercer
parámetro a obtener en base a unos cálculos realizados en paralelo
con los realizados para obtener dichos primer y segundo parámetros,
siendo dicho tercer parámetro resultante de una función de análisis
histórico de dichos picos candidatos, consistente en una
comparación de al menos el pico determinado como representativo de
la frecuencia cardiaca en dicha etapa e), para un ciclo anterior,
el cual tiene asignado un coeficiente de confianza de un valor
alto, con dichos picos candidatos, para buscar el pico de la misma
frecuencia o de la frecuencia más próxima a la de dicho pico
determinado en dicha etapa anterior e), y asignarle un coeficiente
de probabilidad de que sea el pico buscado resultado de devaluar
dicho coeficiente de confianza alto en un porcentaje determinado que
es inversamente proporcional a la cercanía de ambas
frecuencias.
Por lo que se refiere a dicha etapa e), el
método conforme a una implementación preferida comprende llevarla a
cabo mediante su división en dos sub-etapas:
- una primera sub-etapa e.1), o
etapa de preselección, consistente en analizar los valores
obtenidos para como mínimo dichos primer y segundo parámetros, y
preferentemente también dicho tercer parámetro, y seleccionar un
único pico candidato para cada parámetro, en función de dicho
análisis, y
- una sub-etapa e.2) o selección
final para determinar, de entre cada pico seleccionado por cada
parámetro, dicho pico representativo de dicha frecuencia cardiaca,
o pico buscado.
Para un ejemplo de realización preferido, dicha
sub-etapa e.1) comprende:
- para seleccionar el pico candidato para el
primer parámetro:
- \bullet
- ordenar, en función de su contenido armónico, los picos determinados como pertenecientes a frecuencias fundamentales, en base a los valores obtenidos tras dicha comparación de dicha función de probabilidad de armónicos,
- \bullet
- asignarles un coeficiente de probabilidad a cada uno de ellos tanto mayor cuanto menor sea su contenido armónico,
- \bullet
- ponderar dichos coeficientes de probabilidad de cada uno de los picos con la amplitud de sus respectivas fundamentales, y
- \bullet
- determinar el pico con probabilidad más alta como el pico candidato para el primer parámetro,
- para seleccionar el pico candidato para el
segundo parámetro:
- \bullet
- determinar el pico determinado como más preponderante previa asignación de un coeficiente de probabilidad, en base a los valores obtenidos tras dicha comparación de dicha función de preponderancia, como el pico candidato para el segundo parámetro.
- para seleccionar el pico candidato para el
tercer parámetro:
- \bullet
- determinar dicho pico de la misma frecuencia o de la frecuencia más próxima a la de dicho pico determinado en dicha etapa anterior e), como el pico candidato para el tercer parámetro.
Y para realizar dicha etapa e.2), el método
propuesto comprende llevar a cabo las siguientes acciones:
- si los tres picos candidatos para los tres
parámetros son el mismo, seleccionar éste como pico buscado, y
asignarle un coeficiente de confianza igual al producto de los tres
coeficientes de probabilidades asociados,
ó
- si solamente dos de los tres picos candidatos
para los tres parámetros son el mismo, seleccionar éste como pico
buscado, si la suma de los dos coeficientes de probabilidades
asociados es mayor que el coeficiente de probabilidad del pico
candidato diferente a dichos dos picos coincidentes,
ó
- si ninguno de los tres picos candidatos para
los tres parámetros son el mismo, seleccionar el pico candidato
cuyo coeficiente de probabilidad sea mayor como pico buscado.
Una vez determinada la frecuencia cardiaca, el
método comprende calcular el nivel de saturación de oxígeno en base
a una o más de dichas señales fotopletismográficas cuya frecuencia
es la de dicho pico buscado determinado en la etapa e).
La presente invención concierne, en un segundo
aspecto, a un oxímetro del tipo que comprende como mínimo:
- dos emisores de señales luminosas de distintas
longitudes de onda, adaptados para emitir sobre una zona irrigada
por capilares sanguíneos de una persona o animal,
- uno o más fotodetectores adaptados para
detectar dichas señales luminosas, una vez han atravesado dicha
zona irrigada por capilares sanguíneos, y
- un sistema electrónico apto para como mínimo
muestrear, tratar y procesar unas señales eléctricas provinentes de
dicho o dichos fotodetectores, o señales fotopletismográficas.
El oxímetro propuesto según el segundo aspecto
de la presente invención se caracteriza porque el mencionado
sistema electrónico que incorpora está adaptado para procesar
dichas señales fotopletismográficas para poner en práctica el
método propuesto por el primer aspecto de la presente invención, es
decir que incorpora medios específicos destinados a realizar los
cálculos y/o tratamientos de las señales adquiridas, gestión de
parámetros, etc.
Las anteriores y otras características se
comprenderán mejor a partir de la siguiente descripción detallada
de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos
adjuntos, en los que:
la Fig. 1 es un diagrama de flujos ilustrativo
de las etapas principales del método propuesto según el primer
aspecto de la presente invención para un ejemplo de
realización,
la Fig. 2 es una gráfica que muestra parte del
contenido espectral de una señal fotopletismográfica contaminada
con señales de ruido o artefactos de movimiento, para un ejemplo de
realización,
la Fig. 3 es una gráfica relativa a una función
de probabilidad de armónico I(x), cuyo resultado es el
mencionado primer parámetro, para un ejemplo de realización,
la Fig. 4 es una gráfica relativa a una función
de preponderancia p(x), cuyo resultado es el mencionado
segundo parámetro, para un ejemplo de realización, y
la Fig. 5 es un diagrama de flujos de las etapas
del método propuesto, más detallado que el de la Fig. 1, para un
ejemplo de realización.
El método para obtener el ritmo cardiaco durante
la realización de ejercicios se basa en la obtención de la
frecuencia de la parte variable de la señal fotopletismográfica
(PPG). En el caso de un individuo en reposo las variaciones
periódicas de intensidad del PPG sólo son debidas a las variaciones
de absorción de la señal por la sangre arterial asociadas a la
variación del volumen sanguíneo por el bombeo cardiaco. Esta medida
se realiza, en general, mediante la realización de la transformada
rápida de Fourier (FFT) a la señal PPG. La realización de
movimientos del individuo, como por ejemplo durante la carrera,
conlleva la aparición de señales (artefactos) periódicas, que en el
intervalo de frecuencias cardiacas accesibles pueden ser de
frecuencias parecidas a la frecuencia de braceo o pasos. Esto hace
que una medida de la frecuencia de la señal PPG proporcione unos
valores aleatorios de frecuencias relacionadas con la superposición
de las señales debidas al ritmo cardiaco y a los movimientos
realizados.
Para discriminar entre la señal útil
(fotopletismográfica) y la señal debida a artefactos de movimiento,
para la concepción del método propuesto según el primer aspecto de
la presente invención se ha utilizado una estrategia basada en la
discriminación del contenido armónico de dichas señales. Las señales
se pueden, de hecho, considerar periódicas en intervalos de unas
decenas de segundos; la forma de onda de la señal
fotopletismográfica es más o menos triangular y la de los
artefactos de movimiento (según lo observado en medidas reales)
resulta de tipo impulsivo o por lo menos con variaciones mucho más
rápidas que en la primera.
Este hecho se refleja en un contenido armónico
mucho menor para la señal útil que para la señal no deseada, cosa
que permite en principio separarlas e identificarlas.
Para un ejemplo de realización, el método
comprende generar un espectro de amplitud de la señal sobre un
intervalo de datos medidos durante los últimos segundos (ventana
temporal) y recalcularlo frecuentemente, obteniendo un diagrama
conocido como espectrograma de la señal medida. En paralelo, se
examina cada uno de los espectros generados para extraer la
información de las líneas espectrales presentes, eliminando el
ruido. Finalmente, un algoritmo novedoso asocia cada línea con su
fundamental; el conjunto de líneas se compara con el patrón
previsto para la señal útil (bajo contenido armónico) de forma que
ésta se pueda diferenciar de las otras. La información de amplitud
de la señal pulsátil se obtiene directamente del valor de las líneas
espectrales seleccionadas.
En detalle, el algoritmo mencionado se basa
sobre el diagrama de flujos mostrado en la figura 1, representativo
de las etapas principales del método propuesto según el primer
aspecto de la presente invención para un ejemplo de
realización.
A continuación se explica cada uno de los
bloques del diagrama de la Fig. 1, y su relación con las etapas del
método propuesto, expuestas arriba:
Flujo de datos: éste es el flujo de
datos (valores de la función fotopletismográfica en función del
tiempo), muestreado a una oportuna velocidad, que entran en la
unidad de cálculo. En estos datos se selecciona una ventana de
N puntos de una duración T_{0} predeterminados. Este
bloque corresponde a la etapa a) mencionada arriba.
FFT: este bloque ejecuta una transformada
rápida de Fourier, proporcionando a su salida una señal constituida
por el espectro de densidad espectral de potencia de la señal en
una ventana de tiempo T_{0}; este tipo de señal se suele
llamar "espectrograma". De este espectrograma se considerarán
solo los M puntos que corresponden a frecuencias
interesantes para el tipo de aplicación, incluidas entre 30 y 330
latidos por minuto (ppm), los cuales se encuentran representados
por la Fig. 2. Este bloque corresponde a la etapa b) mencionada
arriba.
Detección de picos: este bloque se ocupa
de la identificación de las "líneas" espectrales presentes en
la señal proporcionada por el bloque anterior. Debido tanto a la
presencia intrínseca de ruido electrónico y de interferencia
electromagnética, como a los artefactos introducidos por la
elaboración numérica del espectrograma mismo, es necesario
identificar los denominados aquí "picos significativos" para
separarlos del ruido. Este bloque corresponde a la etapa c)
mencionada arriba y tal y como se ha indicado se aplica a parte de
las señales espectrales, en concreto a las representadas por los
mencionados M puntos.
La mencionada detección de picos se efectúa en
cuatro pasos:
- 1.
- En el primer paso se identifica el valor más alto presente en el diagrama o espectrograma, lo cual permite obtener una escala general del diagrama; se denominará a este valor V_{MAX} (ver Fig. 2).
- 2.
- En el segundo paso se dividen, a lo largo del eje horizontal, los datos del diagrama en secciones, cada una de ellas con P puntos (típicamente P es un número pequeño entre 3 y 9), y a cada sección se le asocia el valor medio de la amplitud del espectro en los puntos que la componen. Se denominará al diagrama obtenido "diagrama reducido". Sobre este diagrama se actúa con un algoritmo clásico de búsqueda de mínimos locales.
- 3.
- En el tercer paso se "afina" la búsqueda, localizando para cada sección, que ha resultado elegida en el paso anterior, el máximo real en el diagrama completo.
- 4.
- Al final, se descartan los picos con valor, es decir energía, por debajo de V_{MAX}/K_{S}, siendo K_{S} el nivel esperado de ruido en la medida (típicamente alrededor de 20 dB).
El paso 2 consigue rechazar, como picos
separados, artefactos matemáticos que generan dos picos aparentes
muy cercanos en el espectrograma; esto es debido, por ejemplo, a la
interacción entre el algoritmo FFT y la ventana de filtrado
(cuadrada, Hamming, Hanning, etc.) utilizada antes de dicho
algoritmo. El paso 3 recupera (en parte) la resolución en
frecuencia, y el paso 4 elimina picos locales de valor muy bajo
generados por el ruido.
Un típico resultado de la aplicación de dicho
algoritmo se encuentra indicado en la gráfica de la figura 2, donde
los picos con el círculo en línea continua se han seleccionado como
"válidos", y aquellos que aparecen en línea discontinua como
"ruido".
La salida del bloque "Detección de picos"
es una lista ordenada de pares (frecuencia, valor) que identifica
los picos. Estos datos se envían, en paralelo, a tres bloques
separados, que son los siguientes.
Armónicos: en este bloque se efectúa la
búsqueda de líneas que probablemente pertenecen a la misma señal.
El algoritmo se basa en comparar las líneas espectrales entre
ellas, dos a dos, calculando el cociente
x=f_{A}/f_{B}, donde la primera frecuencia
es la mayor de la pareja de picos en examen. Esta fracción se usa
como entrada en una función de probabilidad de armónico
I(x), cuya forma es estilizada en la gráfica de la
figura 3. La salida de esta función se ha dado en llamar en el
apartado anterior, como primer parámetro.
La salida de dicha función indica la
probabilidad para la frecuencia f_{A} de ser un armónico
de la frecuencia f_{B}. Este método, repetido para cada
frecuencia, permite identificar cuales de las líneas identificadas
son las que tienen más probabilidad de ser fundamentales, el
contenido armónico de ellas (suma de los valores de las frecuencias
que resultan probables armónicos), y un índice de fiabilidad de
dicha evaluación (producto de las I(x) de dichos
armónicos).
Energía: este bloque también analiza los
picos dos a dos, proporcionando un coeficiente que expresa cuanto
cada pico es más significativo, en energía, del otro. Este
coeficiente se llama preponderancia del pico mayor sobre el
pico menor, y se calcula con una función de preponderancia que
tiene el aspecto que se muestra en la figura 4. La salida de esta
función se ha dado en llamar en el apartado anterior, como segundo
parámetro.
Historia: este bloque analiza la historia
del valor del pico elegido, en instantes anteriores, como pico
"valido" de la señal fotopletismográfica. Si en el paso
anterior un pico había sido seleccionado por el bloque final con un
coeficiente de confianza (ver descripción siguiente) igual a uno o
muy cercano, y en el nuevo espectrograma se ha encontrado un pico
muy cercano a él, este pico viene presentado al bloque siguiente
como un candidato con alta probabilidad para ser el nuevo pico
"bueno". La probabilidad que se le asigna es el valor de
confianza devaluado por un coeficiente D (entre 10 y 50%).
La salida de esta función se ha dado en llamar en el apartado
anterior, como tercer parámetro.
Heurístico: este bloque toma la decisión
de cual es el pico que representa el armónico fundamental de la
señal fotopletismográfica basándose sobre la información
proporcionada por los bloques anteriores. Es el encargado de llevar
a cabo la anteriormente mencionada etapa e).
Comprende con una serie de pasos, siendo los
siguientes los concernientes a la mencionada
sub-etapa e.1):
- \bullet
- Se determina el candidato por armónicos: con todas las frecuencias que el bloque "Armónicos" ha determinado como fundamentales, se prepara una lista ordenada con el contenido armónico decreciente. Se asigna entonces una probabilidad creciente (tanto más alta cuanto menor sea el contenido armónico) a dichas frecuencias de ser la frecuencia elegida. Se pondera la probabilidad con la amplitud de la fundamental, quitando "méritos" a señales muy débiles. El pico con probabilidad más alta es el pico candidato por armónicos.
- \bullet
- Se determina un candidato por preponderancia: es el pico más alto, con su probabilidad, proporcionado por el bloque "Energía".
- \bullet
- Se determina el candidato por historia, proporcionado por el bloque "Historia".
Y siendo los siguientes pasos, o criterios, los
concernientes a la anteriormente explicada
sub-etapa e.2), y llevados a cabo para determinar el
pico que representa el armónico fundamental de la señal
fotopletismográfica (pico "bueno") son los siguientes:
- 1.
- Si los tres candidatos coinciden, el candidato es elegido como pico "bueno", con un coeficiente de confianza dado por el producto de las tres probabilidades asociadas.
- 2.
- Si dos de ellos coinciden, se elige este dato siempre y cuando la suma de las dos probabilidades asociadas sea mayor que la tercera;
- 3.
- En cualquier otro caso se elige el pico que presenta máxima probabilidad.
A partir de estos datos se calculan la
frecuencia cardiaca (la coordenada horizontal del pico fundamental
elegido), y los datos de amplitud de la señal fotopletismográficas
necesarios para calcular la saturación de oxígeno.
Para la ejecución del método propuesto mediante
el oxímetro propuesto según el segundo aspecto de la presente
invención, los numerosos coeficientes involucrados se ajustan de
una vez por todas después de una serie de medidas, por comparación
y calibración con un aparato comercial; especialmente fidedigna es
la calibración del algoritmo que permite calcular la frecuencia
cardiaca en cuanto el valor de referencia puede obtenerse de
aparatos de ECG que garantizan alta precisión. Más compleja es la
calibración del dato de saturación de oxígeno.
En la Fig. 5 se muestra un diagrama de flujos de
las etapas del método propuesto, en detalle, para otro ejemplo de
realización, el cual se explica a continuación.
El ejemplo de realización ilustrado en dicha
Fig. 5 está basado en un sistema que adquiere datos analógicos de
fototransmitancia con alta velocidad de muestro (procedente de 2 a
4 láseres) para permitir un anti-aliasing analógico
sencillo. Dicha adquisición la realiza el bloque indicado como 2 en
la Fig. 5, y en concreto dicha velocidad de muestreo es de 1
kHz.
Los datos muestreados han sido previamente
filtrados en el bloque 1.
En el bloque indicado como 3 se realiza otro
filtrado, en este caso un filtrado analógico de 4º orden de Bessel
(para mantener la información de forma de los pulsos se utiliza un
filtro con fase lineal) y una decimación de los datos hasta 100
Sa/s por canal.
Tras dicho filtrado se utilizan varias
estrategias en paralelo para llegar a la determinación de los datos
de interés, que son la frecuencia cardiaca (indicada en la Fig. 5
como PPM) y las componentes pulsátil y continua de la señal de cada
láser.
Se calcula, además, con cada estrategia un
factor de confianza C, que estime la significatividad del valor
obtenido.
Se efectúa una FFT sobre una ventana de los
último 10 segundos de datos filtrados y decimados (bloque 4).
Se realiza una identificación de un numero NP de
picos principales (de 3 a 7 picos) (bloque 8).
Se realiza una estimación de los picos con más
potencia, utilizando la diferencia entre el pico más potente y el
segundo como factor de confianza (bloque 10).
Se realiza una estimación de la probabilidad de
que cada pico sea parte del contenido armónico de la misma señal,
utilizando el siguiente método (bloque 9), mediante las siguientes
etapas:
- i.
- calcular para cada pareja de picos f1, f2 una función de f1/f2 que tenga valor 1 en los enteros y rápidamente decreciente alrededor de ellos
- ii.
- comparar el resultado de esta función con un umbral prefijado
- iii.
- asignar un factor de confianza basado sobre la anterior comparación.
Se realiza una estimación de la amplitud
pulsátil en el dominio del tiempo, utilizando la estimación de
ruido como factor de confianza (bloque 6).
Se realiza una estimación del valor medio de la
señal, por medio de un filtrado paso-bajo a 0.1 Hz
y un retraso para sincronizar los filtros (no se necesita valor de
confianza), mediante el bloque 7.
Con todos los datos anteriores y el valor
anterior elegido de PPM con su confianza, se selecciona el nuevo
valor de PPM para la medida actual, utilizando un algoritmo
empírico que elige la medida con mejor confianza siempre y cuando
no tenga confianza menor que la medida anterior, en cual caso se
mantiene la otra. Ello se realiza mediante el bloque 11 y el 12,
este último encargado también de calcular la saturación de oxígeno
basándose en la comparación de todos los valores pulsátiles de los
láseres con los cuales se ha emitido para obtener las señales
fotopletismográficas, utilizando método de promedio y de máxima
confianza para elegir el valor correcto.
Un experto en la materia podría introducir
cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos
sin salirse del alcance de la invención según está definido en las
reivindicaciones adjuntas.
Como ejemplo de implementación del método
propuesto se incluyen una serie de instrucciones de un programa
informático, en lenguaje C propio de
LabWindows/CVI^{\text{*}}, que se desarrolla en los apéndices A y
B, y que implementa el método propuesto según el primer aspecto de
la presente invención.
El grupo de instrucciones incluidas en los dos
apéndices A y B constituyen el núcleo de cálculo de la frecuencia
cardiaca del oxímetro implementado por los inventores, y propuesto
por el segundo aspecto de la invención.
El programa recibe los datos en el tiempo en un
canal por medio de la función add_fft_points() (llamado por el
programa principal del instrumento) y los acumula en un
buffer cíclico; en cuanto consigue los puntos necesarios
(FFT_POINTS, definidos en el fichero cardfft.h) emite una señal al
programa principal que llama la routina compute_fft_hb() que
realiza el cálculo descrito anteriormente.
\vskip1.000000\baselineskip
APÉNDICE A: PROGRAMA DE CÁLCULO DE FRECUENCIA
CARDIACA - CARDFFT.H
\newpage
\vskip1.000000\baselineskip
APÉNDICE B: PROGRAMA DE CÁLCULO DE FRECUENCIA
CARDIACA - CARDFFT.C
Claims (14)
1. Método para procesar señales
fotopletismográficas obtenidas de una persona o animal, con el fin
de averiguar al menos la frecuencia cardiaca del mismo, siendo
dicho método del tipo que comprende realizar las siguientes etapas
de manera secuencial:
a) recibir unas señales eléctricas
fotopletismográficas en al menos un dominio temporal,
b) transformar dichas señales temporales en
señales con al menos un dominio en frecuencia, o señales
espectrales,
c) identificar una serie de picos candidatos a
ser el pico producido a dicha frecuencia cardiaca, de entre al menos
parte de dichas señales espectrales,
d) obtener una serie de parámetros a partir de
dichos picos candidatos,
e) determinar a partir de al menos uno de dichos
parámetros obtenidos en d) cuál es el pico representativo de dicha
frecuencia cardiaca, o pico buscado,
estando caracterizado dicho método porque
comprende efectuar dicha etapa d) para obtener al menos un primer y
un segundo parámetros mediante unos cálculos realizados en paralelo,
siendo:
- dicho primer parámetro resultante de una
función de probabilidad de armónicos de dichos picos candidatos,
consistente en una comparación dos a dos de los mismos, que ofrece
como resultado una serie de valores para el primer parámetro, y
- dicho segundo parámetro resultante de una
función de preponderancia, en energía, de dichos picos candidatos,
consistente en una comparación dos a dos de los mismos, que ofrece
como resultado una serie de valores para el segundo parámetro.
2. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha etapa e) comprende asignar a
dicho pico determinado como representativo de dicha frecuencia
cardiaca un coeficiente de confianza.
3. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende además realizar dicha etapa
d) para un tercer parámetro a obtener en base a unos cálculos
efectuados en paralelo con los realizados para obtener dichos
primer y segundo parámetros, siendo dicho tercer parámetro
resultante de una función de análisis histórico de dichos picos
candidatos, consistente en una comparación de al menos el pico
determinado como representativo de la frecuencia cardiaca en dicha
etapa e), para un ciclo anterior, el cual tiene asignado un
coeficiente de confianza de un valor alto, con dichos picos
candidatos, para buscar el pico de la misma frecuencia o de la
frecuencia más próxima a la de dicho pico determinado en dicha
etapa anterior e), y asignarle un coeficiente de probabilidad de
que sea el pico buscado resultado de devaluar dicho coeficiente de
confianza alto en un porcentaje determinado que es inversamente
proporcional a la cercanía de ambas frecuencias.
4. Método según la reivindicación 2 ó 3,
caracterizado porque dicha etapa e) comprende una
preselección o primera sub-etapa e.1) consistente en
analizar los valores obtenidos para al menos dichos primer y
segundo parámetros y seleccionar un único pico candidato para cada
parámetro, en función de dicho análisis y una
sub-etapa e.2) o selección final para determinar,
de entre cada pico seleccionado por cada parámetro, dicho pico
representativo de dicha frecuencia cardiaca, o pico buscado.
5. Método según la reivindicación 4,
caracterizado porque dicha sub-etapa e.1) se
lleva a cabo para dichos primer, segundo y tercer parámetros.
6. Método según la reivindicación 4 ó 5,
caracterizado porque dicha sub-etapa e.1)
comprende:
- para seleccionar el pico candidato para el
primer parámetro:
- \bullet
- ordenar, en función de su contenido armónico, los picos determinados como pertenecientes a frecuencias fundamentales, en base a los valores obtenidos tras dicha comparación de dicha función de probabilidad de armónicos,
- \bullet
- asignarles un coeficiente de probabilidad a cada uno de dichos picos, tanto mayor cuanto menor sea su contenido armónico,
- \bullet
- ponderar dichos coeficiente de probabilidad de cada uno de los picos con la amplitud de sus respectivas fundamentales, y
- \bullet
- determinar el pico con probabilidad más alta como el pico candidato para el primer parámetro,
- para seleccionar el pico candidato para el
segundo parámetro:
- \bullet
- determinar el pico determinado como más preponderante previa asignación de un coeficiente de probabilidad, en base a los valores obtenidos tras dicha comparación de dicha función de preponderancia, como el pico candidato para el segundo parámetro.
7. Método según la reivindicación 6 cuando
depende de la 5, caracterizado porque dicha
sub-etapa e.1) comprende además para seleccionar el
pico candidato para el tercer parámetro:
- \bullet
- determinar dicho pico de la misma frecuencia o de la frecuencia más próxima a la de dicho pico determinado en dicha etapa anterior e), como el pico candidato para el tercer parámetro.
8. Método según la reivindicación 7,
caracterizado porque comprende para realizar dicha etapa
e.2) llevar a cabo las siguientes acciones:
- si los tres picos candidatos para los tres
parámetros son el mismo, seleccionar dicho único pico como pico
buscado, y asignarle un coeficiente de confianza igual al producto
de los tres coeficientes de probabilidades asociados,
ó
- si solamente dos de los tres picos candidatos
para los tres parámetros son el mismo, seleccionar éste como pico
buscado si la suma de los dos coeficientes de probabilidades
asociados es mayor que el coeficiente de probabilidad del pico
candidato diferente a dichos dos picos coincidentes,
ó
- si ninguno de los tres picos candidatos para
los tres parámetros son el mismo, seleccionar el pico candidato
cuyo coeficiente de probabilidad sea mayor como pico buscado.
9. Método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
calcular el nivel de saturación de oxígeno en base a una o más de
dichas señales fotopletismográficas cuya frecuencia es la de dicho
pico buscado determinado en la etapa e).
10. Método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
emitir, sobre una zona irrigada por capilares sanguíneos, de dicha
persona o animal, al menos dos señales luminosas para obtener en
respuesta dichas señales fotopletismográficas recibidas en dicha
etapa a), mediante la detección con al menos un fotodetector de
dichas señales luminosas, una vez han atravesado dicha zona.
11. Método según la reivindicación 10,
caracterizado porque dichas señales luminosas emitidas, que
son al menos dos, proceden de LEDs o Láseres de distintas
longitudes de onda, comprendidas entre 630 y 980 nm, siendo al
menos una de ellas infrarroja.
12. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichas señales fotopletismográficas
recibidas en a) contienen armónicos de distintas frecuencias,
algunos de los cuales producidos por artefactos representativos del
movimiento de dicha persona o animal.
13. Método según las reivindicaciones 12,
caracterizado porque dichos artefactos son representativos
del movimiento de brazos, piernas y/o patas de dicha persona o
animal, provocado al andar o correr, generando unos armónicos a
otras frecuencias distintas a la cardíaca, que varía según la
intensidad de la marcha o carrera.
14. Oxímetro del tipo que comprende al
menos:
- dos emisores de señales luminosas de distintas
longitudes de onda, adaptados para emitir sobre una zona irrigada
por capilares sanguíneos de una persona o animal,
- al menos un fotodetector adaptado para
detectar dichas señales luminosas, una vez han atravesado dicha
zona irrigada por capilares sanguíneos,
- un sistema electrónico apto para al menos
muestrear, tratar y procesar unas señales eléctricas provinentes de
dicho fotodetector, que es al menos uno, o señales
fotopletismográficas,
estando dicho oxímetro caracterizado
porque dicho sistema electrónico está adaptado para procesar dichas
señales fotopletismográficas según un método de acuerdo a una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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|---|---|---|---|
| ES200501425A ES2276594B1 (es) | 2005-06-13 | 2005-06-13 | Metodo para procesar señales fotopletismograficas obtenidas de una persona o animal, y oximetro que utiliza dicho metodo. |
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