Pulsioximetría

Hoy vengo con mi segundo tema favorito después de la eletrocardiografía. Tengo un artículo a medias sobre un pulsioxímetro casero, pero dado que hay que mejorar el esquemático aún no he podido terminarlo. Prometo que funciona.

A grandes rasgos, la pulsioximetría es la comparación del nivel de oxihemoglobina (glóbulos rojos con oxígeno) con el nivel de hemoglobina no asociada a oxígeno (desoxihemoglobina), obteniendo el porcentaje de saturación de oxígeno SpO2. El truco está en que la oxihemoglobina tiene un color rojizo intenso, y la desoxihemoglobina hace la sangre de un color rojo azulado más oscuro.  La intención es medir el color.

Uno de los problemas que se presentan es que la carboxihemoglobina (glóbulos rojos que llevan monóxido de carbono, CO [provoca intoxicación]) también tiene un color rojo brillante, por lo que puedes medir una SpO2 muy buena cuando en realidad la persona  se está ahogando.

Para medir el color tenemos que aplicar una luz a la sangre, desde fuera, ya que éste método es plenamente no invasivo. Esta luz, de una longitud de onda en concreto, se verá absorbida en un tanto por cien por la hemoglobina, pero con intensidades distintas si se trata de oxi o desoxihemoglobina. Como se indica en la gráfica, un espectro de absorción, a distintas longitudes de onda las dos variantes de la misma hemoglobina absorben la luz en distinta cantidad.

Espectro de absorción en longitudes de onda de la oxihemoglobina (HbO2) y la desoxihemoglobina (Hb)

Entonces lo que hacemos es poner un fotodetector con sensibilidad en un espectro suficientemente amplio. Obviamente requiere estar en un sitio donde no le entre luz de los alrededores para que no interfiera. Si el objetivo no es medir la saturación de oxígeno, se puede poner un fotodiodo sensible a un pequeño rango de longitudes de onda. Normalmente se usan dos longitudes de onda concretas, el rojo 660 nm y el infrarrojo 940 nm. La razón es que en ambas longitudes de onda existe cierta diferencia en el espectro de absorción, lo que ayuda a distinguir a qué tipo de hemoglobina se trata la que se está midiendo.

Obtendremos varias componentes de señal:

  • DC debido a la sangre arterial no pulsátil
  • DC debido a la sangre venosa no pulsátil
  • DC debido a la absorción continua del tejido, hueso, etc
  • AC debido a la sangre arterial pulsátil, debido al bombeo cardiaco (μV)

Pletismograma que se obtiene

Se debe tener en cuenta que debido a la configuración del circuito (fotodiodo en inversa) el punto más alto en la señal es el que se corresponde únicamente con la contribución DC, mientras que en el punto más bajo se encuentran la AC+DC.

Para la adquisición no se encienden los dos LED rojo e infrarrojo a la vez, sino que se alternan muy rápidamente y se toma la medida de cada uno, teniendo prácticamente a la vez el pletismograma de las dos longitudes de onda, por separado.

Una vez se tienen las medidas se deben hacer cálculos. Hay una ley sobre la absorción, de Beer-Lambert, que dice básicamente que el tejido con coeficiente de absorción determinado hace bajar la intensidad de la luz en función del área que atraviesa. Cuanto más grueso el tejido, menos intensidad de luz llega. Dicho esto aparecen unas fórmulas muy chungas que dicen que si tenemos los datos podemos saber la concentración de HbO2 y de Hb.

Método pico y valle

Se mide la intensidad del pico (IH) y el valle (IL) de la componente AC

El problema aquí es que no sabemos: el coeficiente de atenuación de los tejidos (εs), la cantidad de tejido (cs) ni el grosor del tejido (ds). Tampoco tenemos el diámetro de las venas y arterias, concretamente su variación (Δd). Como para algo hay matemáticos, se puede avanzar a:

\displaystyle ln(\frac{I_{L}}{I_{H}}) = -[\varepsilon_{Hb}(\lambda)C_{Hb} + \varepsilon_{HbO2}(\lambda)C_{HbO2}]\Delta d_{max}

Muy bien, sabemos las intensidades y sabemos las absorciones, pero seguimos sin saber el diámetro de los vasos. ¿No os habéis preguntado todavía por qué se usan dos longitudes de onda? Aparte de la explicación anterior. Resulta que con cada longitud de onda obtenemos una medida distinta, lo que da lugar a un ln(IL/IH) distinto (Rojo o InfraRojo). Si dividimos estos dos logaritmos, nos cargamos el diámetro de los vasos. Esta división da lugar a un ratio (R) que además se llama Ratio de los Ratios.

\displaystyle R = \frac{ln(I_{LR}/I_{HR})}{ln(I_{LIR}/I_{HIR})}

Con esto y más matemáticas sacamos por fin el porcentaje de SpO2

\displaystyle \%SpO_{2} = \frac{[\varepsilon_{Hb}(\lambda_{R})-\varepsilon_{Hb}(\lambda_{IR})]R \cdot 100}{\varepsilon_{Hb}(\lambda_{R})-\varepsilon_{HbO2}(\lambda_{R})+[\varepsilon_{HbO2}(\lambda_{IR})-\varepsilon_{Hb}(\lambda_{R})]R}

Esto por supuesto requiere una calibración muy exacta, que cada empresa ha realizado con cientos de pacientes a los que se les ha medido el SpO2 de una forma invasiva a la vez que se tomaba con el pulsioxímetro.

La ventaja de este método es que requiere un hardware muy simple y la medida se toma muy rápido:

Sin embargo la calibración y la computación del resultado es más compleja por los logaritmos.

Método derivativo

En este caso en vez de suponer que el diámetro de los vasos es el mismo para la luz roja y la IR, te esperas a que las derivadas de la variación de diámetro sean iguales, lo cual conlleva que las pendientes de la señal también sean iguales, cosa que ocurre en cualquier punto y además en diferentes tiempos para cada longitud de onda. Con esto el Ratio de Ratios se puede cambiar a:

\displaystyle R = \frac{[dI_{R}(t)/dt]/I_{R}(t)}{[dI_{IR}(t)/dt]/I_{IR}(t)}

Siempre y cuando \displaystyle dI_{R}(t)/dt = dI_{IR}(t)/dt

Con esto se consigue una reducción en el coste de computación, aunque requiere un control dinámico para alinear las dos señales al mismo tiempo, y es más lento.

Consecuencias

Ya tenemos el valor de %SpO2 ¿Y ahora qué? Según el valor se harán varias cosas con el paciente:

  • > 95% No hay problema
  •  90-95% Requiere tratamiento y valorar el traslado al hospital
  • < 90% Indica hipoxia severa, dar oxígeno y trasladar al hospital
  • < 80% Puede requerir intubación y ventilación mecánica

 Pulsioximetría plana

Para contestar una pregunta, voy a editar el post y pongo imágenes. La cuestión es si se pueden aplicar los LEDs y los sensores de forma plana sin rodear un dedo y obtener precisión de ello. Pues sí, es algo que se hace por ejemplo durante el parto, o como señala Dan en su comentario, en recién nacidos. También se usa en pacientes que están ingresados mucho tiempo, resulta más cómodo que una pinza. El principio de funcionamiento es similar:

Como ya digo, han salido bandas con este tipo de aplicación, aunque algunas de ellas también se basan en rodear el dedo:

Otro ejemplo, si nos compramos una pulsera o reloj inteligente con capacidad de medir el pulso mediante una lucecita (comúnmente verde) lo que se está haciendo es una clase de pulsioximetría, sin oximetría. Se pone en la muñeca pero el principio de funcionamiento es similar. Solo que para mantener los costes, se deja en pulsi y se olvidan de la oximetría. En este caso con una sola luz basta.

Es obviamente posible extender este uso a una pulsioximetría real, de hecho yo estoy desarrollado algo así (cuando tenga un rato después de los exámenes). Claro que es menos estable debido al movimiento, se pierde la medida enseguida.

En cuanto a la precisión, la clave es el cálculo y miles de calibraciones. Después de tantas pruebas los valores son muy próximos a la realidad.

5 thoughts on “Pulsioximetría

  1. Hola,

    Hay médicos y enfermeras utilizando las sondas pediátricas aplicadas sencillamente de forma plana a la piel y obteniendo valores supuestamente correctos (por lo menos, en rango esperado). Estas sondas pediátricas son como una tira plana con la luz en un lado y la fotodioda al otro y en teoría se deberían aplicar alrededor de un dedo del niño (puesto que las sondas de adultos pueden ser demasiado grandes y probablemente entra demasiada luz ambiental). Has encontrado información respecto si la medición que realizan al utilizarlas de esta manera es también fiable? Lo digo porque si fuera fiable .... se podría aplicar en adultos también.

    Supongo que funcionan por la dispersión de la luz por los tejidos también en sentido transversal no solo el profundidad y así llega algo de luz al receptor pero .... es esta medición de fiar?

    Gracias,
    Dan

  2. buscando por google veo que hay otro tipo de pulsoxímetros llamados DE REFLECTANCIA. supongo que tienen que tener uno de estos para poder hacer lo que te preguntaba.

    "Oximetría de pulso es un no invasiva método para la vigilancia O del paciente2 saturación.

    En su modo de aplicación (transmisivo) más común, un sensor se coloca sobre una parte delgada del cuerpo del paciente, generalmente un yema del dedo o lóbulo de la oreja, o en el caso de un Infante, a través de un pie. Luz de dos longitudes de onda atraviesa al paciente a un fotodetector. La absorbancia cambiante a cada uno de los longitudes de onda se mide, lo que permite la determinación de la absorbancia debido a la pulsación 

    Oximetría de pulso reflectancia puede utilizarse como alternativa al oxímetro de pulso transmisivo descrito anteriormente. Este método no requiere una sección delgada del cuerpo del paciente y por lo tanto es adecuado para una aplicación más universal como los pies, frente y pecho, pero también tiene algunas limitaciones. Vasodilatación y acumulación de sangre venosa en la cabeza debido a comprometido retorno venoso al corazón, como ocurre con congénita cianótica los pacientes con enfermedad del corazón, o en pacientes en los Posición de Trendelenburg, puede causar una combinación de pulsaciones arteriales y venosos de la región frente y conducir a falsa SpO2(Saturación de oxígeno periférico) resultados"

    gracias

  3. acabo de ver tu respuesta en el post. muchas gracias.

    si puedes, borra mi comentario con el copiar-pegar del google porque veo ahora que el texto copiado lleva tantos errores que incluso se hace de difícil leer (supongo que es una traducción automática del inglés, sin revisar)

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