ES2344112T3 - Modulador delta-sigma para obtener una representacion analogica de una señal fisiologica. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para operar un monitor fisiológico que comprende: detectar una señal analógica de un paciente, en el que la señal analógica comprende una forma de onda fisiológica; convertir la señal analógica en una señal digital; demodular la señal digital para producir al menos dos señales fisiológicas desmoduladas; aplicar una de las señales fisiológicas desmoduladas a un modulador delta-sigma (51) para proporcionar una señal de salida; y filtrar dicha señal de salida para proporcionar una salida analógica filtrada con forma de onda fisiológica en tiempo real.
Description
Modulador delta-sigma para
obtener una representación analógica de una señal fisiológica.
La presente invención versa acerca de oxímetros,
y en particular acerca de paneles de visualización de formas de onda
analógica en oxímetros de pulso.
Normalmente, se utiliza la oximetría de pulso
para medir diversas características de química sanguínea,
incluyendo, sin limitación, la saturación de oxígeno en sangre de
la hemoglobina en sangre arterial, el volumen de pulsaciones
individuales de sangre que se suministran al tejido, y la tasa de
pulsaciones de sangre correspondiente a cada latido cardíaco de un
paciente. La medición de estas características se ha llevado a cabo
mediante el uso de un sensor no invasivo que difunde luz a través
de una porción del tejido del paciente en la que la sangre perfunde
el tejido, y detecta de forma fotoeléctrica la absorción de luz en
dicho tejido. Entonces, se utiliza la cantidad de luz absorbida a
diversas frecuencias para calcular la cantidad del componente
sanguíneo que está siendo medida.
Se selecciona la luz difundida a través del
tejido para que tenga una o más longitudes de onda que son
absorbidas por la sangre en una cantidad representativa de la
cantidad del componente sanguíneo presente en la sangre. La
cantidad de luz difusa transmitida a través del tejido variará según
la cantidad variable del componente sanguíneo en el tejido y la
absorción de luz relacionada. Para medir el nivel de oxígeno en
sangre, normalmente dichos sensores han estado dotados de una
fuente de luz que está adaptada para generar luz de al menos dos
longitudes de onda distintas, y con fotodetectores sensibles a ambas
longitudes de onda, según técnicas conocidas para medir la
saturación de oxígeno en sangre.
El documento US 5.921.921 da a conocer un
oxímetro que detecta la transiluminación por luz roja e infrarroja
de una porción de un individuo in vivo y produce señales
analógicas representativas del mismo en dos canales. Tiene un
modulador delta-sigma para la conversión de forma
analógica a digital.
Los sensores no invasivos conocidos incluyen
dispositivos que están fijados a una porción del cuerpo, tal como a
un dedo, a un oído o al cuero cabelludo. En los animales y en los
seres humanos, el tejido de estas porciones del cuerpo está
perfundido con sangre y el sensor puede acceder fácilmente a la
superficie del tejido.
Los oxímetros de pulso, después de procesar los
datos del sensor y calcular la saturación de oxígeno, presentan la
información en un panel de visualización. En algunos oxímetros de
pulso, también es deseable representar visualmente la propia forma
de onda analógica. Por ejemplo, la patente US nº 6.188.470 muestra
una señal para un panel de visualización que refleja la forma de
onda. La patente US nº 6.385.471 también da a conocer un panel de
visualización de forma de onda, y expone que primero se digitalizan
los datos, filtrados previamente y luego reconstituidos para la
representación visual.
Nellcor Puritan Bennett, el cesionario de la
presente invención, proporciona salidas analógicas en un número de
sus productos. Las salidas analógicas son utilizadas para tales
fines como una sincronización con otros instrumentos (por ejemplo,
EKG, un monitor de múltiples parámetros) al igual que para un panel
de visualización. A veces se proporcionan las formas de onda
analógicas de la circuitería de hardware de procesamiento
previo, para garantizar que la señal analógica es cercana en el
tiempo a la forma de onda real del paciente.
Un problema al proporcionar una forma de onda
analógica a un panel de visualización después de su procesamiento
es que el procesamiento lleva algo de tiempo, y, por lo tanto, la
señal proporcionada está retrasada y no es en tiempo real.
Un objetivo de la invención es proporcionar un
procedimiento y un aparato para generar una representación
sustancialmente en tiempo real de una representación analógica de
una señal fisiológica. Se puede conseguir este objetivo mediante un
procedimiento y un aparato como se definen en las reivindicaciones
independientes. Se definen mejoras adicionales en las
reivindicaciones dependientes. La presente invención proporciona un
procedimiento y un aparato para proporcionar una representación
sustancialmente en tiempo real de una representación analógica de
una señal fisiológica. Se convierte la señal de la forma de onda del
sensor en una forma digital. Se utiliza un modulador
delta-sigma como un Convertidor de digital a
analógico (ADC) sencillo. Entonces, se puede proporcionar la salida
a través de un filtro sencillo de hardware para dar una señal
analógica de salida casi en tiempo real, que puede ser utilizada
para otros instrumentos, sincronización, panel de visualización,
etc.
La invención permite que se convierta una forma
de onda en una forma digital, y que se suministre al
software, mientras que sigue permitiendo una conversión
rápida de nuevo en hardware después de un procesamiento
inicial en el software. En particular, para un oxímetro de
pulso que lleva a cabo una desmodulación en el software, se
puede obtener la señal digital IR después de esta desmodulación por
software, pero antes del procedimiento de filtración por
software mucho más lento utilizado como parte del
procedimiento para calcular la saturación de oxígeno.
En una realización, se procesa la señal digital
en un primer recorrido, pero un segundo recorrido aplica esta forma
de onda digitalizada al modulador delta-sigma. El
segundo recorrido capta la señal inmediatamente después de que se
convierte a la forma digital y se desmodula. Para un oxímetro de
pulso, se escoge una señal IR para la salida analógica porque
normalmente tiene menos ruido.
En una realización, el modulador
delta-sigma es un modulador de software que
opera en la versión digitalizada de la forma de onda. El modulador
delta-sigma proporciona una salida en serie de un
único bit. Se proporciona esta salida a un filtro RC de
hardware, y luego al panel de visualización.
Para una mayor comprensión de la naturaleza y de
las ventajas de la invención, se debería hacer referencia a la
siguiente descripción tomada en conjunto con los dibujos
adjuntos.
La Fig. 1 es un diagrama de bloques de un
oxímetro que incorpora la presente invención.
La Fig. 2 es un diagrama de bloques de un
circuito de la técnica anterior para generar una señal analógica de
salida.
La Fig. 3 es un diagrama de bloques de una
realización de un circuito para generar una señal analógica de
salida según la presente invención.
La Fig. 4 es un diagrama de bloques del
modulador delta-sigma de software según una
realización de la presente invención.
La Fig. 5 es un diagrama de circuito de una
realización del filtro RC de hardware según una realización
de la presente invención.
La Fig. 6 es una vista frontal de un monitor que
muestra un panel de visualización analógica según una realización de
la presente invención.
\vskip1.000000\baselineskip
La Fig. 1 ilustra una realización de un sistema
de oximetría que incorpora la presente invención. Un sensor 10
incluye LED rojos e infrarrojos y un fotodetector. Estos están
conectados por un cable 12 a una placa 14. Se proporciona la
corriente de alimentación para los LED por medio de una interfaz 16
de alimentación de LED. Se proporciona la corriente fotoeléctrica
recibida del sensor a una interfaz I-V 18. Entonces,
se proporcionan los voltajes IR y rojo a una interfaz
sigma-delta 20 que incorpora la presente invención.
Se proporciona la salida de la interfaz sigma-delta
20 a un microcontrolador 22. El microcontrolador 22 incluye memoria
flash para un programa, y memoria RAM para los datos. El
oxímetro también incluye un chip 24 de microprocesador
conectado a una memoria flash 26. Finalmente, se utiliza un
reloj 28 y se proporciona una interfaz 30 para una calibración
digital en el sensor 10. Un anfitrión separado 32 recibe la
información procesada, al igual que recibe una señal analógica en
una línea 34 para proporcionar una representación visual
analógica.
\vskip1.000000\baselineskip
La Fig. 2 muestra un ejemplo de un circuito de
la técnica anterior para generar una señal analógica de salida. Se
procesa una señal de un sensor de un paciente en hardware por
medio de un convertidor 36 de corriente a voltaje
(I-V), y de un filtro 37. Entonces, se desmodulan
las señales roja e IR en un demodulador 38. Se proporciona una
señal roja a través de un primer canal de un filtro 39 y un
amplificador 40 a un ADC 41. De forma similar, se proporciona la
señal IR a través de un segundo canal del filtro 42, del
amplificador y del ADC 44. Se obtiene la señal analógica de la señal
IR en la entrada del ADC 44.
\vskip1.000000\baselineskip
La Fig. 3 muestra una realización de la presente
invención en la que la desmodulación no se lleva a cabo en
hardware, más bien en software, de forma que
simplemente no está disponible una señal IR analógica en el
hardware. Se procesa una señal de un sensor de un paciente en
hardware por medio de un convertidor 45 de corriente a
voltaje y de un filtro 46, luego se suministra a un ADC 47. En el
software, un demodulador separa las señales roja e IR.
Entonces, se proporciona la señal roja a un filtro 49 de
software y a un procesamiento adicional no mostrado. De
forma similar, se proporciona la señal IR por medio de un filtro 50
de software y no se muestra un procesamiento adicional. Dado
que la filtración por software puede provocar un retraso
temporal significativo, se convierte de nuevo la señal IR a una
forma analógica antes del filtro 50. Se utiliza un modulador
sigma-delta 51 como un Convertidor de digital a
analógico (ADC) sencillo. Al utilizar un modulador
sigma-delta, el procedimiento de conversión es
sencillo y puede llevarse a cabo rápidamente. Entonces, la señal
analógica resultante solo necesita ser filtrada en un filtro RC 52
sencillo.
\vskip1.000000\baselineskip
La Fig. 4 es un diagrama de bloques de un
modulador delta-sigma 51 de la Fig. 3 según una
realización de la invención. Preferentemente, este modulador se
implementa en software que corre en un microcontrolador 22
de la Fig. 1. Una entrada en la línea 52 es la señal digitalizada
del sensor. En una realización preferente esta señal es la señal
infrarroja (IR) a diferencia de la señal roja. Se escoge la
infrarroja porque normalmente es una señal más limpia que la señal
roja. La Fig. 4 es una representación gráfica de las ecuaciones en
diferencias finitas implementadas para crear el segundo orden de
formación de ruido para la señal quintila. En una realización, el
pseudocódigo que implementa las ecuaciones en diferencias finitas
es:
X es la entrada en la línea 52
Y es la salida en la línea 54
A, B y C son variables intermedias que almacenan
datos de una iteración al siguiente bucle cada 206 \muS.
\vskip1.000000\baselineskip
- A = X - C + (2 * B)
- C = B
- si A > 1/2, entonces
- * Y = 1
- en caso contrario
- * Y = 0
- y si
- B = A - Y
- fin bucle
\vskip1.000000\baselineskip
Se ejecuta este código en un bucle que se
ejecuta cada 206 \muS, de forma que la salida (Y) es una corriente
de bits de 4845 bits/seg con un valor medio que es igual a la
entrada (X).
Preferentemente, la salida en la línea 54 es una
corriente de bits de 4845 Hz. Esto es proporcionado por la entrada
60 de un filtro de hardware como se muestra en la Fig. 5.
Este filtro incluye resistencias eléctricas 62 y 64 y condensadores
66 y 68. Este filtro actúa sobre la señal digital de salida para
convertirla en forma analógica para producir una salida en la línea
70 que puede ser proporcionada a un panel de visualización. El
filtro es un filtro RC pasivo de segundo orden, sin una memoria
intermedia en la salida. El sistema anfitrión podría llevar a cabo
cualquier introducción en memoria intermedia antes de la
representación visual, si fuese necesario.
La Fig. 6 muestra un ejemplo de un panel de
visualización analógica 72 en un monitor 74 de un oxímetro de pulso.
La señal para este panel de visualización está proporcionada desde
la línea 70 de la Fig. 5.
Como comprenderán los expertos en la técnica, la
presente invención puede ser implementada en otras formas
específicas sin alejarse de las características esenciales de la
misma. Por ejemplo, el modulador delta-sigma podría
tener un orden distinto de un segundo orden. Se podría llevar a cabo
algo de filtración en el software antes del filtro de
hardware, y se podría utilizar una configuración distinta del
filtro de hardware. En consecuencia, se pretende que la
anterior descripción sea ilustrativa, no limitante, del alcance de
la invención que está definido en las siguientes
reivindicaciones.
Claims (15)
1. Un procedimiento para operar un monitor
fisiológico que comprende:
- detectar una señal analógica de un paciente, en el que la señal analógica comprende una forma de onda fisiológica;
- convertir la señal analógica en una señal digital;
- demodular la señal digital para producir al menos dos señales fisiológicas desmoduladas;
- aplicar una de las señales fisiológicas desmoduladas a un modulador delta-sigma (51) para proporcionar una señal de salida; y
- filtrar dicha señal de salida para proporcionar una salida analógica filtrada con forma de onda fisiológica en tiempo real.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en
el que dicha filtración se lleva a cabo por medio de un filtro (52)
de hardware acoplado a una salida de dicho modulador
delta-sigma (51).
3. El procedimiento de la reivindicación 1 o 2,
en el que dicho modulador delta-sigma (51)
proporciona una salida de un único bit.
4. El procedimiento de una de las
reivindicaciones precedentes, en el que la forma de onda fisiológica
comprende una representación de una señal IR devuelta desde un
sensor fisiológico y una señal roja devuelta desde un sensor
fisiológico.
5. El procedimiento de una de las
reivindicaciones precedentes, en el que la forma de onda desmodulada
comprende una representación de una señal IR recibida desde un
sensor fisiológico.
6. El procedimiento de una de las
reivindicaciones precedentes, en el que el modulador
delta-sigma (51) está configurado para proporcionar
una formación de ruido de segundo orden de las señales fisiológicas
desmoduladas.
7. El procedimiento de una de las
reivindicaciones precedentes, en el que el modulador
delta-sigma (51) está configurado para dar salida a
una corriente (54) de bits en serie que tiene una frecuencia
dada.
8. El procedimiento de la reivindicación 2, en
el que el filtro (52) de hardware comprende un filtro RC (62,
66, 64, 68).
9. El procedimiento de una de las
reivindicaciones precedentes, que comprende, además, la filtración
digital (49) de una de las señales fisiológicas desmoduladas para
proporcionar una primera señal digital de salida.
10. El procedimiento de una de las
reivindicaciones precedentes, que comprende, además, la filtración
digital (50) de la otra señal fisiológica desmodulada para
proporcionar una segunda señal digital de salida.
11. Un aparato de monitorización fisiológica que
comprende:
- una entrada para recibir una señal analógica de un paciente que incluye una forma de onda fisiológica;
- un convertidor (47) de analógico a digital para convertir dicha señal analógica en una señal digital;
- un demodulador para demodular la señal digital para producir al menos dos señales fisiológicas desmoduladas;
- un modulador delta-sigma (51) configurado para convertir una de dichas señales fisiológicas desmoduladas de una forma digital a una forma analógica;
- un filtro (52) acoplado a una salida de dicho modulador delta-sigma (51).
12. El aparato de monitorización fisiológica de
la reivindicación 11, en el que dicho modulador
delta-sigma (51) es un modulador de software
que produce una salida en serie de un único bit.
13. El aparato de monitorización fisiológica de
la reivindicación 11, en el que dicho filtro (52) es un filtro RC
(62, 64, 66, 68) de hardware.
14. El aparato de monitorización fisiológica de
la reivindicación 11, que comprende, además, un primer filtro
digital (49) para filtrar la al menos otra de las señales
fisiológicas desmoduladas y/o un segundo filtro digital (50) para
filtrar la al menos otra de las señales fisiológicas
desmoduladas.
15. El aparato de monitorización fisiológica
según una de las reivindicaciones precedentes 11-14,
en el que el aparato de monitorización fisiológica es un aparato de
oxímetro; la forma de onda fisiológica es una forma de onda de
oximetría de pulso; el procesador incluye un demodulador (48) para
separar dicha forma de onda en señales roja e IR, en el que el
modulador delta-sigma (51) es un modulador
delta-sigma de software que está configurado
para convertir una de dichas señales roja e IR en forma digital de
nuevo en una señal analógica al producir una salida en serie de un
único bit; y en el que el filtro (52) es un filtro RC (62, 64, 66,
68) de hardware acoplado a una salida de dicho modulador
delta-sigma (51) para filtrar dicha forma de
onda.
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