Microprocesadores para aplicaciones médicas

Microprocesadores para aplicaciones
médicas
Microprocesadores para comunicaciones
ETSI de Telecomunicación
Himar Alonso Dı́az
Índice
1. Introducción
1.1. Principales fabricantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Tendencias y consecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Equipos médicos electrónicos
2.1. Uso del microprocesador en medicina . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Análisis de algunos equipos que usan microprocesadores . . . . . . .
2.2.1. Resonancia magnética, tomografı́a computarizada y ecografı́a
2.2.2. Rayos X: Fluoroscopia, radiografı́a y radioterapia . . . . . .
2.2.3. El electrocardiógrafo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4. El desfibrilador automático externo . . . . . . . . . . . . . .
2.2.5. El tensiómetro digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3
3
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3. Conectividad
12
4. Tecnologı́a para el desarrollo de equipos médicos
13
2
1.
Introducción
Durante los últimos años el uso de sistemas electrónicos basados en microprocesador
han supuesto un hito muy importante en la evolución de la electrónica y por ende, también
en todos los ámbitos en los que se emplean medios electrónicos.
La medicina es sin duda uno de estos ámbitos en los que gracias a la integración del
microprocesador hoy disponemos de equipos de diagnóstico y tratamiento más potentes,
precisos y fiables, y a su vez menos invasivos y menos dañinos para la salud del paciente.
En este trabajo he querido hacer un análisis de algunos de los equipos electrónicos
más utilizados en medicina, caracterizarlos atendiendo al uso que necesitan hacer de los
microprocesadores, y finalmente comentar algunas de las soluciones existentes en el mercado.
1.1.
Principales fabricantes
Dependiendo del tipo –y sobre todo de la complejidad – del equipo al que nos refiramos, nos encontraremos en general con un mercado muy amplio para pequeños aparatos
médicos (tensiómetros, electrocardiógrafos,. . . ) y un mercado mucho más reducido para
aparatos más grandes y complejos (resonancias magnéticas, rayos X,. . . ). Para este seR
R
,
, Siemens
gundo grupo de aparatos médicos lideran el mercado las marcas de Philips
R
R
R
Toshiba , General Electric Healthcare , y Varian, Medical Systems , representadas en
la Figura 1.
Figura 1: Principales fabricantes de equipos médicos
R
R
, que si bien no desarrollan grandes equipos
y Olympus
También aparecen Kodak
electrónicos para aplicaciones médicas, los he incluido porque son los principales fabricantes de la tecnologı́a óptica que estos utilizan, ası́ como de otros equipos médicos de
visualización como los endoscopios.
Figura 2: Principales fabricantes de microprocesadores empleados en aplicaciones médicas
Por otra parte, la tarea de buscar información sobre los microprocesadores que utilizan los distintos equipos médicos no es sencilla, dado que los fabricantes ofrecen muy
3
poca información al respecto en los catálogos de sus productos. Curiosamente, son los
fabricantes de microprocesadores quienes sı́ presumen de que una empresa quiera usar su
tecnologı́a para desarrollar equipos médicos [1].
En la Figura 2 se aprecia una lista con los principales fabricantes de los microproceR
es el preferido por las empresas para
sadores que se emplean en equipos médicos. Intel
R
R
R
en
incluyen núcleos ARM
tareas de procesado de imagen, NEC y Texas Instruments
muchos de los chips que fabrican para este mercado, y finalmente para pequeñas tareas
R
.
de control se usan muchos microcontroladores de Microchip Technology
1.2.
Tendencias y consecuencias
De todo el conjunto de útiles y herramientas empleadas en la medicina para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, aquellos que poseen sistemas electrónicos integrados
tienden a controlarse mediante el uso de pequeños microprocesadores o microcontroladores. Esta idea se ilustra gráficamente en la Figura 3.
Figura 3: Se tiende a controlar todos los equipos médicos mediante el uso de microprocesadores
El abaratamiento de los circuitos integrados (y por tanto de los microprocesadores) ha
sido sin duda una de las razones más importantes que han posibilitado este hecho. Como
resultado se tienen nuevos productos, más precisos, más fiables, y con nuevas funcionalidades, que aportan más información y de más calidad al personal sanitario, contribuyendo
en definitiva, a una mejor atención al paciente.
2.
Equipos médicos electrónicos
En este apartado vamos a analizar algunos equipos concretos, para comprender su
funcionamiento y analizar aquellos problemas que se pueden resolver haciendo uso de
sistemas electrónicos basados en microprocesador.
2.1.
Uso del microprocesador en medicina
Los dos usos principales que tienen los microprocesadores en aplicaciones médicas son:
Procesado de control
Procesado de imágenes
4
En la Figura 4 se muestra una gráfica en la que se encuentran algunos de los aparatos
médicos más utilizados en la actualidad, clasificados atendiendo al uso que hacen del
procesador1 , si es para control o para imágenes, y atendiendo también a la complejidad
de los cálculos que se realizan.
Figura 4: Clasificación de algunos equipos médicos según sea el uso que hacen de sistemas
basados en microprocesador
El endoscopio es un instrumento en forma de tubo, que contiene una luz y una óptica
que permite la visualización del interior de un órgano hueco o una cavidad corporal,
introduciéndolo mediante un agujero natural o una pequeña incisión quirúrgica [2]. A
pesar de la complejidad que puedan tener los endoscopios más modernos en la actualidad,
en la gráfica de la Figura 4 se ha incluido este instrumento como un ejemplo de un equipo
electrónico que no utiliza microprocesador, para establecer un nivel de referencia.
2.2.
Análisis de algunos equipos que usan microprocesadores
Una vez clasificados los distintos aparatos, a continuación pasaremos a caracterizar y
describir el funcionamiento cada uno de ellos.
2.2.1.
Resonancia magnética, tomografı́a computarizada y ecografı́a
Los equipos de resonancia magnética, tomografı́a computarizada y ecografı́a se usan en
medicina para realizar distintos tipos de diagnósticos. El principio fı́sico de funcionamiento
de cada uno de ellos es diferente, pero todos tienen en común que necesitan procesar las
imágenes que reciben para ofrecer al especialista que deba interpretarlas, una información
precisa y fiable. A continuación se explica brevemente su funcionamiento:
La resonancia magnética se basa en el principio fı́sico de la resonancia magnética nuclear, y es posible gracias a que el cuerpo humano posee una gran cantidad de átomos
de hidrógeno. Se introduce al paciente en el interior de un electroimán muy potente
(Figura 5), de manera que los núcleos de los átomos de hidrógeno se orientan de
acuerdo a las lı́neas de fuerza del campo. Al aplicarles un estı́mulo de radiofrecuencia
se mueven cambiando de orientación. A este proceso se le llama resonancia.
1
Naturalmente, un equipo de resonancia magnética incluirá igualmente microprocesadores dedicados
al control, pero en el análisis que estamos llevando a cabo tiene mayor relevancia la tarea de procesado
de imágenes.
5
R
Figura 5: Resonador magnético de Philips
Cuando cesa el estı́mulo de radiofrecuencia, dichos núcleos liberan energı́a y vuelven
a su situación inicial. Este proceso se conoce como relajación. Esta relajación se mide
en dos instantes de tiempo diferentes, y esas medidas van a influir en la formación
de la imagen. Las diferencias de densidad nuclear –del hidrógeno– en los tejidos y
los tiempos de relajación distintos, determinan la intensidad de la señal.
La excitación de los núcleos de la zona o región seleccionada, se efectúa variando
ligeramente el campo magnético en dos planos al mismo tiempo. De este modo, sólo
el área seleccionada estará en resonancia [3].
La tomografı́a computarizada es una exploración de rayos X que produce imágenes
detalladas de cortes axiales (por eso también se le denomina tomografı́a axial computarizada, bien TAC) del cuerpo.
R
Figura 6: TAC de Siemens
En lugar de obtener una imagen como la radiografı́a convencional, la TAC obtiene
múltiples imágenes al rotar alrededor del cuerpo (Figura 6). Una computadora combina todas estas imágenes en una imagen final que representa una sección transversal
del cuerpo.
6
Las fórmulas matemáticas para reconstruir una imagen tridimensional a partir de
múltiples imágenes axiales planas fueron desarrolladas por el fı́sico J. Radon, nacido en Alemania en 1917. Tras sus trabajo las fórmulas existı́an, pero no ası́ el
equipo de rayos X capaz de hacer múltiples cortes ni la máquina capaz de hacer
los cálculos automáticamente. Hubo que esperar a la década de los 70, cuando el
británico G. H. Hounsfield se valió del desarrollo de la computación para fabricar
las primeras TAC [2]. Estos datos históricos reflejan la importancia tan grande que
ha tenido la evolución de los sistemas de computación, y por tanto también los
microprocesadores.
La ecografı́a es otro aparato que sirve para obtener imágenes, basado en la emisión y
recepción de ultrasonidos que se reflejan en los órganos internos (de ahı́ el prefijo
eco), en la zona del cuerpo a explorar.
R
R
y antiguo ecógrafo 2D de Honda
Figura 7: Ecógrafo 3D de Philips
Los ecógrafos tradicionales (en dos dimensiones, blanco y negro) no requieren mucho
procesado en comparación con los aparatos de resonancia magnética o de tomografı́a
computarizada. Un claro ejemplo lo podemos ver en la Figura 7. En la ilustración
R
HS-4000, que utiliza un procesador
de la derecha se muestra un ecógrafo Honda
R
R
Intel Celeron para la visualización de las imágenes [4]. En contraposición a estos ecógrafos están los que son capaces de mostrar imágenes en tres dimensiones.
Dado que la información que reciben de los transductores es exctamente la misma
para ambos casos, la diferencia se halla en el procesado de la señal. También cabe
mencionar los modernos ecógrafos basados en el efecto Doppler, cuyo volumen de
información a procesar es aún mayor.
Para el procesado de imágenes, los principales fabricantes utilizan los procesadores de
R
(véase la Figura 8), hasta el punto de que ninguna de las referencias
gama alta de Intel
consultadas hace alusión a otra marca [1] [4] [5].
Figura 8: Procesadores más usados para el procesado de imágenes en aplicaciones médicas
7
2.2.2.
Rayos X: Fluoroscopia, radiografı́a y radioterapia
El siguiente grupo de aparatos a analizar se caracteriza por la utilización de rayos
X, ya sea para para diagnóstico o para tratamiento. En el tı́tulo de esta sección no se
menciona la TAC porque encaja mejor en el grupo de equipos del apartado anterior, de
procesado de imágenes, pero todas las consideraciones que se hagan para máquinas de
rayos X son válidas también para este dispositivo. Una vez hecho este matiz, pasemos a
analizar la función de cada uno de los aparatos más empleados en radiologı́a:
El fluoroscopio consiste en una fuente de rayos X y una pantalla fluorescente entre las
que se sitúa al paciente (Figura 9). Sin embargo, los fluoroscopios modernos acoplan
la pantalla a un intensificador de imagen de rayos X y una cámara de vı́deo, lo que
permite que las imágenes sean grabadas y reproducidas en un monitor [2].
R
Figura 9: Fluoroscopio de gran manejabilidad de Siemens
Dada la alta dosis de radiación a la que se somete el paciente, en la actualidad la
fluoroscopia se ha reemplazado por otras técnicas de exploración con una menor
exposición radiactiva para el paciente (por ejemplo la radiografı́a), pero se sigue
aplicando en determinadas operaciones y en el diagnóstico de algunas patologı́as.
La radiografı́a es un procedimiento similar al de la fluoroscopia, pero en el que la exposición del paciente a los rayos X es mı́nima, puesto que no se pretende observar
imágenes en tiempo real, sino una única muestra estática (similar a una fotografı́a)
que queda impresa en una pelı́cula fotográfica [2]. Actualmente dichas impresiones
tienden a sustituirse por imágenes digitales con el fin de reducir la contaminación
(Figura 10).
R
Figura 10: Equipo de radiografı́a digital de General Electric Healthcare
8
La radioterapia es una forma de tratamiento basado en el empleo de rayos X. Se utiliza
en oncologı́a para eliminar las células neoplásicas, en la parte del organismo donde se
apliquen (tratamiento local) [2]. La radioterapia actúa sobre el tumor, destruyendo
las células malignas y ası́ impide que crezcan y se reproduzcan. En la Figura 11 se
muestra un acelerador lineal empleado en radioterapia.
R
Figura 11: Acelerador lineal para radioterapia de Varian
El principal problema de los equipos que trabajan con rayos X es que este tipo de
radiación es ionizante y por lo tanto daña los tejidos humanos expuestos a estos rayos.
La misión principal de los sistemas basados en microprocesador en este caso consistirá en
minimizar todo lo que sea posible el tiempo de exposición. También es importante, el
control de la potencia y la frecuencia de emisión (en los pliegos de especificaciones, los
hospitales y servicios de salud requieren equipos de rayos X con frecuencia de emisión
controlada por microprocesador [6]).
2.2.3.
El electrocardiógrafo
Un electrocardiógrafo es un aparato que sirve para captar la actividad eléctrica del
corazón. A través de unos electrodos que deben colocarse en determinadas zonas del pecho
la señal eléctrica se almacena y comúnmente se imprime para que el especialista pueda
realizar el diagnóstico. En la Figura 12 se muestra un electrocardiógrafo comercial.
R
Figura 12: Electrocardiógrafo de Philips
De todos los aparatos descritos hasta ahora, el electrocardiógrafo es con diferencia el
más económico de todos. Es quizá por ello que muchas empresas lo fabrican, llegando
9
en muchos casos a escatimar en prestaciones. Lo bueno de ello por otro lado es que
es un instrumento muy ilustrativo a nivel didáctico, para alguien que desee iniciarse
en la electromedicina. En electrónica analógica se utiliza como ejemplo práctico del uso
de amplificadores diferenciales y amplificadores de instrumentación 2 . Existen de hecho
muchas publicaciones de diversas universidades, escuelas e institutos que han diseñado su
propio electrocardiógrafo. De todas las referencias, es de especial interés para este trabajo
una de ellas [7] en la que se detalla el uso del microprocesador y los microcontroladores
empleados.
Figura 13: Esquema de los procesadores empleados para el diseño del electrocardiógrafo
[7]
R
Como puede verse en la Figura 13 se utiliza un procesador principal Intel
80C186XL
de 16 bits que se encarga de procesar la señal para la detección automática de cardiopatı́as,
R
PIC16C74B-20 y PIC16C74B-04 de 8 bits
ası́ como dos microcontroladores Microchip
para el control de la impresora térmica y el resto de periféricos, respectivamente.
2.2.4.
El desfibrilador automático externo
Un desfibrilador externo es un aparato que se utiliza para la reanimación de pacientes
que han sufrido una parada cardiaca debida a una fibrilación ventricular. Cuando eso
ocurre, la actividad eléctrica normal del corazón que verı́amos en un electrocardiograma (Figura 14) tendrı́a una forma completamente caótica como la que se muestra en la
Figura 15 [2].
Figura 14: Señal eléctrica en un corazón sano
Solo en esos casos, en los que –se dice– existe fibrilación ventricular procede aplicar al
paciente una descarga eléctrica determinada (o más) para intentar corregir la actividad
eléctrica del corazón.
2
Por ejemplo en la ETSI de Telecomunicación de la ULPGC.
10
Figura 15: Señal eléctrica cuando se produce fibrilación ventricular
Sin embargo no siempre se tiene un electrocardógrafo a mano cuando una persona
sufre una parada cardiaca, para saber si el corazón está fibrilando o no. Por ello en muchos
lugares públicos se han instalado los desfibriladores externos automáticos (o DEA). Este
tipo de aparatos están indicados para ser utilizados por personal no sanitario en caso de
emergencia (véase la Figura 16).
Figura 16: Desfibrilador automático externo situado en un lugar público
El reanimador debe únicamente seguir unas indicaciones auditivas de cómo y dónde
colocar los electrodos al paciente. El DEA, provisto de un sistema microprocesador, detectará a través de los electrodos si el paciente sufre o no fibrilación ventricular y aplicará las
descargas eléctricas, si procediera, al mismo tiempo que da instrucciones para que la
reanimación sea lo más efectiva posible.
2.2.5.
El tensiómetro digital
Un esfigmomanómetro, o tensiómetro es un aparato para medir la tensión arterial.
Gracias a la existencia de los microcontroladores hoy en dı́a todo el mundo puede tener
un tensiómetro digital en su casa.
Es especialmente útil para las personas con problemas vasculares o cardiacos que deban
revisarse la tensión con relativa frecuencia. Sin embargo su fiabilidad ha estado siempre,
y está muy cuestionada.
11
R
Figura 17: Tensiómetro digital de Microlife
Tomemos como ejemplo el tensiómetro que se muestra en la Figura 17. El fabricante
R
, nos indica en la hoja de caracterı́sticas del producto [8] que este dispositivo
Microlife
utiliza un microprocesador de 8 bits, y consigue con ello una precisión de ±3mmHg.
Comparando este dato con la precisión que podrı́a obtener un técnico sanitario con un
esfigmomanómetro tradicional, vemos que es más que suficiente, ya que normalmente el
dato es significativo hasta las centenas. Es decir, si la tensión indicada por el tensiómetro
de la Figura 17 es de 138/90mmHg, serı́a igualmente válida la aproximación 140/90mmHg
(que por cierto corresponderı́a con un caso de hipertensión [2]).
En conclusión, si con un microprocesador de 8 bits se consigue una precisión más que
aceptable, podemos descartar que la baja fiabilidad de estos aparatos se deba a la precisión
de cálculo. Probablemente tendrá que ver con el modo de colocarlo, la profundidad de
los vasos sanguı́neos, o los sensores utilizados, pero no con el sistema de cálculo ni con el
microprocesador.
3.
Conectividad
Para un hospital o un servicio sanitario que deba adquirir equipos médicos es tan
importante la calidad de los mismos, como el poderlos interconectar con el resto de equipos
que forman la infraestructura hospitalaria. Nos referimos en general a equipos complejos,
que trabajen con una gran cantidad de imágenes, etc.
Todos los hospitales modernos disponen de un sistema de archivo y transmisión de
imágenes (abreviado PACS por las siglas en inglés: Picture archiving and communication
system). Serı́a muy poco eficiente que cada equipo tuviera su sistema de almacenamiento
de imágenes, sobre todo a la hora de acceder a las mismas, clasificarlas, asociarlas a
un historial clı́nico, etc. Normalmente se dispone de un PACS donde toda la información
está centralizada y todas las máquinas se conectan a éste mediante los distintos protocolos
de interconexión.
Figura 18: Algunos estándares de conectividad empleados en equipos de medicina
En aplicaciones médicas los protocolos más usados son DICOM, que trabaja a nivel
de aplicación sobre TCP/IP [2] y el IHE. Es tan importante que los aparatos médicos
12
dispongan de estos estándares de conectividad, que los principales fabricantes se encargan
de especificarlo claramente cuando anuncian un producto [9].
4.
Tecnologı́a para el desarrollo de equipos médicos
Algunos fabricantes de microprocesadores y de sistemas digitales también poseen kits
de desarrollo orientado a la creación de aplicaciones médicas. Un buen ejemplo de estos
R
de la
kits lo encontramos en la placa de desarrollo OMAP-35X de Texas Instruments
Figura 19 [10].
R
Figura 19: Placa de desarrollo OMAP-35X de Texas Instruments
De manera similar a otros sistemas de desarrollo de la misma empresa, como por
ejemplo los DaVinci, el OMAP-35X incluye varias tecnologı́as en una misma placa: un
R
Cortex A8, un DSP TMS320C64x, un motor para gráficos 2D/3D,
procesador ARM
aceleradores de video, una pequeña pantalla TFT, y varios interfaces de entrada/salida.
A los fabricantes de microprocesadores les interesa crear este tipo de kits, ya que los
desarrolladores que lo utilicen, serán probablemente sus futuros clientes.
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Referencias
[1] Intel anuncia que siemens utiliza su tecnologı́a para equipos de diagnóstico.
http://www.intel.com/cd/corporate/pressroom/EMEA/SPA/180963.htm. [29 de
septiembre de 2004].
[2] Wikipedia. http://es.wikipedia.org/.
[3] Luis
Calama
Rodrı́guez.
La
resonancia
http://web.usal.es/~ lcal/RESONANCIA%20MAGN%C9TICA.doc.
[4] Catálogo
de
la
empresa
http://www.boente.net/pdf/05-03.pdf.
“boente,
material
magnética.
médico”.
[5] Especificaciones
técnicas
de
un
tac
de
philips.
http://www.healthcare.philips.com/main/products/ct/products/ct_brilliance_64_chann
[6] Pliego
de
especificaciones
técnicas
del
servicio
extremeño
de
salud
para
la
adquisición
de
equipos.
http://www.saludextremadura.com/opencms/export/system/bodies/contenidos/SES/Contra
[7] Cuba Instituto Central de Investigación Digital, La Habana. Diseño de un electrocardiógrafo portátil. www.hab2001.sld.cu/arrepdf/00423.pdf.
[8] Caracterı́sticas
técnicas
de
un
tensiómetro
http://www.microlife.es/index.php?id=2632&pro_id=57.
microlife.
[9] Web de equipos médicos de philips. http://www.medical.philips.com/main/.
[10] Web de equipos médicos de philips. http://www.electronicspecifier.com/Micros/Logic-and-T
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