Sensores de Saturación de Oxigeno

Sensores de saturación de oxigeno

NOMBRE(S)

Fotocolorímetro  o espectrofotómetro de absorción y pulsioxímetro.

Definición y descripción del transductor fotocolorímetro.

Fotocolorímetros es una técnica de comparación de mediciones en la cual se comparan las mediciones de dos caminos. El principio de este sensor se basa en un punto isosbéstico en la comparación de la absorción de luz que pasa por la sangre oxigenada y desoxigenada, en las cuales se utilizan dos sensores los cuales cambia su parámetro  o bien autogeneran un voltaje según la luz que se le induce.

Formas y materiales de fabricación del fotocolorímetro.

Entre las diferentes formas de este sensor está compuesto  como se muestra en la figura 1-1, en esta configuración el fotocolorímetro utiliza celdas fotoconductoras (fotoresistores), estos dispositivos cambiaran su conductividad cuando son iluminados, estando construidos con silicio, germanio, sulfuro de cadmio o selenio. Siendo estos elementos fotosensibles.

En este circuito se utilizan dos fotoresistores en un puente de Wheatstone los cuales son iluminados de igual manera por una fuente de luz calibrada, entre la fuente de iluminación y uno de los sensores se coloca un filtro óptico de una longitud de onda de  800 nm, mientras que en el otro sensor se coloca una muestra de sangre. Como se muestra en el circuito de puente de Wheatstone un potenciómetro R5 sirve de balance para obtener un voltaje de salida (Vo) a cero, cuando ambos sensores tengan la misma iluminación el voltaje de salida será cero cuando R2/R1=R4/R3.

Figura 1-1: Fotocolorímetro con fotoresistores en arreglo de puente de Wheatstone.

Otra representación de este sensor es el circuito de la figura 1-2, este circuito parece es más sencillo que el anterior ya que está compuesto por menos elementos. En este circuito son utilizadas dos celdas fotovoltaicas que están compuestas por una unión P-N de un material semiconductor fotosensible entre dos electrodos, uno de ellos se encuentra cubierto con un material anti-reflejante y transparente. Al incidir una luz provocara generara un voltaje de salida.

De igual manera que el circuito de la figura 1-1, un filtro óptico es colocado entre la fuente de luz y uno de los sensores, mientras que para el otro sensor es colocado la muestra de sangre que se analizara. La señal de salida será obtenida de un amplificador diferencial  colocado al final de las celdas fotovoltaicas.

Figura 1-2: Fotocolorímetro usando celdas fotovoltaicas.

Definición y descripción del transductor pulsioxíometro.

El pulso oximetría es una medida no invasiva de la saturación de oxígeno en la sangre (SpO2). Se utilizan dos luces son longitudes de onda distintas para medir la diferencia real entre los espectros de absorción de HbO2 y Hb. El flujo sanguíneo es afectado por la concentración de HbO2 y Hb, y sus coeficientes de absorción usando dos longitudes de onda, 660nm (espectro de luz roja) y 940nm (espectro de luz infrarroja). Las hemoglobinas oxigenada y desoxigenada absorben diferentes longitudes de onda. La hemoglobina desoxigenada (Hb) tiene una absorción mayor a 660nm y la hemoglobina oxigenada (HbO2) tiene una absorción mayor a 940nm.

Formas y materiales de fabricación del pulsioxímetro.

Un fotodetector en el sensor percibe la luz no absorbida de los LEDs. Esta señal se invierte mediante un amplificador operacional inversor (OpAmp). Esta señal representa la luz que ha sido absorbida por el dedo y es dividida en un componente a DC y un componente a AC. El componente a DC representa la absorción de luz del tejido, sangre venosa, y sangre arterial no pulsátil. El componente a AC representa la sangre en la arteria pulsátil, en la figura 2-1 se muestra su circuito y en la figura 2-2 se puede observar la forma del transductor físicamente.

Figura 2-1: Circuito práctico del pulsioxímetro.

Figura 2-2: Forma comercial del pulsioxímetro.

Fundamentos teóricos de operación: Bases físicas, mecánicas, químicas, etc.

Las células corporales necesitan oxígeno para realizar la respiración aeróbica. La respiración es una de las maneras clave en que una célula gana energía útil. La energía liberada en la respiración se utiliza para sintetizar el trifosfato de adenosina (ATP) a ser almacenado.

La energía almacenada en ATP puede utilizarse para impulsar procesos que requieren energía, incluyendo biosíntesis, locomoción o transporte de moléculas a través de las membranas celulares.

El transporte de oxígeno se realiza a través del sistema circulatorio, la sangre desoxigenada entra al corazón donde se bombea a los pulmones para ser oxigenada, en el proceso de oxigenación, la sangre pasa a través de los alvéolos pulmonares donde el intercambio gaseoso (difusión) ocurre. El dióxido de carbono (CO2) se libera y la sangre se oxigena, después se bombea la sangre de regreso a la aorta.

Los glóbulos rojos tienen una proteína llamada hemoglobina. Cuando el oxígeno reacciona con ésta proteína, se une a ella y genera oxihemoglobina (HbO2).

Los glóbulos rojos con hemoglobina oxigenada circulan en la sangre por todo el cuerpo, irrigando tejidos. Cuando la sangre entra en contacto con una célula, la hemoglobina de los glóbulos rojos libera oxígeno y se convierte en desoxihemoglobina (Hb). A este punto, la sangre sin oxígeno regresa a la aurícula derecha del corazón para repetir el proceso.

Cabe mencionar que en la sangre también transporta carboxihemoglobina que se trata del tipo de molécula resultante de la unión del monóxido de carbono con la sangre cuya función es la de catalizar la proteína. Los niveles normales en sangre son menores al 2%. También se encuentra la metahemoglobina que se produce cuando el hierro presente en la hemoglobina se oxida, convirtiéndose en oxido férrico. Esta forma alterada de hemoglobina representa menos del 1% de los glóbulos rojos presentes en la sangre.

Al estudiar este tipo de sensores ópticos es necesario hablar de un ley importante que está involucrada que es la ley de Beer-Lambert, cuando se pasa un rayo de luz monocromática de intensidad inicial I0 a través de una solución en un recipiente transparente, parte de la luz es absorbida de manera que la intensidad de la luz transmitida I es menor que I0. Ocurre alguna disminución en la intensidad de la luz por dispersión de las partículas o reflexión en las interfaces, pero principalmente por absorción de la solución

La relación entre I e I0 depende de la longitud del medio absorbente, i, y de la concentración de la solución absorbente, c. estos factores se hallan relacionados en la ley de Lambert y Beer.

Ley de Lambert: cuando un rayo de luz monocromática pasa a través de un medio absorbente, su intensidad disminuye exponencialmente a medida que la longitud del medio absorbente aumenta.

Ley de Berr: cuando un rayo de luz monocromática pasa a través de un medio absorbente, su intensidad disminuye exponencialmente a medida que la concentración del medio absorbente aumenta.

 

 Ley de Beer-Lambert

La base de la medición de saturación de oxígeno en la sangre es la absorción de las diferentes longitudes de onda de luz que pasan por una sustancia, debido a que cada sustancia tiene una diferente absorción de longitud de onda se puede realizar una comparación de esta propiedad para determinar en este caso la saturación de oxígeno en la sangre.

Por medio del tono de rojo de la sangre se puede determinar su oxigenación. La sangre oxigenada que lleva la arteria (HbO2) es más roja que la sangre desoxigenada que lleva la vena (Hb). La figura 1-3 muestra el espectro  de absorción de la luz por la sangre según su longitud de onda.

Figura 1-3: Espectro de absorción de luz de la sangre.

Para los dos tipos de sangre a una longitud de onda de la luz de 800nm presentan la misma absorción de luz. Este punto se denomina punto isosbéstico. La comparación de la propiedad de absorción de la luz a una longitud de 800nm indica el contenido en la sangre.

La saturación de oxígeno en la sangre (SaO2) es el parámetro que se utiliza para expresar la cantidad de hemoglobina oxigenada (HbO2) respecto a la total (HbO2 + Hb) que hay presente en el cuerpo de un ser vivo. En otras palabras, describe el grado de capacidad de transporte de oxígeno en sangre.

De una manera más precisa: si únicamente tenemos en cuenta las hemoglobinas funcionales, es decir, las que son capaces de transportar oxígeno entre los capilares pulmonares y el resto del cuerpo, podemos expresar este concepto en función de las hemoglobinas oxigenada y desoxigenada.

Concretamente, la formulación anterior corresponde a la definición de la saturación se oxigeno arterial (SaO_2), siendo HbO₂ la hemoglobina oxigenada y Hb la hemoglobina desoxigenada.

Los medidores de saturación de oxigeno es una medición relativa no absoluta. Indica la relación entre la cantidad de HbO2. y el total de Hb presente

Fotocolorimetro

En los sensores de saturación de oxígeno en la sangre fotocolorimetro se utiliza un filtro a una longitud de onda de 800nm entre la fuente de luz y un sensor óptico, la cual proporcionara una salida fija o una salida de referencia, en la cual se supone que el nivel de absorción  de la sangre debería estar a esa longitud de onda.

Para obtener una salida proporcional al contenido de oxigeno es necesario la utilización de dos sensores para la comparación de la absorción de la luz, uno se utiliza un filtro entre el sensor y una fuente de luz, el otro sensor se utiliza una muestra de sangre. La señal de salida debe ser diferencial entre la salida de voltaje que generen ambos sensores (pasivo o activo). El grado de saturación de oxígeno en la sangre se ve reflejada por este voltaje diferencial.

Pulsioxímetro.

El oxímetro de pulso monitorea la saturación de hemoglobina arterial (SpO2) basándose de absorción diferencial de luz que ayuda a determinar el porcentaje de saturación de oxigeno es determinada usando los principios de espectrofotometría, mediante un sensor que consiste de leds y un fotodetector. Los led emiten dos longitudes de onda específicos, rojo de 660nm e infrarrojo de 910nm, estas ondas de luz son emitidas a través de tejido.

Características: Ventajas y desventajas.

Ventajas

•          Es lineal en ciertas sustancias

•          Simplicidad de diseño.

•          La cantidad de material utilizado es generalmente muy pequeño.

•          No depende de mucho tiempo para poder obtener un resultado.

•          Sencillo de utilizar.

•          Es muy sensible.

•          Poco porcentaje de error, 2%.

Desventajas

•          Cuando el polvo cubre los espejos del espectrofotómetro, el rendimiento del dispositivo se degrada.

•          Es sensible a la temperatura, lo que puede alterar resultados.

•          En el espectrofotómetro no se puede reemplazar un solo espejo, ya que trabajan en pareja, se deben reemplazar ambos, lo que es más costoso.

Función de transferencia:

Para poder cuantificar la variación inherente en el método del pulsioximetro se observó una respuesta a un 5% de la función escalón generada en un simulador. La figura 3-1 muestra los resultados obtenidos con 5 pruebas de valores de entrada idénticos.

Figura 3-1. Grafica obtenida al aplicarle una entrada escalón.

Se puede observar que la respuesta al escalón resulto en función rampa. Esto se describe en la siguiente ecuación (1).

                                                

 Ecuación 1.

Esto nos lleva a la siguiente función de transferencia con una respuesta en amplitud-frecuencia mostrada en la figura 3-2.

Figura 3-2. Respuesta en amplitud-frecuencia del pulsioximetro.

Graficando los polos se observa que el sistema es críticamente estable.

Ejemplos de aplicación.

•          Preparación de muestras. La mayoría de las muestras clínicas (sangre, orina) contienen una gran cantidad de componentes, además del que se quiere analizar. Los resultados del análisis sólo tendrán sentido si se da lectura a fondo de la muestra. Y esto se obtiene mediante el uso de controles adecuados.

•          Temperatura. Las medidas cinéticas utilizan enzimas para catalizar las reacciones de sustancias con colores intensos. Las reacciones enzimáticas son altamente dependientes de la temperatura. Por lo tanto es necesario usar controles isotérmicos cuando se realizan dichos ensayos. Si esto se lleva a cabo en el colorímetro, se debe tener cuidado para asegurar que la temperatura de la mezcla no se vea afectada por el calor producido en la cámara de muestras.

•          Inhibidores. Las reacciones enzimáticas están sujetas inhibición competitiva o la acción de distintos inhibidores conduciendo a diminuciones aparentes en la actividad medida o la concentración del desconocido. Por lo tanto es extremadamente importante eliminar esas interferencias o incluir controles apropiados durante el examen.

•          Determinación de hemoglobina en la sangre. Debido a que las hemoglobinas oxigenadas y desoxigenadas, carboxihemoglobina y derivados de la hemoglobina tienen diferentes espectros de absorción, la absorción de un tipo específico de hemoglobina, así como la capacidad de unión al oxígeno, puede determinarse midiendo la relación de absorción (A) en dos longitudes de onda diferentes (por ejemplo, A562: A540 para carboxihemoglobina y A560: A506 o A650: A825 para la capacidad de unión al oxígeno)

•          Una de las aplicaciones más comunes se encuentra en la determinación de concentración de proteína. La determinación por colorimetría de la totalidad de proteína de suero por la reacción de Biuret todavía se utiliza en muchos laboratorios clínicos.

Bibliografía

•          MEDICAL DEVICES AND INSTRUMENTATION Second Edition Volume 2. John G. Webster

•          Bioinstrumentation John G. Webster First Edition