Microprocesadores para aplicaciones

medicas

Microprocesadores para comunicaciones

ETSI de Telecomunicacion

Himar Alonso Dıaz

Indice

1. Introduccion 3

1.1. Principales fabricantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2. Tendencias y consecuencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Equipos medicos electronicos 4

2.1. Uso del microprocesador en medicina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2. Analisis de algunos equipos que usan microprocesadores . . . . . . . . . . . 5

2.2.1. Resonancia magnetica, tomografıa computarizada y ecografıa . . . . 52.2.2. Rayos X: Fluoroscopia, radiografıa y radioterapia . . . . . . . . . . 82.2.3. El electrocardiografo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.4. El desfibrilador automatico externo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.5. El tensiometro digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3. Conectividad 12

4. Tecnologıa para el desarrollo de equipos medicos 13

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1. Introduccion

Durante los ultimos anos el uso de sistemas electronicos basados en microprocesadorhan supuesto un hito muy importante en la evolucion de la electronica y por ende, tambienen todos los ambitos en los que se emplean medios electronicos.

La medicina es sin duda uno de estos ambitos en los que gracias a la integracion delmicroprocesador hoy disponemos de equipos de diagnostico y tratamiento mas potentes,precisos y fiables, y a su vez menos invasivos y menos daninos para la salud del paciente.

En este trabajo he querido hacer un analisis de algunos de los equipos electronicosmas utilizados en medicina, caracterizarlos atendiendo al uso que necesitan hacer de losmicroprocesadores, y finalmente comentar algunas de las soluciones existentes en el mer-cado.

1.1. Principales fabricantes

Dependiendo del tipo –y sobre todo de la complejidad– del equipo al que nos refira-mos, nos encontraremos en general con un mercado muy amplio para pequenos aparatosmedicos (tensiometros, electrocardiografos,. . . ) y un mercado mucho mas reducido paraaparatos mas grandes y complejos (resonancias magneticas, rayos X,. . . ). Para este se-gundo grupo de aparatos medicos lideran el mercado las marcas de PhilipsR©, SiemensR©,ToshibaR©, General Electric HealthcareR©, y Varian, Medical SystemsR©, representadas enla Figura 1.

Figura 1: Principales fabricantes de equipos medicos

Tambien aparecen KodakR© y OlympusR©, que si bien no desarrollan grandes equiposelectronicos para aplicaciones medicas, los he incluido porque son los principales fabri-cantes de la tecnologıa optica que estos utilizan, ası como de otros equipos medicos devisualizacion como los endoscopios.

Figura 2: Principales fabricantes de microprocesadores empleados en aplicaciones medicas

Por otra parte, la tarea de buscar informacion sobre los microprocesadores que uti-lizan los distintos equipos medicos no es sencilla, dado que los fabricantes ofrecen muy

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poca informacion al respecto en los catalogos de sus productos. Curiosamente, son losfabricantes de microprocesadores quienes sı presumen de que una empresa quiera usar sutecnologıa para desarrollar equipos medicos [1].

En la Figura 2 se aprecia una lista con los principales fabricantes de los microproce-sadores que se emplean en equipos medicos. IntelR© es el preferido por las empresas paratareas de procesado de imagen, NEC R© y Texas InstrumentsR© incluyen nucleos ARMR© enmuchos de los chips que fabrican para este mercado, y finalmente para pequenas tareasde control se usan muchos microcontroladores de Microchip TechnologyR©.

1.2. Tendencias y consecuencias

De todo el conjunto de utiles y herramientas empleadas en la medicina para el diagnosti-co y tratamiento de enfermedades, aquellos que poseen sistemas electronicos integradostienden a controlarse mediante el uso de pequenos microprocesadores o microcontrolado-res. Esta idea se ilustra graficamente en la Figura 3.

Figura 3: Se tiende a controlar todos los equipos medicos mediante el uso de microproce-sadores

El abaratamiento de los circuitos integrados (y por tanto de los microprocesadores) hasido sin duda una de las razones mas importantes que han posibilitado este hecho. Comoresultado se tienen nuevos productos, mas precisos, mas fiables, y con nuevas funcionali-dades, que aportan mas informacion y de mas calidad al personal sanitario, contribuyendoen definitiva, a una mejor atencion al paciente.

2. Equipos medicos electronicos

En este apartado vamos a analizar algunos equipos concretos, para comprender sufuncionamiento y analizar aquellos problemas que se pueden resolver haciendo uso desistemas electronicos basados en microprocesador.

2.1. Uso del microprocesador en medicina

Los dos usos principales que tienen los microprocesadores en aplicaciones medicas son:

Procesado de control

Procesado de imagenes

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En la Figura 4 se muestra una grafica en la que se encuentran algunos de los aparatosmedicos mas utilizados en la actualidad, clasificados atendiendo al uso que hacen delprocesador1, si es para control o para imagenes, y atendiendo tambien a la complejidadde los calculos que se realizan.

Figura 4: Clasificacion de algunos equipos medicos segun sea el uso que hacen de sistemasbasados en microprocesador

El endoscopio es un instrumento en forma de tubo, que contiene una luz y una opticaque permite la visualizacion del interior de un organo hueco o una cavidad corporal,introduciendolo mediante un agujero natural o una pequena incision quirurgica [2]. Apesar de la complejidad que puedan tener los endoscopios mas modernos en la actualidad,en la grafica de la Figura 4 se ha incluido este instrumento como un ejemplo de un equipoelectronico que no utiliza microprocesador, para establecer un nivel de referencia.

2.2. Analisis de algunos equipos que usan microprocesadores

Una vez clasificados los distintos aparatos, a continuacion pasaremos a caracterizar ydescribir el funcionamiento cada uno de ellos.

2.2.1. Resonancia magnetica, tomografıa computarizada y ecografıa

Los equipos de resonancia magnetica, tomografıa computarizada y ecografıa se usan enmedicina para realizar distintos tipos de diagnosticos. El principio fısico de funcionamientode cada uno de ellos es diferente, pero todos tienen en comun que necesitan procesar lasimagenes que reciben para ofrecer al especialista que deba interpretarlas, una informacionprecisa y fiable. A continuacion se explica brevemente su funcionamiento:

La resonancia magnetica se basa en el principio fısico de la resonancia magnetica nu-

clear, y es posible gracias a que el cuerpo humano posee una gran cantidad de atomosde hidrogeno. Se introduce al paciente en el interior de un electroiman muy potente(Figura 5), de manera que los nucleos de los atomos de hidrogeno se orientan deacuerdo a las lıneas de fuerza del campo. Al aplicarles un estımulo de radiofrecuenciase mueven cambiando de orientacion. A este proceso se le llama resonancia.

1Naturalmente, un equipo de resonancia magnetica incluira igualmente microprocesadores dedicados

al control, pero en el analisis que estamos llevando a cabo tiene mayor relevancia la tarea de procesado

de imagenes.

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Figura 5: Resonador magnetico de PhilipsR©

Cuando cesa el estımulo de radiofrecuencia, dichos nucleos liberan energıa y vuelvena su situacion inicial. Este proceso se conoce como relajacion. Esta relajacion se mideen dos instantes de tiempo diferentes, y esas medidas van a influir en la formacionde la imagen. Las diferencias de densidad nuclear –del hidrogeno– en los tejidos ylos tiempos de relajacion distintos, determinan la intensidad de la senal.

La excitacion de los nucleos de la zona o region seleccionada, se efectua variandoligeramente el campo magnetico en dos planos al mismo tiempo. De este modo, soloel area seleccionada estara en resonancia [3].

La tomografıa computarizada es una exploracion de rayos X que produce imagenesdetalladas de cortes axiales (por eso tambien se le denomina tomografıa axial compu-

tarizada, bien TAC) del cuerpo.

Figura 6: TAC de SiemensR©

En lugar de obtener una imagen como la radiografıa convencional, la TAC obtienemultiples imagenes al rotar alrededor del cuerpo (Figura 6). Una computadora com-bina todas estas imagenes en una imagen final que representa una seccion transversaldel cuerpo.

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Las formulas matematicas para reconstruir una imagen tridimensional a partir demultiples imagenes axiales planas fueron desarrolladas por el fısico J. Radon, na-cido en Alemania en 1917. Tras sus trabajo las formulas existıan, pero no ası elequipo de rayos X capaz de hacer multiples cortes ni la maquina capaz de hacerlos calculos automaticamente. Hubo que esperar a la decada de los 70, cuando elbritanico G. H. Hounsfield se valio del desarrollo de la computacion para fabricarlas primeras TAC [2]. Estos datos historicos reflejan la importancia tan grande queha tenido la evolucion de los sistemas de computacion, y por tanto tambien losmicroprocesadores.

La ecografıa es otro aparato que sirve para obtener imagenes, basado en la emision yrecepcion de ultrasonidos que se reflejan en los organos internos (de ahı el prefijoeco), en la zona del cuerpo a explorar.

Figura 7: Ecografo 3D de PhilipsR© y antiguo ecografo 2D de HondaR©

Los ecografos tradicionales (en dos dimensiones, blanco y negro) no requieren muchoprocesado en comparacion con los aparatos de resonancia magnetica o de tomografıacomputarizada. Un claro ejemplo lo podemos ver en la Figura 7. En la ilustracionde la derecha se muestra un ecografo HondaR©HS-4000, que utiliza un procesadorIntelR©CeleronR© para la visualizacion de las imagenes [4]. En contraposicion a es-tos ecografos estan los que son capaces de mostrar imagenes en tres dimensiones.Dado que la informacion que reciben de los transductores es exctamente la misma

para ambos casos, la diferencia se halla en el procesado de la senal. Tambien cabemencionar los modernos ecografos basados en el efecto Doppler, cuyo volumen deinformacion a procesar es aun mayor.

Para el procesado de imagenes, los principales fabricantes utilizan los procesadores degama alta de IntelR© (vease la Figura 8), hasta el punto de que ninguna de las referenciasconsultadas hace alusion a otra marca [1] [4] [5].

Figura 8: Procesadores mas usados para el procesado de imagenes en aplicaciones medicas

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2.2.2. Rayos X: Fluoroscopia, radiografıa y radioterapia

El siguiente grupo de aparatos a analizar se caracteriza por la utilizacion de rayos

X, ya sea para para diagnostico o para tratamiento. En el tıtulo de esta seccion no semenciona la TAC porque encaja mejor en el grupo de equipos del apartado anterior, deprocesado de imagenes, pero todas las consideraciones que se hagan para maquinas derayos X son validas tambien para este dispositivo. Una vez hecho este matiz, pasemos aanalizar la funcion de cada uno de los aparatos mas empleados en radiologıa:

El fluoroscopio consiste en una fuente de rayos X y una pantalla fluorescente entre lasque se situa al paciente (Figura 9). Sin embargo, los fluoroscopios modernos acoplanla pantalla a un intensificador de imagen de rayos X y una camara de vıdeo, lo quepermite que las imagenes sean grabadas y reproducidas en un monitor [2].

Figura 9: Fluoroscopio de gran manejabilidad de SiemensR©

Dada la alta dosis de radiacion a la que se somete el paciente, en la actualidad lafluoroscopia se ha reemplazado por otras tecnicas de exploracion con una menorexposicion radiactiva para el paciente (por ejemplo la radiografıa), pero se sigueaplicando en determinadas operaciones y en el diagnostico de algunas patologıas.

La radiografıa es un procedimiento similar al de la fluoroscopia, pero en el que la ex-posicion del paciente a los rayos X es mınima, puesto que no se pretende observarimagenes en tiempo real, sino una unica muestra estatica (similar a una fotografıa)que queda impresa en una pelıcula fotografica [2]. Actualmente dichas impresionestienden a sustituirse por imagenes digitales con el fin de reducir la contaminacion(Figura 10).

Figura 10: Equipo de radiografıa digital de General Electric HealthcareR©

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La radioterapia es una forma de tratamiento basado en el empleo de rayos X. Se utilizaen oncologıa para eliminar las celulas neoplasicas, en la parte del organismo donde seapliquen (tratamiento local) [2]. La radioterapia actua sobre el tumor, destruyendolas celulas malignas y ası impide que crezcan y se reproduzcan. En la Figura 11 semuestra un acelerador lineal empleado en radioterapia.

Figura 11: Acelerador lineal para radioterapia de VarianR©

El principal problema de los equipos que trabajan con rayos X es que este tipo deradiacion es ionizante y por lo tanto dana los tejidos humanos expuestos a estos rayos.La mision principal de los sistemas basados en microprocesador en este caso consistira enminimizar todo lo que sea posible el tiempo de exposicion. Tambien es importante, elcontrol de la potencia y la frecuencia de emision (en los pliegos de especificaciones, loshospitales y servicios de salud requieren equipos de rayos X con frecuencia de emisioncontrolada por microprocesador [6]).

2.2.3. El electrocardiografo

Un electrocardiografo es un aparato que sirve para captar la actividad electrica delcorazon. A traves de unos electrodos que deben colocarse en determinadas zonas del pechola senal electrica se almacena y comunmente se imprime para que el especialista puedarealizar el diagnostico. En la Figura 12 se muestra un electrocardiografo comercial.

Figura 12: Electrocardiografo de Philips R©

De todos los aparatos descritos hasta ahora, el electrocardiografo es con diferencia elmas economico de todos. Es quiza por ello que muchas empresas lo fabrican, llegando

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en muchos casos a escatimar en prestaciones. Lo bueno de ello por otro lado es quees un instrumento muy ilustrativo a nivel didactico, para alguien que desee iniciarseen la electromedicina. En electronica analogica se utiliza como ejemplo practico del usode amplificadores diferenciales y amplificadores de instrumentacion2. Existen de hechomuchas publicaciones de diversas universidades, escuelas e institutos que han disenado supropio electrocardiografo. De todas las referencias, es de especial interes para este trabajouna de ellas [7] en la que se detalla el uso del microprocesador y los microcontroladoresempleados.

Figura 13: Esquema de los procesadores empleados para el diseno del electrocardiografo[7]

Como puede verse en la Figura 13 se utiliza un procesador principal IntelR©80C186XL

de 16 bits que se encarga de procesar la senal para la deteccion automatica de cardiopatıas,ası como dos microcontroladores MicrochipR©PIC16C74B-20 y PIC16C74B-04 de 8 bitspara el control de la impresora termica y el resto de perifericos, respectivamente.

2.2.4. El desfibrilador automatico externo

Un desfibrilador externo es un aparato que se utiliza para la reanimacion de pacientesque han sufrido una parada cardiaca debida a una fibrilacion ventricular. Cuando esoocurre, la actividad electrica normal del corazon que verıamos en un electrocardiogra-ma (Figura 14) tendrıa una forma completamente caotica como la que se muestra en laFigura 15 [2].

Figura 14: Senal electrica en un corazon sano

Solo en esos casos, en los que –se dice– existe fibrilacion ventricular procede aplicar alpaciente una descarga electrica determinada (o mas) para intentar corregir la actividadelectrica del corazon.

2Por ejemplo en la ETSI de Telecomunicacion de la ULPGC.

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Figura 15: Senal electrica cuando se produce fibrilacion ventricular

Sin embargo no siempre se tiene un electrocardografo a mano cuando una personasufre una parada cardiaca, para saber si el corazon esta fibrilando o no. Por ello en muchoslugares publicos se han instalado los desfibriladores externos automaticos (o DEA). Estetipo de aparatos estan indicados para ser utilizados por personal no sanitario en caso deemergencia (vease la Figura 16).

Figura 16: Desfibrilador automatico externo situado en un lugar publico

El reanimador debe unicamente seguir unas indicaciones auditivas de como y dondecolocar los electrodos al paciente. El DEA, provisto de un sistema microprocesador, detec-tara a traves de los electrodos si el paciente sufre o no fibrilacion ventricular y aplicara lasdescargas electricas, si procediera, al mismo tiempo que da instrucciones para que lareanimacion sea lo mas efectiva posible.

2.2.5. El tensiometro digital

Un esfigmomanometro, o tensiometro es un aparato para medir la tension arterial.Gracias a la existencia de los microcontroladores hoy en dıa todo el mundo puede tenerun tensiometro digital en su casa.

Es especialmente util para las personas con problemas vasculares o cardiacos que debanrevisarse la tension con relativa frecuencia. Sin embargo su fiabilidad ha estado siempre,y esta muy cuestionada.

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Figura 17: Tensiometro digital de MicrolifeR©

Tomemos como ejemplo el tensiometro que se muestra en la Figura 17. El fabricanteMicrolifeR©, nos indica en la hoja de caracterısticas del producto [8] que este dispositivoutiliza un microprocesador de 8 bits, y consigue con ello una precision de ±3mmHg.Comparando este dato con la precision que podrıa obtener un tecnico sanitario con unesfigmomanometro tradicional, vemos que es mas que suficiente, ya que normalmente eldato es significativo hasta las centenas. Es decir, si la tension indicada por el tensiometrode la Figura 17 es de 138/90mmHg, serıa igualmente valida la aproximacion 140/90mmHg(que por cierto corresponderıa con un caso de hipertension [2]).

En conclusion, si con un microprocesador de 8 bits se consigue una precision mas queaceptable, podemos descartar que la baja fiabilidad de estos aparatos se deba a la precisionde calculo. Probablemente tendra que ver con el modo de colocarlo, la profundidad delos vasos sanguıneos, o los sensores utilizados, pero no con el sistema de calculo ni con elmicroprocesador.

3. Conectividad

Para un hospital o un servicio sanitario que deba adquirir equipos medicos es tanimportante la calidad de los mismos, como el poderlos interconectar con el resto de equiposque forman la infraestructura hospitalaria. Nos referimos en general a equipos complejos,que trabajen con una gran cantidad de imagenes, etc.

Todos los hospitales modernos disponen de un sistema de archivo y transmision de

imagenes (abreviado PACS por las siglas en ingles: Picture archiving and communication

system). Serıa muy poco eficiente que cada equipo tuviera su sistema de almacenamientode imagenes, sobre todo a la hora de acceder a las mismas, clasificarlas, asociarlas aun historial clınico, etc. Normalmente se dispone de un PACS donde toda la informacionesta centralizada y todas las maquinas se conectan a este mediante los distintos protocolos

de interconexion.

Figura 18: Algunos estandares de conectividad empleados en equipos de medicina

En aplicaciones medicas los protocolos mas usados son DICOM, que trabaja a nivelde aplicacion sobre TCP/IP [2] y el IHE. Es tan importante que los aparatos medicos

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dispongan de estos estandares de conectividad, que los principales fabricantes se encargande especificarlo claramente cuando anuncian un producto [9].

4. Tecnologıa para el desarrollo de equipos medicos

Algunos fabricantes de microprocesadores y de sistemas digitales tambien poseen kits

de desarrollo orientado a la creacion de aplicaciones medicas. Un buen ejemplo de estoskits lo encontramos en la placa de desarrollo OMAP-35X de Texas InstrumentsR© de laFigura 19 [10].

Figura 19: Placa de desarrollo OMAP-35X de Texas InstrumentsR©

De manera similar a otros sistemas de desarrollo de la misma empresa, como porejemplo los DaVinci, el OMAP-35X incluye varias tecnologıas en una misma placa: unprocesador ARMR© Cortex A8, un DSP TMS320C64x, un motor para graficos 2D/3D,aceleradores de video, una pequena pantalla TFT, y varios interfaces de entrada/salida.

A los fabricantes de microprocesadores les interesa crear este tipo de kits, ya que losdesarrolladores que lo utilicen, seran probablemente sus futuros clientes.

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Referencias

[1] Intel anuncia que siemens utiliza su tecnologıa para equipos de diagnostico.http://www.intel.com/cd/corporate/pressroom/EMEA/SPA/180963.htm. [29 deseptiembre de 2004].

[2] Wikipedia. http://es.wikipedia.org/.

[3] Luis Calama Rodrıguez. La resonancia magnetica.http://web.usal.es/~lcal/RESONANCIA%20MAGN%C9TICA.doc.

[4] Catalogo de la empresa “boente, material medico”.http://www.boente.net/pdf/05-03.pdf.

[5] Especificaciones tecnicas de un tac de philips.http://www.healthcare.philips.com/main/products/ct/products/ct_brilliance_64_channel/

[6] Pliego de especificaciones tecnicas del servicio ex-tremeno de salud para la adquisicion de equipos.http://www.saludextremadura.com/opencms/export/system/bodies/contenidos/SES/Contratac

[7] Cuba Instituto Central de Investigacion Digital, La Habana. Diseno de un electro-cardiografo portatil. www.hab2001.sld.cu/arrepdf/00423.pdf.

[8] Caracterısticas tecnicas de un tensiometro microlife.http://www.microlife.es/index.php?id=2632&pro_id=57.

[9] Web de equipos medicos de philips. http://www.medical.philips.com/main/.

[10] Web de equipos medicos de philips. http://www.electronicspecifier.com/Micros/Logic-and-TI

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