Implementación de sistema de bajo costo para la monitorización de signos vitales basado en redes de periodo largo en fibra óptica

La medicina es un campo en la que las innovaciones son constantes. Cada año surgen nuevas técnicas e instrumentos con los que facilitar la tarea médica. Con esta premisa y tras estudiar profundamente todas las posibilidades, es remarcable la necesidad de un dispositivo con la capacidad de medir las constantes vitales en pacientes que harán uso de la técnica de imagen mediante Resonancia Magnética (MRI, por sus siglas en inglés, Magnetic Resonance Imaging). Ya existen algunos dispositivos basados en fibra óptica, pero sus componentes y producción tienen un coste elevado. La finalidad del presente trabajo es diseñar y desarrollar un dispositivo funcional basado en un sensor de fibra óptica, incrustada en una cinta elástica, de tal forma que se puedan medir las constantes vitales de frecuencia cardíaca y frecuencia respiratoria, y que este dispositivo sea más barato que las opciones actuales. En este documento, se presenta el proceso de desarrollo del instrumento, desde la adquisición de información mediante distintos artículos académicos hasta la fase de prototipado y prueba, con las respectivas señales obtenidas y las ventajas e inconvenientes que ha presentado cada diseño. Cabe incidir que este trabajo, enfocado únicamente en el diseño y obtención de señales vitales, se presenta de la mano de mi compañera Ariana Molinos Rodríguez [1], la cual ha centrado sus esfuerzos en procesar y obtener información de las señales obtenidas con cada prototipo. Con el fin antes expuesto, se ha llevado a cabo una metodología bien diferenciada que ha constado de 4 fases: Al principio, la recopilación de documentación, tanto de parámetros biomédicos de interés como su medición mediante fibra óptica. Seguidamente, se estudió las distintas fibras ópticas que se podían usar, llegando a la conclusión que lo óptimo sería mediante redes de periodo largo de fibra óptica (LPGs), todo ello mediante un láser sintonizable y un analizador de espectros (OSA), así como un programa en MATLAB que los programase a antes y recopilase las mediciones. Lo siguiente fue el diseño de la pieza óptima para introducir en ella la fibra óptica encontrada, de forma que la protegiese, pero permitiendo la medición de los parámetros de interés. El último paso fue probar el prototipo y obtener las señales, así como implementar mejoras en el prototipo en función de los fallos detectados. Tal y como se demuestran en las sucesivas figuras, mediante el prototipado diseñado se obtienen unas señales brutas que corresponden con las señales fisiológicas deseadas. Sin embargo, hay ciertos aspectos que este trabajo no cubre, como son la extracción de información a partir de esas señales. Por tanto, el diseño es interesante y potencialmente útil, pero necesita mayor madurez que no se le ha podido dar por falta de tiempo y recursos.

Yet today, there are many fields in medicine where significant improvements can be made. Taking into account this, and after an extensive research, it’s been clear that’s necessary to develop a Magnetic Resonance Imaging (MRI)-compatible device to measure vital signs such as respiratory rate and heart rate. There are some options already developed, but none of them are both affordable and standardizable. The aim of the present document is to design and prove a functional device based on fiber-optic technology embedded in an elastic band with particular emphasis on low cost and reliable functionality for measuring respiratory rate and heart rate. Instrument’s development process is presented here, from acquisition of information through multiples research papers, to prototyping and testing phase, with the respective signals obtained and pros and cons from each device designed. It should be noted that this work only focuses on physical implementation of the instrument and obtaining a coherent signal. To obtain the desired parameters from the raw signals, the need to process the signals arises, which is the work of my colleague Ariana Molinos Rodríguez [1]. To the end previously described, a differentiated methodology has been carried out in 4 steps: Firstly, the compilation of academic documentation, both biomedical parameters of interest and their measurement by means of fiber optics. Next, the different possible optical fibers to be used in the prototype were studied, concluding that the optimum would be by means of Long Period Gratings (LPGs), all using a tunable laser and an optical spectrum analyzer (OSA), as well as a MATLAB script that programmed them beforehand and compiled the measurements. Next step was to design the optimal shape for introducing the optical fiber in it, to protect it, but still allow the measurement of the parameters of interest. Finally, the prototype was tested, and signals were obtained. With this data, some improvements were implemented in some new pieces. As shown in the following figures, the designed prototyping yields raw signals that correspond to the desired physiological signals. However, there are certain aspects that this work does not cover, such as the extraction of information from these signals. Therefore, the design is interesting and potentially useful, but it needs more maturity, which has not been possible due to lack of time and resources.