Método para obtener Ia frecuencia cardiaca y Ia frecuencia respiratoria en básculas electrónicas pesa-personas

Sector de Ia técnica

Instrumentación de medida y control

Estado de Ia técnica

La participación de cada persona en el cuidado de su propia salud es esencial en una política sanitaria basada en Ia prevención, y también para reducir costes en las fases postoperatorias o en los cuidados necesarios en enfermedades crónicas. Una manera de fomentar dicha participación es mediante Ia prescripción de ejercicio físico, por ejemplo en casos de obesidad. Dicho ejercicio debe realizarse siempre dentro de unos límites de esfuerzo, determinados por Ia frecuencia cardiaca máxima recomendada. En el caso de pacientes con cardiopatías, Ia medición de Ia frecuencia cardiaca y del peso corporal puede revelar Ia existencia de acumulación de líquidos en el pulmón e insuficiencia cardiaca.

La medida de parámetros fisiológicos con intención de diagnóstico está reservada al personal médico cualificado. No obstante, hay varios instrumentos comerciales de uso simple que permiten informarse sobre algún parámetro importante (peso corporal, frecuencia cardiaca), para tener un conocimiento aproximado de Ia condición física y motivar para su mantenimiento y mejora. Las básculas pesa- personas, en sus versiones de baño y para uso en lugares públicos, cumplen las condiciones de simplicidad de uso, comodidad, fiabilidad, ausencia de riesgos para el usuario y bajo coste, necesarias para poder ser utilizadas de forma autónoma por un número muy grande de personas.

Por sus cualidades, las básculas pesa-personas han sido desde hace muchos años objeto de perfeccionamientos que permitieran obtener más información que

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el simple peso corporal. Ya en 1938 se propuso una báscula mecánica con un indicador de aguja (giratoria) para el peso y otro indicador combinado con el primero y soportado por un par de muelles helicoidales capaces de detectar los latidos y que hacían oscilar un disco que interrumpía un rayo de luz de modo que su proyección a través de un sistema óptico adecuado se hacía visible al observador (Patente US 2,141 ,246).

Más recientemente, se ha propuesto estimar Ia composición corporal del cuerpo mediante Ia medida de Ia impedancia eléctrica basal (patente US 6,370,425 B1),que exige Ia adición de dos o cuatro electrodos conductores a Ia plataforma de pesada convencional de Ia báscula, o en unas asas en básculas con columna. A través de estos electrodos se inyecta una pequeña corriente alterna y se miden diferencias de potencial a partir de las cuales se calculan los parámetros que permiten estimar el porcentaje de grasa y de agua en el cuerpo. Esta inyección de corrientes, aunque minúsculas, es contraindicada para personas con dispositivos electrónicos implantados y durante el embarazo.

La detección de parámetros cardiovasculares partiendo de Ia báscula como interfaz para el usuario se ha venido basando en Ia adición de nuevos sensores que permitieran reducir el tiempo de medida, pues se miden varios parámetros a Ia vez, y el coste, por cuanto en una báscula con tales adiciones hay varios elementos mecánicos y electrónicos comunes, aunque los sensores para cada magnitud sean distintos. Así, por ejemplo, se ha propuesto incorporar en básculas electrónicas sensores de frecuencia cardiaca, temperatura, presión sanguínea, gasto cardiaco, altura y composición corporal (patente WO98/13674), y también temperatura plantar, presión sanguínea (medida en el brazo), frecuencia cardiaca, glucosa en Ia sangre y oxígeno en Ia sangre (patente WO01/89367). Cuando, además del peso, sólo se desea conocer Ia frecuencia cardiaca, puede ser suficiente añadir un sensor de infrarrojos o un par de electrodos (patente US2006/0116589 A1). También se puede detectar el electrocardiograma (ECG) con los mismos electrodos empleados para medir Ia impedancia basal a partir de Ia cual se estima Ia composición corporal (patente US2007/0021815 A1). Una

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alternativa más simple para detectar Ia frecuencia cardiaca cuando se dispone de electrodos en Ia plataforma es detectar las pequeñas fluctuaciones que experimenta Ia impedancia basal medida entre los pies y que son debidas a Ia circulación de sangre por las piernas (propuesta de patente española P200502670).

El interés que tiene Ia información sobre el sistema cardiovascular, y Ia facilidad y comodidad de uso que tiene una báscula para Ia mayoría de las personas, ha motivado Ia propuesta de soluciones basadas en una plataforma mecánica, tal como una báscula. Una propuesta genérica (patente WO94/06348) es detectar las fluctuaciones del peso debidas a Ia fuerza que hace el corazón al impulsar Ia sangre, mediante un elemento transformador T, tal como un transductor de galgas extensiométricas, o un cristal o una cerámica piezoeléctrica que registre los movimientos del soporte (S) donde se coloca el sujeto. La señal detectada es después amplificada (A), para presentar el peso y procesarla más, obteniendo su derivada (D), generando pulsos (X) cada uno de los cuales corresponda a uno de los cambios rápidos de peso detectados, y obtener así información de Ia frecuencia cardiaca; también se propone integrar (I) Ia señal de salida del amplificador A para obtener el volumen de embolada. Para el transductor T, en dicha patente se comenta que puede ser interesante emplear varios transductores separados, de manera que uno de ellos detecte el peso de Ia persona y otro transductor distinto detecte los cambios en el peso. Esta solución sería una versión electrónica de Ia báscula mecánica de Ia patente US 2,141 ,246, donde hay dos detectores mecánicos: uno para el peso y otro más sensible que detecte los cambios de peso debidos al latido cardiaco. En Ia patente WO94/06348, también se considera preferible el uso de un transductor para el peso (galgas extensiométricas) y otro para las variaciones de peso (elemento piezoeléctrico), cuando Ia señal del transductor de peso es empleada para alterar Ia frecuencia de un oscilador y a partir de dicha frecuencia se deriva Ia indicación de peso.

El empleo de un solo transductor dispuesto en un elemento elástico que soporte Ia plataforma de Ia báscula, tal como se indica en Ia figura 3a de Ia patente

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WO94/06348, complementada con Ia figura 2 de Ia misma patente, tiene Ia dificultad de que las fluctuaciones del peso debidas al latido son tan minúsculas que, incluso después de amplificar Ia señal del transductor para obtener una indicación del peso, las variaciones de dicha señal debidas al latido son difícilmente perceptibles; además, el proceso de derivación matemática, que realza todas las componentes de alta frecuenta, incluidas las del ruido aportado por el amplificador, hace todavía más difícil Ia percepción de dichos cambios minúsculos de fuerza.

Por otra parte, es sabido que Ia respiración modula en mayor o menor grado Ia amplitud de todas las señales del sistema cardiovascular. Por Io tanto también debe afectar a las fluctuaciones del peso de una persona que esté sobre una báscula o una plataforma mecánica sujeta mediante soportes elásticos. La observación de estos cambios de amplitud en el ECG es prácticamente tan antigua como Ia electrocardiografía, pero no se conocen antecedentes sobre su observación en las fluctuaciones de peso debidas al latido cardiaco.

Descripción de Ia invención

La presente invención consiste en medir Ia frecuencia cardiaca y Ia frecuencia respiratoria de un sujeto situado sobre una báscula de baño electrónica, a partir de Ia señal que dan las células de carga u otro sensor o sensores electrónicos (1) dispuestos para medir el peso de Ia persona, mediante el filtrado paso alto (2) de Ia señal procedente de dichos sensores seguido de amplificación de alta ganancia (3) y posterior procesamiento electrónico (5) para almacenar (6), presentar (7) o comunicar (8) los resultados, de forma conjunta o separada, con independencia de Ia amplificación de Ia señal de pesada (4) (ver Ia figura 1).

La figura 2 muestra una posible realización del método de Ia figura 1. El procesamiento electrónico para obtener Ia frecuencia cardiaca puede ser un filtrado paso bajo (10) de Ia señal obtenida con el filtro paso alto (2) y amplificada

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(9), seguido de una segunda amplificación de menor ganancia (11) y comparación con un umbral de tensión que evolucione de forma proporcional al valor medio de Ia señal de salida de este segundo amplificador (11). Cuando Ia amplitud de Ia señal doblemente amplificada supera dicho umbral, se genera un pulso que corresponde a un latido.

Para obtener Ia frecuencia respiratoria a partir de las fluctuaciones de Ia amplitud de Ia señal de salida del segundo amplificador, se puede desmodular dicha señal de forma síncrona con el latido, empleando para ello los pulsos que produce el comparador de tensión, y filtrar paso bajo Ia salida del desmodulador.

La figura 3b muestra Ia señal obtenida con esta realización, junto con una señal de referencia (ECG, figura 3a) obtenida con medios adicionales, no incluidos en esta invención, con el propósito de ilustrar Ia coincidencia entre las fluctuaciones de fuerza detectadas y dicha señal de referencia. La figura 3c muestra el tren de pulsos obtenidos mediante Ia comparación de Ia señal de fluctuación de peso filtrada y el umbral de tensión. Las fluctuaciones de los picos de Ia figura 3b (también apreciables en Ia figura 3a), son debidas a Ia respiración.

La figura 4 (superior) muestra Ia señal obtenida al desmodular con los pulsos de Ia figura 3c, Ia señal 3b. La figura 4 (inferior) es una señal proporcional a Ia respiración obtenida a partir de los cambios de perímetro transversal del tórax al respirar, y se muestra sólo como referencia. Se puede ver Ia gran coincidencia que hay entre Ia señal obtenida a partir de Ia báscula y esta señal de referencia.

La aplicación del método descrito en Ia figura 2 de Ia patente WO94/06348, donde primero se amplifica Ia señal y después se somete a distintos algoritmos de procesamiento, no permite reconocer siquiera las fluctuaciones de fuerza a simple vista, en contraste con Ia señal que se muestra en Ia figura 3b y obtenida con el método descrito en esta invención. Esto es debido a que Ia señal que dan los sensores de Ia báscula como respuesta al peso del sujeto, es tan grande que Ia

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ganancia del amplificador (4) debe ser muy inferior a Ia ganancia del amplificador (3) empleado en el método propuesto en esta invención.

Descripción de las figuras

Figura 1 : bloquel - corresponde al sensor electrónico que lleva Ia propia báscula para realizar Ia pesada; bloque 2 - es un filtro de paso alto que rechaza Ia señal que corresponde al peso y permite el paso de las fluctuaciones de peso; bloque 3 - es un amplificador de muy alta ganancia; bloque 4 - es el amplificador de pesada; bloque 5 - procesador electrónico de las señal de pesada y de Ia señal de fluctuaciones de peso; bloque 6 - memoria electrónica; bloque 7 - visualizador; bloque 8 - interfaz de comunicación.

Figura 2: bloque 1 - corresponde al sensor electrónico que lleva Ia propia báscula para efectuar Ia pesada; bloque 2 - filtro de paso alto con una frecuencia de corte de, por ejemplo, 0,1 Hz, que no deje pasar Ia señal relacionada con el peso, pero sí las fluctuaciones debidas al latido cardiaco; bloque 9 - amplificador de alta ganancia; bloque 10 - filtro de paso bajo, por ejemplo con frecuencia de corte de 10 Hz, para limitar el ruido; bloque 11 - amplificador de baja ganancia.

Figura 3: el eje horizontal corresponde al tiempo en segundos; a) Trazado del electrocadiograma que permite reconocer en b) las fluctuaciones de fuerza debidas al latido, que son detectadas por un circuito comparador de tensión para dar un impulso breve c) cada vez que se detecta un latido.

Figura 4: el eje horizontal corresponde al tiempo en segundos. Parte superior: señal proporcional a las fluctuaciones de amplitud de las variaciones de fuerza detectadas por el sensor electrónico de Ia báscula a cada latido. Parte inferior: variaciones del diámetro transversal del tórax obtenidas con un sensor que ofrece una señal de referencia para saber Ia frecuencia respiratoria.

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