Șef. lucr. dr. Ing. Corneliu Nicolae DRUGĂ [308899]

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV

Facultatea de Design de Produs și Mediu

PROIECT DE DIPLOMĂ

Absolvent: [anonimizat] :

Prof. dr. ing. Ileana Constanța ROȘCA

Șef. lucr. dr. Ing. Corneliu Nicolae DRUGĂ

Brașov

2017

[anonimizat]

2017

[anonimizat].

[anonimizat], de a ajuta la buna funcționare a corpului sunt și semnele vitale; acestea reprezintă funcții fiziologice măsurate în vederea identificării stării de sănătate a unui pacient/subiect/persoană. [anonimizat] a unor evenimente ce încetinesc procesul de însănătoșire.

Funcțiile vitale ale corpului uman sunt temperatura (măsurată cu ajutorul unui termometru), frecvența pulsului (măsurată cu ajutoul unui pulsoximetru), frecvența respiratorie (măsurată cu ajutorul unui spirometru) și tensiunea arteriala (măsurată cu ajutorul unui tensiometru); ele se mai numesc și “observații”, datorita scopului lor de a [anonimizat] o [anonimizat]. [anonimizat].

[anonimizat]: un pulsoximetru ( utilizat pentru măsurarea frecvenței pulsului și a saturației de oxigen din sânge), un spirometru ( utilizat pentru măsurarea volumului de aer care intră și iese din organism/ frecvența respiratorie), [anonimizat]/EMG ce are rolul de a confirma funcționalitatea pulsoximetrului. [anonimizat]-[anonimizat] o tabletă sau un Smartphone.

Scopul acestui sistem inteligent este de asemenea de a [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat]/dispozitive medicale ce asigură o mai ușoară și rapidă măsurare a funcțiilor vitale.

[anonimizat].

[anonimizat], [anonimizat]. These are physiological functions measured in order to identify a patient / subject / person's health condition. Measuring these parameters is particularly important for monitoring the patient's progress as well as to rapidly determine events that slow down the recovery process. The vital signs of the human body are temperature (measured with a thermometer), pulse frequency (measured with a pulse oximeter), respiratory rate (measured with a spirometer) and blood pressure (measured with a sphygmomanometer); they are also called "observations" because of their purpose to observe the patient, although this denomination involves a wider range of measurements, it's not limited to the four parameters.

This paper aims to develop an intelligent system that integrates several medical devices used to measure some of the vital signs, namely: a pulse oximeter (used to measure pulse rate and oxygen saturation in the blood), a spirometer (used to measure the volume of air that enters and exits the body / respiratory frequency), to which an ECG / EMG module is added to confirm the pulse oximeter functionality. The results of the measurements will then be displayed through the Arduino software on the PC monitor and later transmitted via Bluetooth or Wi-Fi to a tablet or Smartphone.

The purpose of this intelligent system is also to facilitate the need for home patients, with vital information being immediately passed on to the doctor or caregiver. It is also useful in hospitals because it reduces normal measurement time.

This system is just a prototype and it can be further improved, both aesthetically and functionally. Also, several medical elements / devices can be added to provide a simpler and quicker measurement of vital functions.

CUPRINS

LISTĂ FIGURI ȘI TABELE

Fig. 1.1 – Pulsoximetru [4]

Fig. 1.2 – Tensiometru [5]

Fig. 1.3 – Spirometru [6]

Fig. 1.4 – Tensiometru cu pulsoximetru [7]

Fig. 2.1 – Structura peretelui inimii [13]

Fig. 2.2 – Structura inimii și vasele mari de sânge adiacente [15]

Fig. 2.3 – Arborele vascular [19]

Fig. 2.4 – Marea și mica circulație [20]

Fig. 2.5 – Structura sistemului respirator [22]

Fig. 2.6 – Reprezentarea plămânilor: plămânul drept-fața externă (a); plămânul stâng – fața mediastinală(b) [14]

Fig. 2.7 – Legăturile dintre plămâni și inimă [10]

Fig. 3.1 – Aritmia; ritmul normal și anormal al inimii [27]

Fig. 3.2 – Arteroscleroza: Arteră normală (a); Artera la arteroscleroză (b) [30]

Fig. 3.3 – Cardiopatia ischemică [32]

Fig. 3.4 – Astmul bronșic: Bronhiole normale (a); Bronhiole la astmatici (b) [35]

Fig. 3.5 – Pneumonie [40]

Fig. 3.6 – Tromboembolismul pulmonar [45]

Fig. 3.7 – Edem pulmonar [47]

Fig. 4.1 – Absorbția Hb și HbO2 în funcție de lungimea de undă [48]

Fig. 4.2 – Absorbția luminii (1 – absorbție datorată pulsațiilor sângelui arterial și absorbție datorată non pulsatiilor sângelui arterial, 10 – absorbție datorată sângelui venos, 100- Absorbție datorată pielii, oaselor, țesuturilor). [50]

Fig. 4.3 – Acțiunea celor 2 diode luminoase asupra degetului [51]

Fig. 4.4 – Pulsoximetru de mână [52]

Fig. 4.5 – Pulsoximetru de deget [53]

Fig. 4.6 – Acțiunea de inspirație/expirație [58]

Fig. 4.7 – Parametrii spirometriei [3]

Fig. 4.8 – Principiul înregistrării voumelor, utilizând un spirometru clasic [55]

Fig. 4.9 – Măsurarea volumelor pulmonare [60]

Fig. 4.10 – Măsurarea presiunii arteriale prin metoda palpatorie [3]

Fig. 4.11 – Dispozitiv de măsurare a tensiunii (tensiometru) semiautomat digital [64]

Fig. 4.12 – Dispozitiv automat de măsurare a tensiunii [65]

Fig. 4.13 – Dispozitiv de măsurare a tensiunii situat la încheietura mâinii [3]

Fig. 5.1 Schema electrică utilizată pentru realizarea pulsoximetrului [66]

Fig. 5.2 Schema electrică a pulsoximetrului realizat

Fig. 5.3 Pulsoximetrul realizat complet

Fig. 5.4 Placa Arduino UNO [67]

Fig. 5.5 Software-ul Arduino

Fig. 5.6 Măsurarea pulsului folosind pulsoximetrul realizat

Fig. 5.7 Apariția valorilor măsurătorilor

Fig. 5.8 Variația semnalului corespunzător măsurătorilor

Fig. 5.9 Senzor de presiune BMP180 [71]

Fig. 5.10 Senzorul de presiune conectat la placa Arduino

LISTĂ SIMBOLURI ȘI PRESCURTĂRI

EKG – Electrocardiogramă;

EMG – Electromiogramă;

C – Grade Celsius;

SMURD – Serviciul Mobil de Urgență, Reanimare și Descarcerare;

kg – Kilogram;

O2 – Oxigen;

CO2 – Dioxid de carbon;

pH – Hidrogenul potențial;

µ – Literă din alfabetul grecesc, utilizată pentru diverse notații;

mm – Milimetri;

mmHg – Milimetri coloană de mercur;

LEC – Lichide extracelulare;

D – Debit circulator;

P – Presiuea sângelui;

R –Rezistența la scurgere;

s – Secundă;

PA– Presiunea arterială;

cm – Centimetri;

HTA – Hipertensiune arterială;

bpm – Bătăi pe minut;

g – grame;

HIV – Virusul imunodeficienței umane;

SIDA – Sindromul imunodeficienței dobândite;

PaO2 – Presiunea parțială a oxigenului;

PaCO2 – Presiunea parțială a dioxidului de carbon;

TEP –Tromboemmolism pulmonar;

EPA – Edem pulmonar;

l – litru;

ml – mililitri;

Hb – Hemoglobina redusă;

HbO2 – Hemoglobina oxidată;

SaO2 / SpO2 – Saturația de oxigen;

LED – Diodă emițătoare de lumină;

µat, µav, µaa – Coeficienți de absorbție a stratului de țesut fără vărsare de sânge;

R – Roșu;

IR – Infraroșu;

TA – Tensiunea arterială;

VEMS – Volum expirator maxim pe secundă;

VC – Volum curent;

MRV – Volum respirator de repaus;

VER – Volum expirator de rezervă;

VIR – Volum inspirator de rezervă;

CV – Capacitate vitală;

VR – Volum rezidual;

CPT – Capacitate pulmonară totală;

CI – Capacitate inspiratorie;

CFR – Capacitate funcțională reziduală;

VEMS (FEV1) – Volum expirator maxim pe secundă;

DVMM – Debit ventilator maxim pe minut;

IPB – Indice de permeabilitate bronșică;

PEF – Debit expirator instanntaneu maxim;

P – Presiune;

V-Volum;

kΩ – Kiloohm;

KB – Kilobyte;

hPA – Hectopascal;

nm – nanometri;

V – Volt;

USB – Universal Serial Bus.

1.INTRODUCERE

Semnele vitale reprezintă funcții fiziologice măsurate în vederea identificării stării de sănătate a unui pacient. Măsurarea acestor parametri este deosebit de importantă în vederea monitorizării evoluției bolnavului, precum și în determinarea rapidă a unor evenimente ce încetinesc procesul de însănătoșire.

Funcțiile vitale ale corpului uman sunt temperatura (măsurată cu ajutorul unui termometru), frecvența pulsului (măsurată cu ajutoul unui pulsoximetru, confirmată prin utilizarea modulului EKG), frecvența respiratorie (măsurată cu ajutorul unui spirometru) și tensiunea arteriala (măsurată cu ajutorul unui tensiometru); ele se mai numesc și “observații”, datorita scopului lor de a observa pacientul, cu toate că această denumire implică o gamă mai largă de măsurători, nu se limiteaza doar la cei patru parametri. [1] Pentru identificarea fiecărui parametru menționat mai sus, există un dispozitiv care realizează măsurătorile necesare.

Această lucrare are ca scop realizarea unui sistem inteligent care să integreze câteva dispozitive medicale pentru măsurarea funcțiilor vitale, și anume: un pulsoximetru ( utilizat pentru măsurarea frecvenței pulsului și a saturației de oxigen din sânge), un spirometru ( utilizat pentru măsurarea volumului de aer care intră și iese din organism/ frecvența respiratorie), la acestea adăugându-se un modul EKG/EMG ce are rolul de a confirma funcționalitatea pulsoximetrului. Rezultatele măsurătorilor vor fi apoi afișate prin software-ul Arduino pe monitorul PC-ului și transmise ulterior prin Bluetooth sau Wi-Fi către o tabletă sau un Smartphone.

Lucrarea conține opt capitole, împărțite în subcapitole, fiecare cuprinzând figuri, tabele și explicații referitoare atât la anatomia corpului uman, în ceea ce privește semnele vitale, cât și la descrierea și realizarea echipamentelor necesare pentru efectuarea măsurătorilor.

În capitolele II și III, sunt descrise câteva noțiuni de anatomie pentru sistemul cardio-vascular, precum și pentru cel respirator, urmat de fiziopatologia acestor sisteme, mai exact bolile ce pot apărea la nivelul lor.

Capitolul IV este reprezentat de o descriere generală, incluzând și un scurt istoric, a celor 3 dispozitive medicale, după care, în capitolul V urmează realizarea circuitelor aferente dispozitivelor pe placa de test. În capitolul următor, se descrie integrarea echipamentelor medicale într-un sistem inteligent și rezultatele obținute în urmă măsurătorilor pe diferiți subiecți.

În capitolul VII se prezintă concluziile pe care le-am obținut în urma analizării măsurătorilor efectuate, iar ultimul capitol cuprinde referințele bibliografice pe care le-am utilizat pentru realizarea acestui proiect de diplomă.

Dezvoltarea acestui proiect de diplomă a fost susținută financiar de către Universitatea Transilvania din Brașov, ca urmare a HCA nr. 17 din 22.12.2016.

Stadiu actual. Telemedicină

În acest capitol, se va descrie câte un scurt istoric al fiecărui dispozitiv cu ajutorul căruia se pot măsura parametrii vitali ai ființei umane.

Deși realizarea pulsoxiemtrului nu a fost pusă în pracitcă până în anul 1930, studiile asupra sângelui și asupra radiației infraroșii, precum și conexiunea dintre cele două, a început mult mai devreme. În anul 1860, s-a descoperit că hemoglobina, substanța colorată a sângelui, este de asemenea și purtătoarea acestuia de oxigen (proteina fiind o proteină aflată în legătură cu globulele roșii ale sângelui). În același timp, s-a observat faptul că absorbția luminii vizibile de către o soluție cu hemoglobină variază în funcție de oxigenație. Cu toate acestea, primele dispozitive care să măsoare saturația de oxigen din sânge utilizând radiația în infraroșu au fost realizate în 1930. Acestea nu aveau capabilitatea de a distinge venele de arterele sistemului circulator. Pentru a rezolva această situație, au fost încercate două metode: prima, de a aduce la zero oximetrul prin luare unei citiri “fără sânge” de la lobul urechii compresat între două degete, și a doua, de a face mai vizibile arterele prin încălzirea sângelui la 43C. În orice caz, lumina transmisă prin ureche sau deget este atenuată în primul rând de piele, ale cărei pigmentare și proprietăți de absorbție variază de la om a om, iar în al doilea rând de alte țesuturi, oase, mușschi etc.[2]

Tensiometrul a fost creat prima oară în anul 1896 de către medicul italian Scipione Riva Rocci. Ideea acestui chirurg a fost de a concepe un dispozitiv, menit să îl ajute să măsoare semnele vitale ale pacientului aflat pe masae operație, pornind de la un recipient cu mercur (“călimară”), un tub și o pompă de aer. Un astfel de echipament și de control îi permitea să prelungească sau să scurteze intervenția chirurgicală, în funcție de reacțiile particulare are fiecărui pacient, reducându-se semnificativ rata mortalității, care era destul de ridicată la vremea respectivă în timpul operațiilor. Medicul și-a denumit aparatul “sfigmomanometru”, termen derivat din cuvântul grecesc “sphygmus”, care înseamnă puls. Utilizarea acestui dispozitiv a fost îmbunătățită de medicul rus Nikolai Sergueievitch Korotkov, un pionier al chirurgiei vasculare. El a adăugat dispozitivului creat de Rocci un stetoscop ce permitea ascultarea, cu mai multă precizie, a zgomotelor arterei brahiale. Din acest motiv, zgomotele care se aud la măsurarea presiunii arteriale se numesc “zgomotele lui Korotkov”. Această noutate adusă aparatului a permis realizarea primelor măsurători extrem de exacte cu ajutorul cărora s-a putut diagnostica hipertensiunea (tensiunea arterială crescută). Alte îmbunătățiri ale echipamentului au fost aduse de către neurochirurgul american Williams Harvey Cushing, considerat cel mai mare neurochirurg al secolului al XX-lea și, de asemenea, părintele neurochirurgiei moderne.[3]

Spirometrul a fost conceput în anul 1846, când John Hutchinson a descoperit o metodă de a determina volumul pulmonar, astfel putând fi detectate și cuantificate bolile care afectează sistemul respirator. În scolul XX, diverse experimente au fost realizate pe pacienți de vârstă, sex și greutate diferită, rezultând în acest mod valori ale debitului respirator maxim.[3]

Termometrele sunt utilizate pentru măsurarea temperaturii corpului, aceasta putând fi măsurată în gură, subraț, în ureche, rectal și chiar și la suprafața corpului.

Temperatura, precum și măsurarea acesteia sunt concepte fundamentale ale termodinamicii, istoria tensiometrei aflându-se în strânsă legătură cu cea a termodianmicii. Între anii 1952-1953, Galileo Galilei construiește un termoscop, adică un aparat ce indica variațiile de temperatură prin variația volumului unei mase de aer aflată (închisă într-un balon). Cu toate acestea, pentru a deveni termometre, termoscoapele trebuiau să fie prevăzute cu o scală gradată. Noțiunea de “termometru” a apărut prima data în limba franceză (“thermomètre”) în anul 1624, într-o lucrare în care este descris un asemenea echipament prevăzut cu o scară cu 8 gradații, deși aceste probleme de gradare erau mult mai vechi.[4]

În prezent, pe piață există dispozitivele meționate mai sus realizate separat, cât și un sistem care combină un pulsoximetru cu un tensiometru. În imaginile de mai jos, sunt prezentate câteva imagini ale echipamentelor:

Fig. 1.1 Pulsoximetru [5] Fig. 1.2 Tensiometru [6]

Fig. 1.3 Spirometru [7] Fig. 1.4 Tensiometru cu pulsoximetru [8]

Importanța acestui proiect constă în faptul că, prin utilizarea acestui sistem integrat, valorile măsurătorilor parametrilor vitali vor fi obținute mult mai rapid și, de asemenea, va fi un proces mai ușor, nefiind necesar să se aplice mai multe dispozitive medicale pe corpul pacientului. De asemenea, prezintă o importanță deosebita în caz de accidente, datorita ușurinței cu care se vor putea efectua măsurătorile parametrilor vitali. Este potrivit pentru deținerea în ambulanțe și în avioanele SMURD.

Scopul acestui sistem inteligent este de asemenea de a facilita nevoie pacienților aflați la domicilu, informațiile vitale putând fi transmise imediat doctorului sau persoanei ce se ocupă de îngrijirea lor. De asemenea, este folositor și în cadrul spitalelor, deoarece reduce timpul de măsurare normal.

Acest proiect poate fi cu ușurință integrat în domeniul telemedicinii, aceasta reprezentând utilizarea telecomunicației și a tehnologiei informației pentru asigurarea stării de sănătate clinică a pacienților de la distanță. Această ramură a medicinii a fost creată pentru îmbunătățirea serviciilor medicale, în special în mediile rurale, acolo unde nu există posibilitatea continuă de a vizita un doctor. Este, de asemenea, utilizată pentru salvarea bolnavilor aflați în stare critică sau urgențe. [9]

Un aspect important al telemedicinii îl constituie posibilitatea comunicării dintre pacient și doctor, precum și transmiterea informațiilor, măsurătorilor și imaginilor medicale de pe un site pe altul. Este cu siguranță unul dintre elementele fundamentale ale secolului XX. [9]

2. ELEMENTE DE ANATOMIE

În capitolele următoare, vor fi descrise câteva noțiuni de anatomie referitoare atât la sistemul cardio-vascular, cât și la cel repirator.

2.1 Sistemul cardio-vascular

Sistemul cardio-vascular reprezintă unul dintre cele mai complexe sisteme ale corpului uman, el cuprinzând câteva dintre elementele fundamentale pentru funcționarea organismului, și anume: [10], [11]

inima – sursa principală de energie care se consumă pentru asigurarea circulației sângelui;

funcționează ca o pompă;

sângele – este un fluid esențial pentru menținerea vieții, având rolul de a transporta

substanțe nutritive prin organsimul uman;

arterele – formează sistemul de distribuție a sângelui;

venele – funcționează ca niște rezervoare ce colectează sângele, pentru a-l aduce înapoi la

inimă.

2.1.1 Inima

Inima reprezintă organul central al aparatului cardiovascular. Este un organ cavitar, situat în mediastin; ea nu are o poziție mediană între cele două regiuni pleuro-pulmonare, iar în mod normal, trei sferturi din ea sunt deplasate spre stânga. A fost comparată de medicul francez Laënnec cu un pumn, având un diametru antero-posterior de 14-16 cm, un diametru transversal de 12-15 cm și o circumerință maximă de 25 cm. Greutatea inimii este aproximativ de 300 de grame; toate aceste date diferă și pot varia în funcție de vârstă, dimensiunile organismului și, evident, de o posibilă boala/patologie care să afecteze corpul uman. [12]

Suprafața exterioară a inimii este traversată de adâncituri care evidențiază aproape de realitate realitate separațiile între cavitățile inimii. Peretele inimii este gros și format din trei tunici de la exterior spre interior, după cum urmează: [13]

Pericardul acoperă inima în întregime, este constituit dintr-o învelitoare fibro-seroasă formată din două foi așezate una peste cealaltă. Foaia externă este conectată la organele toracice și cea internă este lipită pe inimă;

Miocardul este învelitoarea musculară, constituită din fibre musculare striate, ramificate;

Endocardul – denumit și tunica internă a inimii este o membrană subțire, netedă, transparentă care căptușește cavitățile inimii – un epiteliu subțire îmbracă interiorul celor patru camere ale inimii.

Fig. 2.1 Structura peretelui inimii [14]

Inima este formată din două părți aproape simetrice care nu comunică între ele deși sunt foarte strâns legate una de cealaltă: inima dreaptă – conține doar sânge neoxigenat și inima stângă – conține sânge oxigenat. Interiorul fiecărei părți este, la rândul ei, subdivizată în două cavități: un ventricul și un auricul. [13]

Rolul principal al auriculelor este acela de rezervoare. Forma lor este aproape cubică, cu pereți subțiri, la baza acestora găsindu-se orificiul auriculo-ventricular; pe celelalte fețe se găsesc orificiile venelor (cavă superioară și inferioară pentru auriculul drept, pulmonare pentru auriculul stâng).

Ventriculele acționează ca veritabile pompe în care pereții musculari se contractă și se relaxează cu o anumită cadență. Au pereți groși și formă conică cu vârful orientat în jos, iar bazele au două deschideri. Comunicarea ventricului cu auriculul este asigurată de cea mai mare deschidere sau orificul auriculo-ventricular. Aceste orificii dintre auricule și ventricule sunt prevăzute cu valve (sau supape) cu rolul de a împiedica sângele să se întoarcă în auricul. Ele poartă numele de tricuspidă pentru partea dreaptă și mitrală pentru partea stângă.

Celelalte deschideri din baza ventriculelor sunt orificii arteriale (valve sigmoide): pentru aortă în partea stângă, cu valva aortică și pentru artera pulmonară în partea dreaptă, cu valva pulmonară. Valvele sigmoide împiedică refluxul sângelui în ventricule după expulzare. [15]

Fig. 2.2 Structura inimii și vasele mari de sânge adiacente [16]

Inima este vascularizată de două artere, denumite coronare dreaptă și stângă care se ramifică din aortă. Venele care se numesc, de asemenea, coronare nu sunt omoloage arterelor, ele ajungând direct în auriculul drept. [15]

Câteva dintre funcțiile îndeplinite de inimă sunt: [11]

– funcția cronotropă (ritmicitatea) – definește frecvența cardiacă și ritmicitatea bătăilor inimii;

– funcția dromortopă (conductibilitate) –abilitatea de a conduce stimulii generați la nivel cardiac;

– funcția batmotropă (excitabilitatea) – proprietatea de a răspunde la stimuli printr-un potențial de acț;

– funcția inotropă (contractilitatea) – capacitatea inimii de a răspunde la stimuli printr-o contracție;

– funcția tonotropă (tonicitatea) – capacitatea celulelor cardiace de a menține un tonus contractil bazal.

2.1.2 Sângele

Sângele este un fluid esențial al organismului uman, el găsindu-se în spațtiul intravascular și reprezentând 8% din greutatea corporală. Cu aproximație, un adult de 70 de kg are în corp 5l de sânge, deși acest lucru diferă foarte mult de greutatea fiecărui individ.

Sângele este alcătuit dintr-o parte fluidă, plasma, și din celule sau elemente figurate. Plasma conține carbohidrați, aminoacizi, proteine, lipide, săruri minerale și ocupă mai mult de jumătate din volumul total al sângelui. Elementele figurate sunt reprezentate de: [17]

Eritrocite sau hematii (globulele roșii) – sunt cele mai numeroase și au funcția de a transporta oxigenul;

Leucocite (globule albe) – se regăsesc într-un număr mai mic de 700 de ori decât cel al hematiilor și sunt responsabile de distrugerea elementelor străine. Un alt tip de celule sanguine albe este reprezentat de limfocite, acstea având rolul de a oferi imunitate față de bolile infecțioase;

Trombocite sau plachete – sunt cele mai mici elemente figurate și au un rol esențial în coagularea sângelui.

Acest lichid esențial are un rol fundamental în realizarea mai multor funcții, precum:[18]

– funcția respiratorie (transportul de O2 și de CO2);

– funcția excretorie (transportul produșilor de catabolism);

– funcția nutritivă (participă la transportul grăsimilor, glucidelor, aminoacizilor);

– funcția hemostatică;

– participă la termoreglare;

– funcția de autoapărare prin anticorpi;

– menținerea echilibrului hidroelectrorilitic și al pH-ului.

Culoarea roșie a sângelui se datorează hemoglobinei din eritrocite; sângele oxigenat, care pleacă de la inimă, are o culoare roșie vie dată de concentrația mare de oxihemoglobină, în timp ce sângele venos, care se întoarce la inimă, ce conține hemoglobină redusă are o culoare roșie violacee. O proprietate importantă pentru circulația sângelui este vâscozitatea care trebuie menținută în limite normale pentru o funcționare optimă a inimii. [18]

2.1.3 Arborele vascular

Arborele vascular este format din câteva componente fundamentale: [13]

– artere – sunt vase prin care sângele încărcat cu O2 și substanțe nutritive circulă dinspre inimă spre țesuturi și organe;

– capilare – vase cu calibru foarte mic, interpuse între artere și vene, fiind intermediare în schimbul de substanțe dintre sânge și diferite țesuturi;

– vene – prin care sângele încărcat cu CO2 este readus la inimă.

Fig. 2.3 Arborele vascular [20]

Structura arterelor și venelor

Arterele și venele au în structura pereților lor trei tuncici suprapuse, care de la exterior spre interior sunt: adventiția, meia și intima. Calibrul arterelor scade de la inimă spre periferie, cele mai mici fiind arteriolele, care se continuă cu capilarele. [19]

Adventiția este alcătuită din țesut conjunctiv și conține fibre elastice și de colagen. În structura adventiției arterelor există vase mici de sânge care hrănesc peretele vascular și care pătrund în tunica medie; acest lucru se întâmplă și la vene. Pe lângă cele două tipuri de fibre menționate, mai există în adventiție și fibre nervoase vegetative, cu rol vasomotor.

Media sau tunica mijlocie are o structură diferită, ce variază în funcție de calibrul arterelor. La arterele mari – de tip elastic, media este formată din lame elastice cu dispoziție concentrică, rare fibre musculare netede și țesut conjunctiv. În arterele mijlocii și medii – de tip muscular, mdia este groasă și conține fibre musculare netede, printre care se regăsesc și fibre de colagen și elastice.

Intima (endoteliu) sau tunica internă este formată dintr-un rând de celule endoteliale turtite, dispuse pe o membrană bazală. Intima este continuată de endocardul ventriculilor.

În cazul arterelor, între cele 3 tunici se află membrane elastice: membrana elastică internă, ce separă intima de medie și membrana elastică externă, ce separă media de adevntiție.

Peretele venelor, a căror calibru crește de la perfierie spre inimă, este format din aceleași trei tunici ca și la artere, cu câteva deosebiri: cele două membrance elastice lipsesc, deci cele trei tunici nu sunt bine delimitate, tunica mijlocie a venelor este mai subțire, în schimb adventiția este mai groasă, țesutul muscular neted al venelor este mai redus. Intima de la nivelul venelor este continuată de endocardul atriilor.

În venele dispuse sub nivelul inimii, locul în care sângele circulă în sens opus gravitației, endoteliul acoperă din loc în loc valvule cu forma unui cuib de rândunică, cu rolul de a fragmenta și de a direcționa coloana de sânge.

Structura capilarelor

Capilarele sunt vase sanguine distribuite în toate țesuturile și organele; ele au o capacitate mult mai mică. Componentele din care se formează aceste vase de sânge sunt:

– la exterior un periteliu – format dintr-un țesut conjunctiv ce conține fibre de colagen și reticulină, locul prin care se insră fibrele nervoase;

– o membrană bazală – bogată în mucopolizaharide și fibre de reticulină;

– la interior un endoteliu – format dintr-un singur rând de celule turtite.

În ficat și în glandele endocrine există capilare de tip special, (capilare sinusoide), ce au un calibru mult mai mare, peretele întrerupt din loc în loc, lucru ce favorizează schimburile, nu au periteliu și au un lumen neregulat, prezentând dilatări și strâmtorări.

Spre deosebire de capilarele răspândite în țesuturi și organe care au un calibru de 4-12µ, cele sinusoide au unul mult mai mare de 10-30µ.

Mica și marea circulație

În structura arborelui vascular, există două teritorii de circulație:

-circulația mică (pulmonară);

-circulația mare (sistematică).

Circulația mică începe în ventriculul drept prin trunchiul arterei pulmonare, ce transportă sânge cu CO2 spre plămân. Dupa câțiva centrimetri, trunchiul pulmonar se împarte în cele două artere pulmonare care duc sângele cu CO2 spre rețeaua capilară perialveolară unde-l cedează alveolelor care-l elimină prin expirație. Sângele cu O2 este colectat de venele pulmonare, câte două pentru fiecare plămân. Cele patru vene pulmonare sfârșesc în atriul stâng.

. Circulația mare începe în ventriculul stâng prin artera aortă care transportă sângele cu O2 și substanțele nutritive spre țesuturi și organe. De la nivelul acestora, sângele încărcat cu CO2 este preluat de cele două vene cave (superioară și inferioară) și transportat în atriul drept. [13]

Fig. 2.4 Marea și mica circulație [21]

Circulația capilară permite adaptarea continuă la nevoile metabolice. În repaus, majoritatea capilalelor sunt închise, ele deschizându-se când crește nevoia de sânge în organul respectiv, în momentul intensificării activității.

2.1.4 Presiunea arterială

Presiunea arterială sau tensiunea arterială este presiunea exercitată de sânge asupra peretelui vascular, rezultată din contracția regulată a inimii.

Sângele circulă în vase sub o anumită presiune care depășește presiunea atmosferică cu 130 mmHg în timpul sistolei ventriculare stângi (presiunea arterială maximă sau sistolică) și cu 80 mmHg în timpul diastolei (presiune arterială minimă sau diastolică). Între aceste valori se situează presiunea arterială medie, de 100 mmHg. [13]

Factorii determinanți ai presiunii arteriale

Principala cauză a presiunii sângelui este activitatea pe care o are inima de pompă, ce realizează debitul cardiac. De asemenea, un alt factor important este reprezentat de rezistența periferică pe care sângele o întalnește la curgerea sa prin vase (cea mai mare rezistență se întâlnește la nivelul arteriolelor și capilarelor). În momentul în care sâgele străbate zone cu rezistențe crescute, acesta pierde o mare parte din energia sa, lucru ce se constată din căderile de presiune sangvină întâlnite dincolo de aceste zone. Sângele pătrunde în arteriole cu o presiune medie de 90 mmHg și le părăsește cu o presiune de 30 mmHg. Presiunea de intrare în capilare este de 30 mmHg și de ieșire de 10 mmHg. Rezistența la scurgere se datorează frecării dintre straturile paralele de lichid circulant, fenomen ce poartă numele de vâscozitate. Datorită vâscozității, straturile de sânge aflate în centrul vasului curg mult mai repede decât cele din apropierea peretelui. Cu cât vasul este mai îngust și mai lung, cu atât rezistența pe care o opune curgerii sângelui este mai mare. [13]

Un alt factor important al presiunii sângelui este volemia – volumul sangvin circulant. Acesta variază concordant cu variația lichidelor extracelulare (LEC). În scăderi ale volumului LEC, scade și volemia și se produce o scădere a presiunii arteriale (hipotensiune); în creșteri ale LEC, crește volemia și se produce o creștere a presiunii arteriale (hipertensiune).

Presiunea sângelui mai depinde și de elasticitatea arterelor, care scade cu vârsta, determinând, la bătrâni, creșteri ale presiunii sangvine.

Între debitul circulant, presiunea sângelui și rezistența la scurgere există relații matematice. Debitul este direct proporțional cu presiunea și invers proporțional cu rezistența :

D=P/R (2.1)

Viteza sângelui în artere, ca și presiunea, scade pe măsură ce ne îndepărtăm de inimă. În aortă, viteza este de 500 mm/s, iar în capilare de 0,5 mm/s, deci de o mie de ori mai redusă. Aceasta se datorează creșterii suprafeței de secțiune a teritoriului capilar, de o mie de ori față de a aortei.

Pulsul arterial reprezintă o expansiune sistolică a peretelui arterei datorită creșterii bruște a presiunii sângelui. Viteza de propagare a undei pulsatile este de 10 ori mai mare decât viteza sângelui.[12]

Mărimile caracteristice presiunii arteriale sunt:

– PA sistolică – valoarea maximă a presiunii în cadrul unui ciclu cardiac, corespunzând sistolei ventriculare, depinzând de forța de contracție și volumul corespunzător bătăii ventriculului stâng; valoarea normală este între 100-140 mmHg;

– PA diastolică – valoara minimă în cadrul unui ciclu cardiac, corespunzând sfârșitului diastolei ventriculare, depinzând de rezistența periferică opusă de sistemul arterial; valoarea normală este între 60-90 mmHg;

– PA medie (efectivă) – înlocuiește valorile instantanee (sitolică și diastolică) cu o valoare unică, la care s-ar realiza același debit circulator în condițiile în care curgerea nu ar fi pulsatila, ci continuă; presiunea medie poate fi aproximată cu relația:

PAm = PAd + (PAs – PAd) / 3 (2.2)

– PA diferențială (presiunea pulsului) – diferența dintre PA sistolică și PA diastolică;

– Hiperetensiune arterială (HTA) – definită de creșterea persistentă a valorilor presionale, peste 160 mm Hg pentru PA sistolică și 95 mm Hg pentru PA diastolică, indiferent de vârstă; valorile persistente între 140-160 mm Hg PA sistolică și 90-95 mm Hg PA diastolică caracterizează “hipertensiunea de graniță”

2.2 Sistemul respirator

Respirația este o funcție vitală a corpului uman, având rolul de a asigura schimbul bidirecțional de gaze dintre organism și aerul atmosferic; acest proces se desfășoară ciclic și în mod continuu. Prin respirație se aduce O2 din mediul extern și se furnizează celulelor, iar CO2 rezultat din metabolismul celular se elimină în atmosferă. [22]

Respirația prezintă două componente:

– respirația externă – reprezintă schimburile de gaze dintre plămâni și atmosferă;

– respirație internă sau tisulară – se referă la utilizarea O2 în reacțiile de oxidoreducere de la nivel celular.

Fig. 2.5 Structura sistemului respirator [23]

Sistemul respirator cuprinde: [24]

-tractul respirator – cuprinde porțiunile de conducere a aerului și porțiunile respiratorii din plămâni unde are loc schimbul gazos;

-structuri implicate în mișcările respiratorii: cutia toracică cu mușchii respiratori, diafragmul, chemoreceptori și centri nervoși.

Aparatul respirator (tractul) este format din căile respiratorii – un sistem de tuburi ce realizează legătura dintre mediul extern și plămâni – sediul schimburilor gazoase.

Din punct de vedere funcțional, sistemul respirator poate fi împărțit în două regiuni principale:[24]

– o porțiune conducătoare formată din: cavitatea nazală, nasofaringe, trahee, bronhii, bronhiole și bronhiole terminale; această zonă este responsabilă de condiționarea aerului inspirat (controlul vitezei de circulație a aerului,filtrare, umidifiere și încălzire) și de testarea proprietăților aerului prin receptorii din mucoasa olfactivă.

– o porțiune respiratorie, locul schimburilor gazoase, formată din bronhiole respiratorii, ducte alveolare și alveole.

Din punct de vedere anatomic, căile respiratorii se împart în două categorii: [24] [25]

– căile aeriene de conducere extrapulmonare – cuprind:

– cavitățile nazale – filtrează și încălzesc aerul inspirat; mucoasele rețin majoritatea particulelor cu dimensiuni mai mari de 10-8 din aerul inspirat;

– faringe – reprezintă o încurcișare a căilor digestive prin esofag și respiratorii prin laringe;

– laringe – este susținut de cartilagii dintre care cel mai dezvoltat este cartilajul cricoid (mărul lui Adam); laringele generează vocea prin coardele vocal;

– traheea – este un tub de 12 cm lungime, menținut de vreo 20 de inele cartilaginose, ce leagă laringele la bronhii. Mucoasa traheii dispune de o rețea foarte deasă de vase capilare prin care se încălzește aerul inspirat până la temperatura corpului;

– bronhiile mari până la hilul pulmonar – sunt formate din inele cartilagionoase. Cele două bronhii principale pătrund în plămânul corespunzător la nivelul hilului și acolo se ramifică în bronhiole cărora le urmează canalele alveolare ce ajung până la alveolele pulmonare.

– căi aeriene de conducere intrapulmonare – bronhiile intrapulmonare și bronhiolele care se divid repetat în interiorul plămânilor.

2.2.1 Plămânii

Cei doi plămâni (stâng și drept) reprezintă, de fapt, organele respiratorii propriu-zise în care au loc schimburile de gaze dintre organsim și mediul extern. Ei se situează în cavitatea toracică de o parte și de alta a mediastinului.

Mediastinul este un sept sagital delimitat anterior de peretele sternocostal, posterior de coloana vertebrală și lateral de fețele mediene plămânilor, iar inferior de diafragm. În mediastin se găsesc mai multe organe și părți fundamentale ale corpului uman: inima și vasele mari, aorta, esofagul, canalul toracic, nervii vagi, ganglionii limfatici și traheea. [25]

Plămânii au o formă asemănătoare cu cea a unui trunchi de con și prezintă: [16]

– o bază – denumită și fața diafragmatică; are forma unui suprafețe triunghiulare concave și se mulează pe bolta diafragmului;

– un vârf – cu forma unei bolte rotunjite; se întinde de la coasta a doua în sus, depășind orificiul superior al cutiei toracice. Fața costală este convexă, mulându-se pe peretele toracic. Pe aceasta, se găsește un șanț (scizura sau fisura interlobară) ce împarte plămânul în doi lobi;

– trei margini.

Plămânul stâng prezintă un singur șanț/scizură care îl imparte în 2 lobi: superior și inferior, în timp ce plâmânul drept are două scizuri: scizura mare, interlobară (este comună celor doi plămâni, se mai numește și oblică) și scizura orizontală, care se desprinde din mijlocul scizurii oblice. Astfel, plămânul drept dispune de trei lobi: superior, inferior și mijlociu.

Hilul plămânului împreună cu alte depresiuni se găsesc pe fața mediană sau mediastinală care este concavă și se mulează pe formațiunile ce se regăsesc în mediastin. Hilul plămânului este locul prin care intră și ies componentele anatomice ce formează pediculul pulmonar: bronhia și venele pulmonare. Acesta are forma unei rachete de tenis cu coada în jos, fiind dispus la jumătatea distanței dintre vârful și baza plămânului.

Pe fața mediastinală a plămânului stâng se afla o impresiune data de arcul aortic și de aorta toracică, iar pe fața mediastinală a plămânului drept se afla impresia cardiacă, mai puțin adâncă decât cea din stânga. Marginea anterioară este convexă pe dreapta și concavă pe stânga din cauza scizurii cardiace. Marginea posterioară este rotunjită, se mulează pe sanțul costovertebral. Marginea inferioară este reprezentată de circumferința bazei plămânului.

Plămânul este alcătuit din două categorii de formațiuni anatomice distincte: un sistem de canale aeriene intrapulmonare numit arborele bronșic și un sistem de saci în care se termină ramurile arborelui bronșic și care poartă numele de alveole pulmonare. La acestea se adaugă țesutul conjunctiv. Acestea se organizează în lobi pulmonari, segmente pulmonare, lobi pulmonari si acini pulmonari.

Acinul pulmonar este unitatea morfo-funcțională a plâmânului. Din punct de vedere anatomic, acesta reprezintă regiunea deservită de o singură bronhiolă terminală, din care derivă 2-3 generații de bronhiole respiratorii. Acinii pulmonari sunt formați din bronhiola terminala, împreună cu bronhiolele respiratorii și ramificațiile lor – ductele alveolare, sacii alveolari și alveolele pulmonare. Totalitatea acinilor pulmonari alcătuiesc parenchimul pulmonar – sediul la nivelul căruia au loc schimburile de gaze. [22]

a) b)

Fig. 2.6 Reprezentarea plămânilor: plămânul drept-fața externă (a); plămânul stâng – fața mediastinală(b) [15]

Plămânii sunt legați de inimă la nivelul ventriculului drept și, respectiv, stâng, prin intermediul venelor și arterelor pulmonare. Trunchiul pulmonar pornește din ventriculul drept și se împarte în două artere pulmonare ( dreaptă și stângă) pentru a putea dirija sângele sărac în O2 la plâmănii corespondenți. Venele pulmonare, câte două pentru fiecare plâmân, aduc sângele bogat în O2 la auricule.

Fig. 2.7 Legăturile dintre plămâni și inimă [11]

Plămânii sunt constituiți din ramificațiile succesive ale bronhiilor, ultimele ramificații ajungând la lobulii pulmonari – mici mase poliedrice. Astfel, plămânii sunt formați din milioane de astfel de lobuli înconjurați cu un țesut conjunctiv elastic, bogat în capilare sangvine. Ultimele bronhii care se termină în unul dintre acești lobuli, se împart în bronhiole, care comunică cu mici vezicule (diametrul de ordinul a 0,3 mm) sau alveole, comparabile cu bule minuscule de spumă de săpun, în număr de 300 – 400 milioane. [15]

3. Patologie

Patologia reprezintă ramura medicinii care studiază cauzele, simptomele și evoluția bolilor, precum și mijloacele de prevenire și de tratare a acestora; cuvântul provine din franțuzescul “pathologie”; de asemenea, în limba greacă cuvântul “pathos” înseamnă boala, iar “logos” – studiu. [26]

3.1 Patologia sistemului cardio-vascular

În acest capitol, vor fi descrise (cauze, simptome, metode de tratament) câteva dintre cele mai frecvent întalnite boli ale sistemului cardio-vascular.

3.1.1 Aritmiile

Aritmiile reprezintă dereglări ale ritmului normal al inimii fie sub raportul frecvenței, fie sub cel al regularității frecvenței cardiace, fie sub ambele.

Există două tipuri de aritmii: [19]

– aritmii atriale – tahicardia sinusală (frecvența inimii este mult mai accelerată decât de obicei: 90-120 bătăi/min), bradicardia sinusală (frecvența inimii este sub 60 de bătăi/min), extrasistole atriale, tahicardia paroxistică atrială (frecvența 140-122 bătăi/minut, regulată) etc.;

– aritmii ventriculare – extrasistole ventriculare, taxicardia paroxistică ventriculară, fibrilația ventriculară etc.

Cauzele care duc la apariția acestor dereglări sunt multiple: consum de alcool sau de tutun, cardiopatie ischemică, leziuni valvulare, hipertiroidie, insuficiență respiratorie, intoxicație cu digitalice etc.

Câteva dintre simptomele specifice aritmiilor sunt: amețeală, angoasă, tremur, oboseală, dispnee (respirație grea), disconfort în piept, bătăi violente sau dureroase. Aritmiile cardiace variază de la persoană la persoană, uneori pacientul neprezentând absolut niciun simptom, dar uneori pot duce la pierderea conștiinței sau chiar la moarte subită cardiacă. [27]

Fig. 3.1 Aritmia; ritmul normal și anormal al inimii [28]

Există mai multe metode de tratament pentru aceste afecțiuni, cum ar fi: [27]

– tratamentul medicamentos – de obicei, medicamentele sunt utilizate fie cu scopul de a preveni o criză, fie pentru a întrerupe o criză deja începută;

– defibrilarea și cardioversiunea – procedura aplicării șocului electric extern este o metodă folosită de mai bine de 30 de ani; tratamentul constă în aplicarea unor șocuri electrice prin intermediul a doi electrozi, lucru ce ajută la resincronizarea activității electrice a inimii. Defibrilarea se efectuează sub anestezie generală și poate fi o măsură salvatoare în cazul unui stop cardiac provocat de fibrilația ventriculară;

– ablația prin radiofrecvență – prin intermediul unor catetere, se aplică organismului un curent de înaltă frecvență; această procedură poate dura câteva ore, dar prezintă avantajul de a nu fi dureroasă;

3.1.2 Arteroscleroza

Arteroscleroza este o afecțiune a pereților vaselor sangvine. În timp, prin formarea de plăci ateromatoase ce conțin calciu, colesterol, material lipidic și lipofage, duce la reducerea diametrului vaselor de sâng, până la înfundarea acesterora. În câteva cuvinte, această afecțiune se caracterizează prin îngroșarea și pierderea elasticității pereților arterelor, din cazua depozitării grăsimilor și a sărurilor de calciu. [29]

Arteroscleroza reprezintă cauza principală a morbidității și a mortalității cardiovasculare în Europa. [30]

În cazul acestei afecțiuni, există o serie de factori de risc ce se clasifică în două categorii:[29]

– factori de risc cardiovascascular major ce nu pot fi modificați: vârstă, sex, predispoziția genetică;

– factori de risc cardiovascular major modificabil: fumatul, obezitatea, hipertensiunea arterială, sedentarism, nivel ridicat al colesterolului. Toți acești factori pot fi evitați prin adoptarea unui stil de viață sănătos.

Ca și la aritmii, în unele cazuri arteroscleroza poate rămâne asimptomică o bună perioadă de timp, cauzând anevrisme și formarea de cheaguri ce pot duce la stenoză sau chiar blocaje. De obicei, nu este evidențiat niciun simptom până când placa de aterom nu atinge proporția de 40%. În urma instalării acestei boli, pot fi afectate atât arterele coronariene, cerebrovasculare, cât și cele periferice.

Prin afecțiunile coronariane sunt îngustate arterele inimii, din această cauza, riscul de infarct miocardiac crescând considerabil. Câteva dintre simptomele acestora sunt: durere toracică (arsuri, junghi etc.), dureri (în zona abdominală, a gâtului, ale maxilarului, la nivelul umărului/brațului), senzația de slăbiciune, dificultăți în timpul procesului de respirație, transpirații în exces.

Prin afecțiunile cerebrovasculare sunt îngustate arterele prin intermediul cărora creierul este alimentat cu sânge, sporind astfel riscul de accident vascular cerebral. Câteva dintre simptomele acestora sunt: amețeală, slăbiciune musculară, durere bruscă și severă de cap, pierderea echilibrului, paralizie/semiparalizie pe o parte a corpului sau a feței.

Prin afecțiunile areterelor periferice, sunt îngustate arterele ce asigură alimentarea cu sânge a membrelor, atât superioare, cât și inferioare. Din această cauză, crește riscul de amputare al membrului afectat, pentru că aceste stenoze produc modificări ireversibile ale țesuturilor. Simptomele acestui tip de afecțiuni sunt: cangrenă, căderea părului, pielea rece la atingere, îngroșarea unghiilor, dureri, crampe sau amorțeală. [29]

a) b)

Fig. 3.2 Arteroscleroza: Arteră normală (a); Artera la arteroscleroză (b) [31]

Cu toate că aceasta boală este progresivă, ea poate fi prevenită prin reducerea factorilor de risc major modificabili. Pentru persoanele deja diagnosticate cu această afecțiune, adoptarea unui stil de viață sănătos este indispensabil, fiind principala recomandare a medicilor; acest stil de viață constă în consumarea a cât mai multe legume și fructe, evitarea grăsimilor, evitarea consumării alimentelor prăjite, activitate fizică regulată etc.

Există și cazuri în care schimbarea stilului de viață nu este suficientă și, astfel, pacientul trebuie să urmeze și un tratament medicamentos, prescris de cardiolog, format din statine, cu efect hipocolesterolemiant important; acestea stabilizează plăcile de aterom existente, reducându-se riscul de ruptură. Pe langă statine, se mai administrează și antiagregante plachetare în doze mici pentru a reduce riscul producerii accidentelor vasculare majore.

În lipsa unui tratament, de orice fel, pot apărea diverse complicații ce pun viața pacientului în pericol de moarte. De exemplu, odată ce placa de aterom este formată, ea se poate rupe, determinând tromboza cu obstrucție completă a lumenului vascular, astfel provocându-se hemoragii, anevrisme, infarctul miocardic sau accidente vasculare cerebrale. [29]

3.1.3 Cardiopatia ischemică cronică dureroasă

Reprezintă cea mai frecventă boală coronariană ischemică și este principala cauză de deces pe plan mondial. Cardiopatia ischemică reprezintă afecțiunea cardiacă generată ischemie, sau altfel spus, de scăderea fluxului de sânge în miocard; de cele mai multe ori ischemia se produce din cauza stenozării arterelor coronare mari, prin formarea în interiorul pereților acestora de plăci aterosclerotice. [32]

În majoritatea cazurilor la femei, simptomele sunt atipice, crescând astfel riscul întârzirii diagnosticului; se manifestă prin simptome imprecise și vagi, ca de exemplu: greutăți în respirație, oboseală, dureri ale spatelui, dar există și câteva simptome legate de sistemul digestiv – balonare, durere abdominală, greață. Faptul că poate fi asimptomatică o cataloghează drept o boală periculoasă, deoarece cu cât est depistată mai târziu, cu atât și tratamentul începe să fie administrat mai târziu, crescând astfel șansele de mortalitate ale pacientului. [32]

Ca și metodă de tratament, se recomandă repaus absolut la pat în secția de tereapie coronariană intensiv pentru o durată de 6-8 zile; ca și tratament medicamentos, sunt utilizate medicamente pentru durere (ex. Algocalmin), medicamente vasodilatatoare coronariene (ex: Nitroglicerină, Persantin etc.), medicamente tonicardiace – utilizate în complicații, cum ar fi insuficiența cardiacă (ex: Dopamina). [19]

Fig. 3.3 Cardiopatia ischemică [32]

3.1.4 Cardiopatia ischemică cronică nedureroasă

Reprezină suferința cardiacă secundară reducerii debitului sanguin coronarian; este forma bolii aterosclerotice cornoariană în care lipsește durerea.

În ceea ce privește simptomele, după cum îi spune și numele, această boală nu produce acuze clinice dureroase. Ea se poate manifesta sub mai multe forme: asimptomatică clinic, singurul semn fiind modificările ischemice văzute pe traseul EKG, insuficiență cardiacă cronică, tulburări de ritm, sincope, moarte subită.

Din punct de vedere al tratamentului, se recomandă același ca și în cazul arterosclerozei, și anume, adoptarea unui stil de viață sănătos. Ca și un tratament naturist, este recomandată coada șoricelului (aproximativ 2 căni de ceai pe zi), tinctură de arnică montană, alte ceaiuri cardiosedative, antiasmatice, calmante împotriva tulburărilor cardiace, sedative, formate din plantele: coada racului, frunze de roiniță, rădăcini de valeriană, talpa gâștii. [19]

3.1.5 Insuficiența cardiacă

Reprezintă o boală cauzată de afectarea structurii și funcției inimii, ducând la incapacitatea acesteia de a pompa suficient sânge pentru asigurarea bunei funcționări a organismului. Există mai multe tipuri de insuficiență cardiacă: [34]

– insuficiența cardiacă stângă – insuficiența pompei ventriculului stâng; cauzele sunt multiple: cardiopatica ischemică dureroasă/nedureroasă, infarctul miocardic, hipertensiune arterială etc.; simptomele acestei afecțiuni sunt: dispnee la efort și la repaus, edem pulmonar acut, tahicardie, tulburări de ritm;

– insuficiență cardiacă dreaptă – este afectat ventriculul drept; cauza principală este reprezentată de o boală pulmonară; ca și simptome ale acesteia, se regăsesc cianoze ale extremităților, scăderea cantității de urină;

– insuficiență cardiacă sistolică – inima este mărită, iar funcția de pompă (sistolică) este scăzută;

– insuficiență cardiacă diastolică – apare frecvent la pacienții cu hipertensiune arterială netratată; în general, toti pacienții cu disfuncție sistolică prezintă și disfuncție diastolică;

– insuficiență cardiacă cronică – apare când simptomele de insuficiență cardiacă nu evoluează sau evoluează lent în timp;

– insuficiență cardiacă acută – apare când simptomele de insuficiență cardiacă apar brusc sau într-un timp relativ scurt la un pacient aparent sănătos;

Cea mai frecvent întâlnită cauză de insuficiență cardiacă este boala cardiacă ischemică, ce se manifestă în principal prin infarctul miocardic. Exista și câteva cauze mai rar întâlnite: hipertensiune arterială netratată, diabetul zaharat (este un factor de risc pentru boala cardiacă ischemică), efecte cardiace congenitale necorectate sau corectate insuficient, fumatul, consumul de alcool în exces, obezitatea etc.

Cele mai recvente simptome ale pacienților ce suferă de această boală sunt dispneea la effort sau în repaus. De asemenea, sunt întânite: durerea toracică, tuse, lipsa poftei de mâncare, senzație de greață etc. [35]

Din punct de vedere al tratamentului, ca și stil de viață, este recomandat repausul relativ sau absolut cu pensionare, o dietă hoposodată (2-3 g sare/zi), mese cantitativ reduse, evitarea absolută a alcoolului și a tutunului. Ca și medicamentație, sunt recomandat pastilele diuretice, coronarodilatatoare, vasodilatatoare, anticoagulante. Există și un tratament naturist, din care fac parte infuzii de frunze de mesteacăn, de urzică, de fag și de pătlagină, pastă și suc de dovleac fiert, suc de roșii, ceai diuretic de ceapă și miere. [36]

3.1.6 Miocardite

Miocardita reprezintă o inflamație a mușchiului inimii (miocardul), produse din diverse cauze, altele decât cardiopatia ischematică. Cauzele pot fi multiple:[19]

– idiopatice (necunoscute);

– infecțioase: miocardite virale, micotice, bacteriene (streptococ, pneumococ);

– toxice: diverse medicamente, precum cele citostatice, antidepresive, sulfamide; alcool;

– metabolice: carențe alimentare, dezechilibre electrolitice;obezitatea, endocrinopatii;

– genetice: boli neuromusculare degenerative;

– boli de colagen;

Ca și tratament, este recomandată înlăturarea cauzei afecțiunii și aplicarea tratamentului insuficienței cardiace.

3.2 Patologia sistemului respirator

Ca și în cazul sistemului circulator, există numeroase afecțiuni ale sistemului respirator; câteva dintre ele sunt prezentate în paginile următoare.

3.2.1 Astmul bronșic

Astmul este o boală inflamatorie cronică în care sunt implicate o serie de celule (dintre care cele mai importante sunt celulele denddritice și cele care produc citokine – eliberarea repetată a citokinelor alterează structura și funcția căilor aeriene) și de mediatori. Această afecțiune este una din principalele cauze de incapacitate de muncă, de deces, precum și de costuri economice. Numărul de persoane afectate este în creștere peste tot în lume, ajungând până la 300 de milioane de bolnavi. [35]

Astmul bronșic reprezintă o boală infalamtorie cronică a căilor aeriene, ce se caracterizează prin creșterea răspunului tractului respirator la diverși stimuli. Din punct de vedere fiziologic, această afecțiune se caracterizează prin îngustarea căilor aeriene, cu limitarea debitului aerian, iar din punct de vedere clinic, prezintă ca și simptome dispneea paroxistică, tusea și wheezing (respirația șuierătoare), în principal noaptea sau dimineața devreme. Astmul bronșic este o boală episodică cu exacerbări acute, de obicei de scurtă durată, ea alternând cu perioade asimptomatice, în care bolnavul/pacientul pare complet recuperat. [35]

Fig. 3.4 Astmul bronșic: Bronhiole normale (a); Bronhiole la astmatici (b) [36]

Factorii declanșatori ai astmului bronșic sunt multipli: [35]

– părul de animale;

– agenți fizicochimici;

– activitatea fizică (îndeosebi dacă este efectuată în condiții de frig: aer rece și uscat);

– poluanți atmosferici: dioxid de sulf, dioxid de azot; iritanți de inhalație: fumul de țigară, praful și gazele de la locul de muncă, odoranții puternici;

– mediatori fiziologici și farmacologici ai contracției musculare normale (Histamină, Metacolină);

– chitina (insectelor);

– medicamente: aspirină, beta-blocante, antiinflamatoare nesteroidiene, penicilină, hormoni sexuali;

– molecule organice complexe – polen, praf (de casă);

– infecții respiratorii (gripa);

– stresul emoțional – acesta determină bronhospasm prin reflex vagal și creșterea reactivității față de alți factori prin mecanism noninflamator.

Un important factor de risc pentru astmul bronșic este și predispoziția genetică. Este cunoscut faptul că această afecțiune este poligenică și severitatea sa se determină genetic.

Din punct de vedere al unui tratament, astmul bronșic este o afecțiune ce nu poate fi vindecată, poate fi doar ținută sub control și ameliorată. În funcție de gravitatea bolii, există câteva soluții pentru menținerea sub control a bolii: bronhodilatatoare, inhalatoare, medicamente antiinflamatoare, precum și medicamente naturiste: ceai antiasmatic și capsule din plante. [37]

Înainte de prescripția unui tratament medicamentos, sunt câteva aspecte de care trebuie să se țină cont, cum ar fi: vârsta, frecvența simptomelor, intensitatea lor etc. În cele mai multe cazuri privins astmul medicamentele se găsesc sub formaă de inhalatoare (deși există și pastile), deoarece substanța activă ajunge direct în plămâni, acolo unde se află zona cu probleme. [38]

3.2.2 Pneumonia

Pneumonia reprezintă inflamația parenchimului pulmonar, adică a alveolelor și a bronhiolelor; este o boală neinfecțioasă. [39]

O scurtă clasificare a pneumoniilor se poate face după: [40]

– modul de apariție: comunitare sau nozocomiale;

– etiologie: bacteriene, virale, fungice sau parazitare.

Există anumiți factori de risc ce facilitează apariția acestei boli. Au fost realizate studii în care s-a constata o frecvență ridicată la pacienții cu anumite boli (ex. Diabet) precum și expuneri la anumite animale sau medii profesionale. Printre factorii de risc întâlniți destul de des, se numără: alcoolismul, diabetul, imunodepresie/neutropenie, HIV/SIDA, defecte dentare, toxicomani, expunere la păsări, la iepuri, la pisici, la șoareci, precum și la aer condiționat. [40]

Modalitățile de transmitere ale acestei boli sunt multiple, pătrunderea germenilor în plămân realizându-se prin una din următoarele căi:

– aspirația – reprezintă mecanismul cel mai frecvent prin care secrețiile orofaringiene ajung în căile aeriene în timpul somnului sau al unor tulburări de conștiență;

– inhalarea – se produce prin aerosoli infectanți cu diametreu de 5 mm, ce conțin 1-3 germeni ce se depun în alveole;

– diseminare hematogenă – este produsă de la focare extrapulmonare în endocardita bacteriană, infecții de cateter etc.;

– inoculare directă prin înjunghiere; traumatismele deschise sunt foarte rar întâlnite.

În ceea ce privește simptomele acestei boli, începutul ei poate fi destul de brutal, tipic febră, tuse, junghi toracic; febra este înaltă și, de obicei, însoțită de frisoane. Cel mai frecvent simptom este tusea, ea fiind întâlnita în mai mult de 80% din cazuri; poate fi însoțită și de expectorație mucoasă sau mucoporulentă. În formele mai severe, apare și dispneea. La pacienții mai vârstinici, simptomele sunt mai puțin zgomotoase, febra și manifestările clinice putând chiar lipsi, dar pot apărea alterări ale stării generale de sănătate, de la tulburări de conștiență până la comă. [40]

Fig. 3.5 Pneumonie [41]

3.2.3 Insuficiență respiratorie

Reprezintă incapacitatea sistemului respirator de a realiza schimburile eficiente de gaze respiratorii, mai exact O2 și CO2 (sistemul nu este capabil de a realiza oxigenarea eficientă a sângelui – hipoxemia și eliminarea dioxidului de carbon – hiper sau hipocapnia). Există două tipuri de insuficiență respiratorie: [42]

– insuficiență de oxigenare – scădere PaO2;

– insuficiență ventilatorie – creștere PaCO2;

Insuficiența respiratorie nu este o boală, ci o tulburare funcționala, determinată de multipe și variate cauze patologice. Ea poate fi consecința unei patologii pulmonare primare sau a unei patologii extrapulmonare. Câteva cauze ce favorizează apariția insuficienței respiratorii se referă la tulburări ale:[43]

– măduvei spinării (traumă, mielită transversală);

– peretelui toracic (obezitate);

– sistemului neuromuscular (poliomelita, miopatia indusă de steroizi);

– SNC (droguri, encefalopatie metabolică, infecții ale sistmului nervos central, hipoventilație alveolară centrală);

– căilor aeriene superioare (infecție, paralizia corzilor vocale);

– căilor aeriene inferioare (infecție, bronhospasm);

– sistemului cardiovascular;

– parenchimului pulmonar (infecție, boală interstițială)

Insuficiența respiratorie acută – se caracterizează prin efort în respirație și ca fiind o tulburare ce afectează oxigenarea; necesită tratament imediat.

Etiologia pentru aceasta este vastă, cuprinzând: depresia centrului respirator (inconștiență), afectarea mecanicii ventilatorii (rupturi de diafragm), obstrucția căilor aeriene (corp străin, mucus, tumoră), boli pulmonare parenchimatoase (pneumonie severă), insuficiență circulatorie pulmonară, scăderea saturației sanguine (anemie severă), convulsii prelungite. [43]

Câteva din simptomele acestei tulburări sunt:[43]

– dispneea;

– agitație, confuzie, tulburări de conștiență;

– travaliu respirator crescut, frecvență respiratorie crescută;

– în unele cazuri, simptomele pot fi nespecifice, chiar lipsi sau apărea tardiv.

Scopul principal al tratamentului este aceala de a menține oxigenarea adecvată a țesuturilor; se tartează cauza insuficienței respiratorii (tratamentul pneumoniei, insuficienței cardiace, obstrucției căilor aeriene). Menținerea oxigenului se menține prin oxigenoterapie – concentrația în O2 a aerului inhalat sp fie peste 21%, metoda este controlată cu ajutorul unui pulsoximetru.

O altă metodă de tratament este ventilația mecanică, ce menține activitatea respiratorie, scade efortul respirator, crește volumul respirator, intensifică ventilația și crește schimburile gazoase; tratamentul se face într-un salon de terapie intensivă. [43]

Insuficiența respiratorie cronică reprezintă o tulburare cronică a venitlației alveolare, ea fiind accentuată în timpul somnului. Ca și etiologie, sunt cunoscute diverse cauze, precum: hipoventilația cronică, bolile neuromusculare, apnee obstructivă severă.

Câteva simptome ale acestei tulburări sunt: dispneea, cianoză, policitemie, semne de încărcare, somn agitat, somnolențe matinale, oboseală (ziua), deteriorarea concentrării, episoade recurente de insuficiență respiratorie. Metodele de tratament sunt, în principiu, aceleași ca la celălalt tip de insuficiență resipratorie. [43]

3.2.4 Tromboembolismul pulmonar

Tromboembolismul pulmonar (TEP) reprezintă cea de-a doua cauză de moarte rapidă, după cea de origine cardiacă; este o boala destul de frecventă și potențial fatală. [44]

TEP este o boală resipratorie gravă, în care arterele pulmonare sau ramuri mai mici ale acestora sunt astupate/obturate de un tromb (cheac sangvin). În funcție de mărimea acestuia, precum și de mărimea teritorului afectat, gravitatea acestei patologii variază de la infarct pulmonar la insuficiență respiratorie acută, infarct al inimii și chiar deces. [45]

Din punct de vedere al etiologiei, se disting 3 cauze principale ce ajută la formarea trombilor în organismul pacientului, ei formând așa numită triadă a lui Virchow: lezarea endoteliului venos, staza sanguină și hipercoagulabilitatea. [44]

Există și foarte mulți factori de risc implicați în apariția acestei patologii, clasificați în 3 mari categorii: [44]

– factori de risc majori (risc relativ > 10%): fracturi ale membrelor inferioare sau ale șoldului, proteza de șold sau de genunchi, chirurgie generală majoră, traumatisme majore, leziuni la nivelul măduvei spinării;

– factori de risc moderați (risc relativ 2-9%): cateter venos central, chirurgia artroscopică a genunchiului, chimioterapia, insuficiența respiratorie, afecțiuni cardiace cronice, contraceptive orale, terapia de substituție hormonală la menopauză, boli maligne, sarcină/postpartum, antecedente de TVP, trombogilia, accidentele vasculare cerebrale cu paralizie;

– factori de risc reduși (risc relativ < 2%): imobilizare la pat mai mult de 3 zile, călătorie aeriană de lungă durată, vârstă avansată, chirurgia laparoscopică (ex: colecistectomia), obezitatea, sarcină/antepartum, vene varicoase.

Cel mai frecvent întâlnit simptom în cazul TEP este dispneaa cu tahipneea, în cazurile în care este absent chiar punându-se la îndoială acest diagnostic. Alte simptome posibile sunt: durere toracică, tuse, tahicardie, cianoză (colorație violaceu-albăstruie la nivelul feței), febră mai mare de 38.5C etc. [45]

Tratamentul TEP are ca scop prevenirea recidivării afecțiunii; există posibilitatea unui tratament medico-chirurgical, tratament heparinic, tratament trombolitic etc.

Fig. 3.6 Tromboembolismul pulmonar [46]

3.2.5 Edemul pulmonar acut

Edemul pulmonar (EPA) acut reprezintă acumularea de fluide în interstițiul pulmonar și în spațiul alveolar. Există două tipuri de EPA: [47]

– cardiogen – apare ca și consecință a creșterii presiunii de umplere a ventriculului stând; se transmite retrograd, ducând la creșterea presiunii în capilarul pulmonar și favorizând exsudarea de fluid din compartimentul vascular în interstiții și alveole;

– principalele cauze ale apariției acestui tip de EPA sunt:

– tahiaritmiile (inclusiv fibrilația atrială paroxistică), apărute la un pacient cardiopat;

– insuficiența ventriculară stângă acută;

– întreruperea regimului hiposodat sau a tratamentului (medicamentos);

– efort fizic, infecții respiratorii la un pacient valvulopat (stenoză mitrală, stenoză aortică);

– medicamente inotrop-negative (beta-blocante, calciu-blocante).

– non-cardiogen sau lezional – apare ca urmare a deteriorării permeabilității membranei alveolo-capilare, printr-o vătămare cauzată de un agent infecțios sau de unul toxic.

– cauzele edemului pulmonar acut non-cardiogen sunt:

– pneumonii;

– intoxicații;

– uremie;

– înec;

– pancreatită acută;

– veninuri etc.

Debutul acestei patologii este de cele mai multe ori brusc și nocturn, având o evoluție rapidă; simptomele pacientului sunt: dispneea extremă și zgomotoasă, tusea (cu spută aerată și abundentă), tahipnee, cianoza buzelor și a extremităților, anxietate (însoțită de senzația de sufocare).

Un simptom particular ar fi intoleranța la decubitul dorsal, singura poziție tolerată de bolnavi fiind cea în șezut. [47]

Fig. 3.7 Edem pulmonar [48]

În ceea ce privește tratamentul pentru edemul pulmonar acut, există mai multe metode: [47]

– când sunt necesare măsuri de urgență – pacientul este așezat în poziție semișezândă, se aplică garouri neischemiante la 3 membre, cu mutarea succesivă a garoului la cel de-al patrulea membru; de asemenea, se suplimentează cu oxigen pe narine/mască;

– din punct de vedere al medicației – se administrează nitroglicerină, diuretice de ansă, morfină (utilizată pentru efectul analgezic);

– pentru cazurile neresponsive – se realizează o flebotomie (se extrag 300-500 ml de sânge), se adiminstreaz dopamină/dobutamină și vasodilatatoare și se realizează o ventilație mecanică;

– există și un set de măsuri terapeutice ce se adresează cauzei sau factorului principal de risc, cum ar fi: scăderea tensiunii arteriale într-un pușeu tensional, revascularizarea într-un sindrom coronarian acut, amdinistrarea de antiaritmice sau cardioversie pentru tulburările de ritm.

4. Descrierea dispozitivelor medicale

În capitolul următor, vor fi descrise câteva noțiuni despre dispozitivele medicale utilizate în acest proiect de diplomă, și anume pulsoximetrul, spirometrul și tensiometrul.

4.1 Pulsoximetrul

Pulsoximetrul reprezintă aparatul utilizat pentru măsurarea pulsului și a gradului de oxigenare al sângelui. Un pulsoximetru optic măsoară intensitatea luminii ce trece prin țesutul etorogen și utilizează variații de lumină (rezultate, în principal, din variația relativă a volumului de sânge arterial) pentru calcularea saturației de oxigen din sânge. [49]

Monitorizarea eficienței schimbului de gaze în plămâni (sau altfel spus, cât de bine este oxigenat sângele) prezintă o deosebită importanță, în special pentru pacienții cu risc de insuficiență arterială; acest lucru poate fi realizat printr-o tehnică neinvazivă, și anume pulsoximetria. Această tehnică este, în prezent, bine stabilită, fiind utilizată în clinici/spitale atât în timpul anesteziei, cât și în timpul terapiei intensive (îndeosebi în cazul nou-născuților, deoarece mulți copii ce se nasc prematur sunt supuși unei forme de terapie cu ventilator. [50]

Pulsoximetrul se mai utilizează în monitorizarea bolilor pulmonare la adulți și în investigarea tulburărilor de somn.

4.1.1 Scurt istoric al oximetriei

Primele dispozitive care să măsoare saturația oxigenului din sângele uman prin transiluminarea acestuia au fost construite în 1930; acestea nu erau capabile să distină arterele de vene (capilare).

În anul 1935, Matthes a dezvoltat primele două lungimi de undă O2 metru staurație cu filtre roșu și verde, mai târziu trecând la filtre roșii și infraroșii; acesta a fost primul dispozitiv utilizat pentru măsurarea saturației oxigenului.[49]

În anul 1959, Wood a adăugat o capsulă de presiune cu rolul de a stoarce sângele din ureche pentru obținerea stabilirii efortului valorii absolute de saturație a oxigenului, atunci când sângele a fost readmis. Acest concept este similar astăzi cu pulsoximetria convențională, fiind totuși destul de dificilă punerea în aplicare din cauza fotocelulelor instabile și a sursei de lumină (din punct de vedere clinic, această metodă nu este utilizată).[49]

În anul 1964, Shaw a asamblat primul oximetru cititor de ureche, cu ajutorul a opt lungimi de undă ale luminii; a fost comercializat de către Hewlett Packard, utilizarea sa fiind limitată la funcțiile pulmonare și la laboratoarele de somn, asta datorită costurilor și a dimensiunilor.

Începutul anilor ’70 este marcat de dezvoltarea unui instrument de către compania Hewlett-Packard (din care divizia medicală este, în prezent, cunoscută sub numele de Agilent) care măsoară lumina peste transmisia lobului urechii la mai mult de două lungimi de undă. Modelul multi-component al urechii a fost compus din substanțe de absorbție a luminii (piele, țesuturi, Hb, HbO2 etc.). Acest model presupune ca fiecare absorbant de lumină să acționeze independent de celelalte; duăă această etapă, a fost scris un set de ecuații simultane pentru totalul de absorbanță a luminii de către substanțele menționate, la fiecare din lungimile de undă de măsurare; în mod empiric, coeficienții de calibrare au fost derivatți dintr-o serie de studii pe un eșantion de voluntari. Cu toate acestea, atât costul ridicat al instrumentarului, cât și nevoia de măsurători la opt lungimi de undă diferite au dus la eșecul dispozitivului.[49]

Conceptul de “Pulsoximetrie” a fost dezvoltat în 1974, de către bioinginerii Takuo și Kishi Michio la Nihon Kohden, folosind raportul de roșu la absorbția de lumină infraroșie pulsată de componente la site-ul de măsurare. Persoanele care au testat primul dispozitiv pe paicenți au fost chirurgul Susumu Nakajima împreună cu asociații săi, iar în anul 1981 a fost comerciaziat de BioX și în 1983 în Nellcor. BioX a fost fondată în 1979, introducând primul pulsoximetru de distribuție comercială în 1981; BioX s-a axat pe sistemul respirator, dar după ce compania a realizat că produsele lor erau folosite în camerele de operare pentru monitorizarea nivelului de oxigen, aceștia au extins resursele de marketing pentru a se concentra asupra sălilor de operații; acest lucru se întâmpla la sfârșitul anului 1982. [50]

4.1.2 Principiile oximetriei

Oximetria este metoda utilizată pentru montiorizara arterială a saturației de oxigen din sânge.

În anul 1960, s-a descoperit că substanța colorată din sânge, hemoglobina – întâlnită în globulele roșii, este purtătoare de oxigen. În același timp, s-a observat că absorbția luminii vizibile de către o soluție cu hemoglobină variază în funcție de concentrația de oxigen.

Acest lucru se datorează faptului că cele două forme comune ale molecului, hemoglobina oxidată (HbO2) și hemoglobina redusă (Hb) au semnificativ spectre optice diferite în gama de lungimi de undă de la 500 nm la 1000nm.[49]

Fig. 4.1 Absorbția Hb și HbO2 în funcție de lungimea de undă [49]

Oxigenul combinat chimic cu hemoglobina în interiorul globulelor roșii din sânge face ca aproape tot oxigenul să fie prezent în sânge (există, de asemenea, o cantitate foarte mică, care este dizolvat în plasmă). Saturația de oxigen, care este adesea menționată ca SaO2 sau SpO2, este definită ca raportul dintre oxihemoglobina (HbO2) și concentrația totală de hemoglobină prezentă în sânge (de exemplu, oxihemoglobina + hemoglobină redusă):

(4.1)

Arteriala SaO2 este un parametru măsurat cu oximetria și este în mod normal exprimată ca procent. În condiții fiziologice normale, sângele arterial este 97% saturat, în timp ce sângele venos este saturat 75%.[49]

4.1.3 Pulsul

Pulsul reprezintă pulsația (bătaie ritmică) a arterelor ce se datorează trecerii sângelui propulsat la fiecare contracție cardiacă.

A lua pulsul înseamnă, de fapt, a evalua intensitatea și ritmul cardiac, favorizând elaborarea unui diagnostic. De exemplu, un puls foarte puternic poate indica o insuficiență aortică, un puls slab poate semnala insuficiență cardiacă, iar puls ce nu poate fi perceput poate indica prezența unui cheag ce blochează artera în amonte.

În condiții normale de sănătate, ritmul cardiac al unui adult este cuprins între 60 și 90 de bătăi pe minut, dar în timpul activității fizice sau al emoțiilor poate ajunge și chiar trece de 100 de bătăi pe minut. În momentul scăderii frecvenței cardiace sub 60 de bătăi pe minut apare fenomenul numit bradicardie (“bradys” – lent, “kardia” – inimă), iar accelerarea frecvenței bătăilor inimii peste 60 de pulsații pe minut poartă numele de tahicardie. [50]

4.1.4 Principiile pulsoximetriei

Principiul pe care operează pulsoximetrul este faptul că hemoglobina își schimbă culoarea din roșu închis în roșu deschis în momentul oxidării și al reducerii absorbției luminii roșii. Daca se luminează o lumină roșie la o lumină LED, la o lungime de undă de 660 nm, printr-o parte a degetului pacientului cu un senzor foto, se pot obține parametri referitori la saturația oxigenului, precum și procentajul moleculelor de hemoglobină care oxigenează sângele din degetul subiectului/pacientului. Desigur, măsurarea absolută este afectată și de alte elemente, cum ar fi pielea, oasele și țesuturile ce înconjoară arterele și venele. Un avantaj al măsurării îl constituie faptul că arterele se dilată și se contractă la fiecare puls al inimii (în momentul contractării ventriculilor inimii presiunea sângelui crește), artele mai subțiri crescând absorbția luminii, iar în timpul diastolei (momentul de relaxare al ventriculilor inimii, când presiunea sângelui scade), arterele mai subțiri scad absorbția luminii. [51]

Sepoate spune deci că principiile de pulsoximetrie se bazează pe modificarea fracțională de absorbție a luminii datorită pulsațiilor arteriale. Într-o configurație tipică, lumina la două lungimi de undă diferite de iluminare lateral față de țesut (deget) va fi detectată pe aceeași parte (mod de reflexie) sau latură opusă (transmisie modul), după traversarea țesuturilor vasculare între sursă și detector. Intensitatea luminii detectată este descrisă de legea Beer-Lambert:[51]

(4.2)

În această ecuație, I0 reprezintă intensitatea luminii detectată de fotodector, iar μat, μav și μaa sunt coeficienții de absorbție a stratului de țesut fără vărsare de sânge. Stratul sanguine arterial se măsoară în cm-1. Volumul de sânge este reprezentat de:

(4.3)

Există și efecte secundare, ca de exemplu împrăștierea luminii în țesutul uman sau reflectarea ei la suprafața pielii (aceste efecte nu sunt cotabilizate în legea lui Beer). Procesele acestea fizice sunt extrem de greu de modelat într-un mediu atât de complex precum corpul uman, de aceea necesitând calibrare empirică a tuturor pulsoximetrelor. [51]

După cum am menționat mai devreme, există câteva componente ale corpului uman care atenuează lumina în momentul în care aceasta traversează țesutul, pulsul arterial având un efect relativ mic asupra cantității de lumină detectată.

Fig. 4.2 Absorbția luminii (1 – absorbție datorată pulsațiilor sângelui arterial și absorbție datorată non pulsatiilor sângelui arterial, 10 – absorbție datorată sângelui venos, 100- Absorbție datorată pielii, oaselor, țesuturilor). [51]

Pulsoximetria poate fi perturbată în anumite condiții: prezența în sânge a unor coloranți (albastru de metilen, verde indo-cianină), existența de hemoglobine anormale, surse de radiații electromagnetice în vecinătate, absența pulsului periferic, congestie venoasă prin utilizarea repetată a garoului.

4.1.5 Pulsoximetrul

Pulsoximetrul este dispozitivul medical prin intermediul căruia se pot măsura pulsul și gradul de oxigenare al sângelui; cu ajutorul lui se poate, de asemenea, determină și ritmul cardiac.

Pulsoximetrul utilizează două diode emițătoare de lumină pentru fiecare lungime de undă (R-roșu și IR – infraroșu) și un fotodector pentru ambele lungimi de undă.

Fig. 4.3 Acțiunea celor 2 diode luminoase asupra degetului [52]

Pentru realizarea măsurărilor, subiectul/pacientul introduce degetul arătător în spațiul destinat din dispozitiv. Există două metode utilizate pentru determinarea saturației de oxigen din sânge: măsurarea luminii transmise prin țesut – oximetrie transmisivă și măsurarea luminii reflectate de țesut – oximetrie reflectantă.

După cum se va putea observa în imaginile de mai jos, pulsoximetrele pot fi atât de mână (atașate de încheietura mâinii), cât și de deget:

Fig. 4.4 Pulsoximetru de mână [53] Fig. 4.5 Pulsoximetru de deget [54]

Ca în cazul oricărui dispozitiv medical, pot apărea mai multe erori de poziționare, de măsurare sau de acuratețe, printre care:[54]

– poziționarea incorectă a pulsoximetrului; în acest caz, numai lumina emisă de o diodă poate ajunge la țesuturi;

– orice factor reducător al pulsației arteriale; acesta va reduce și abilitatea dispozitivului de a detecta și analiza semnalul primit, precum și de a calcula saturația de oxigen;

– hipotermia/hipotensiunea (TA<50 mmHg) și utilizarea vasopresoarelor ce contribuie la micșorarea acurateții cuantificărilor;

– în cazul pacienților ce suferă de insuficiență tricuspidiană pot apărea erori de citire, din cazua faptului că venele lor periferice devin atât de pulsatile încât modifică acuratețea înregistrării.

4.2 Spirometria

Spirometria reprezintă o investigație prin care se pune în evidență obstrucția căilor respiratorii, precum și severitatea și reversabilitatea acesteia la tratament bronhodilatator; spirometria este o tehnică neinvazivă, ieftină, ușor de reaizat și reproductibilă. [25]

4.2.1 Scurt istoric

Din punct de vedere etimologic, cuvântul “spirometrie” înseamnă măsurarea respirației, el provenind din latinescul “spirare” = a respira.

Acest concept i se poate atribui lui Lavoisier care a utilizat pentru prima dată în anul 1789 împreună cu Seguin un echivalent al spirometrului pentru măsurarea consumului de oxigen la om.

Totuși, conceptul de spirometrie modernă îî aparține medicului englez John Hutchinson, el publicând între anii 1844 – 1846 două articole remarcabile, în care descrie un instrument de măsurarea a capacității pulmonare. Mai târziu, s-a constatat că acest lucru reprezintă o eroare istorică, și, de fapt, prima publicație ce raportează măsurători de volume pulmonare ar fi o comunicație. [25]

Anul 1947 reprezintă un an important pentru acest domeniu, Robert Tiffeneau dotând spriometria cu un concept major: VEMS (Volum Expirator Maxim pe Secundă).[25]

4.2.2 Funcția respiratorie

După cum am menționat într-unul din capitolele anterioare, sistmul respirator este alcătuit din plămâni, căile respiratorii și mușchii respiratori, avțnd rol în schimbul de gaze dintre sânge și aerul inspirat. Din punct de vedere fiziologic, respirația se compune din patru faze fundamentale: ventilația, schimbul de gaze la nivelul plămânior, circulația sângelui între plămâni și țesuturi și nu în ultimul rând schimbul de gaze la nielul țesuturilor. [56]

În ceea ce privește ventilația, lucrurile stau în felul următor: în timpul inspirației aerul e forțat în plămâni datorită expansiunii cutiei toracice ( atât contracția diafragmei ce se găsește la baza cutiei toracice, cât și cea a mușchilor intercostali externi duc la deplasarea în sus și spre exterior a coastelor). Aerul pătrunde în plămâni conform gradientului de presiune mai exact datorită faptului că expansiunea cavității toracice crește volumul toracic și scade presiunea toracică. În mod normal (în condiții de repaus) expirația este un proces pasiv, determinat de relaxarea mușchilor, dar devine un proces activ în cazul activității fizice sau a expirației forțate (ex.:tusea), determinat de contracția mușchilor expiratorii. În cadrul ventilației de repaus, este folosită doar o parte minoră din capcaitatea pulmonară, creeându-se astfel o rezervă substanțială pentru momentele în care organismul necesită un flux crescut de oxigen. [57]

Hiperventilația reprezintă o tulburare respiratorie, ce se maniestă prin respirații prea profunde sau prea rapide. Pacienții pot prezenta durere toracică și senzație de furnicături în degete și în jurul gurii, iar în unele cazuri poate fi acompaniată chiar de atacuri de panică. De asemenea, persoanele ce suferă de această afecțiune au senzația că nu le ajunge suficient aer în organism; în realitate, ei au aceeași oxigenare în sângele arteria, dar prea puțin dioxid de carbon în sânge și alte țesuturi. Deși oxigenul este suficient de abundent în sânge, acest sindrom de hiperventilație reduce eliberarea eficientă a acestuia la organele vitale. [57]

Sindromul de hipoventilație se manifestă prin diminuarea cantității de aer inspirat ce pătrunde în alveolele pulmonare într-un minut, adică a ventilației alveolare care nu mai asigură o cantitate de oxigen suficientă consumului fiziologic. [58]

4.2.3 Măsurarea respirației.

Volumele de gaze care umplu plămânii în diferite momente ale respirației prezintă o deosebită importanță; desigur, cantitatea de aer variază în funcție de vârstă, sex, înălțime și stare fizică. Volumul gazelor în cadrul unui ciclu respirator este de aproximativ 500 ml. (pentru un mascul adult mediu). [4]

În imaginea de mai jos este reprezentată o undă sinusoidală, reprezentând acțiunea de inspirație/expirație. Volumul de gaze este mutat în interior și în exterior în timpul fiecărui ciclu respirator. În momentul în care este utilizată tehnologia pentru a sprijini respirația, acest volum reprezintă reprezintă cantitatea de aer care trebuie să fie furnizată de către dispozitiv. Frecvența respirației este de 12 cicluri/minut. [4]

Fig. 4.6 Acțiunea de inspirație/expirație [59]

4.2.4 Volumele pumonare

Spriometria cuprinde următorii parametri: [56]

– VC – Volumul curent – volumul de aer care poate fi inspirat sau expirat în cursul unui ciclu respirator normal; valoarea normală a acestuia este de 500 ml;

– MRV – Volumul respirator de repaus – cantitatea de aer ventilată într-un minut în condiții de repaus;

– VER – Volumul expirator de rezervă – volumul de aer care poate fi expirat supimentar la sfârșitul unei expirații normale; valorile normale sunt situate în intervalul 1000-1200 ml;

– VIR – Volumul inspirator de rezervă – volumul de aer care poate fi inspirat suplimentar la sfârșitul unei inspirații normale; valorile normale sunt cuprinse în intervalul 2500-3500 ml;

– CV – Capacitatea vitală – cantitatea de aer care poate fi expirat forțat după o inspirație forțată maximă; valoarea normală a acesteia este de 5000 ml;

CV = VC + VER + VIR (4.4)

– VR –Volum rezidual – volumul de aer care rămâne în plămâni la sfârșitul unei expirații forțate; valoarea normală este de 1200 ml;

– CPT – Capacitatea pulmonară totală – cantitatea de aer conținut de plămâni la sfârșitul inspirației maxime; valoarea normală a acesteia este de 6000 ml;

CPT = CV + VR (4.5)

– CI – Capacitatea inspiratorie – cantitatea maximă de aer care poate fi inspirat după o expirație normală; valorile normale sunt cumprinse între 3000-4000 ml;

CI = VC + VIR (4.6)

– CFR – Capacitata funcțională reziduală – cantitatea de aer conținut de plămâni la sfârșitul unei expirații normale; valoarea normală a acesteia este de 2200 ml;

CFR = VER + VR (4.7)

– VEMS (FEV1) – Volumul expirator maxim pe secundă – volumul de aer expirat în prima secundă a unei expirații forțate, care urmează unei inspirații forțate;

– IPB (Indice Tiffeneau) – Indice de permeabilitate bronșică – procentajul din capacitatea vitală care poate fi expirat în prima secundă a expirului forțat; în mod normal, valoarea acestui indice trebuie să fie mai mare de 80%;

IPB = VEMS/CV (%) (4.8)

– DVMM ( Vmax) – Debitul ventilator maxim pe minut (ventilația maximă) – volumul maxim de aer care poate fi ventilat într-un mminut, printr-o ventilație cu maxim de frecvență și amplitudine (hiperventilație); valoarea normală este între 60-90 l/min (femei) și 110-140 l/min (bărbați);

DVMM = VMS * 30 (4.9)

– PEF – Debitul expirator instantaneu maxim – cea mai mare valoare a fluxului de aer atinsă în cursul unei expirații forțate care urmează unei inspirații forțate; valoarea acestuia depinde se câșiva paramaetri, precum sex, vârstă, înălțime.

Fig. 4.7 Parametrii spirometriei [4]

Toate volumele pulmonare variază în funcție de următorii parametri: sex, înălțime, greutate, presiune atmosferică, temperatură, precum și saturația în vapori de apă a aerului. [56]

4.2.5 Spirometrul

Spirometrul reprezintă echipamentul utilizat pentru măsurarea volumului respirat. Acesta funcționează pe principiul Legii lui Boyle, și anume presiunea este invers proporțională cu volumul în condiții de temperatură constantă: [4]

P*V = constant (4.10)

Înregistrarea grafică a volumelor se numește spirogramă:

Fig. 4.8 Principiul înregistrării voumelor, utilizând un spirometru clasic [56]

Diagrama rezultată se caracterizează prin două valori: timul (pe abscisă) și volumele (pe ordonată), numită, de asemenea, și curbă volum-timp.

Există câteva criterii de validitatea a acestei curbe, cum ar fi: [60]

– curba trebuie să înceapă din punctul zero (fără a ezita sau făra un start prea rapid al expirului);

– subiectul nu trebuie să tușească în prima secundă a expirului maximal și forțat, deoarece poate influența valoarea FEV1, acest lucru ducând la a considera testul inacceptabil;

– subiectul nu trebuie să tușească în timpul manevrei de expir forțat, tuse care, conform thenicianului, poate interfera cu acuratețea determinărilor parametrilor respiratori;

– glota nu trebuie închisă prematur;

– graficul curbei în porțiunea expiratorie trebuie să fie cât mai aproape de verticală în porțiunea inițială și sa atingă un vârf (PEF), apoi să continue fără incizuri;

– expirul trebuie să dureze minim 6 secunde, lucru ce poate fi verificat pe graficul curbei volum-timp;

– trebuie să se obțină un platou în porțiunea terminală a expirului, evitându-se terminarea bruscă a expirului (acest lucru subestimează FVC și supraevaluează raportul FEV1/FVC, raport extrem de important în avealuare obstrucției);

– curba inspiratorie și continuă trebuie să revină în punctul zero.

Măsurarea volumelor pulmonare cu ajutoru unui spirometru se realizează doar în cabinetul medical, tehnica fiind destul de simplă și constând în următorii pași:

– inițial, pacientul trebuie să respire normal prin aparat (inspirație și expirație);

– a doua fază este caracterizată printr-un inspir lent și maximal urmat de un expir lent și maxima;

– ultima etapă e reprezentată de un inspir profund urmat de un expir puternic și cât mai rapid.

Fig. 4.9 Măsurarea volumelor pulmonare [61]

După cum se poate observa și în imaginea de mai sus, pacientul nasului trebuie să fie obturat cu ajutorul unui clește pe durata efectuării măsurătorilor, pentru ca inspirația și expirația să se realizeze exclusiv pe gură, iar buzele trebuie să fie ținute strâns în jurul piesei introduse în cavitatea bucală.

În general, poziția pentru această procedură este șezândă, dar dacă pacientul preferă să stea în picioare, poate alege această opțiune, fără a se apleca totuși în față în momentul expirării. De obicei, sunt necesare minim 3 măsurători corect efectuate, deși uneori pot fi necesare până la 8 teste. Timpul necesar pentru realizarea acestei proceduri poate varia de la 5 minute până la 30-45 de minute, depinzând de complexitatea acesteia, precum și de modul de cooperare al pacientului. [62]

5. Realizarea dispozitivelor utilizate în cadrul sistemului inteligent

În următorul capitol, sunt prezentate atât circuitele realizate, aferente fiecărui dispozitiv utilizat cât și instrumentele și accesoriile folosite pentru realizarea întregului echipament.

5.1 Descrierea pulsoximetrului realizat

Pentru realizarea pulsoximetrului, au fost utilizate următorele componente:

– rezistențe ( 7 în total; două de 68kΩ, iar celelalte 5 cu o valoare de 220Ω, 39kΩ, 8.2kΩ, 470kΩ, respectiv de 1.8kΩ);

– condensatoare ( 4 în total; două de 1µF și două de 0.1µF);

– un tranzistor 2N3904;

– un soclu;

– un amplificator;

– un LED;

– fire de conexiuni;

– placa de test.

Cu ajutorul unui pistol de lipit, elementele electronice enumerate mai sus au fost atașate plăcii de test, conform circuitului prezentat în figura de mai jos:

Fig. 5.1 Schema electrică utilizată pentru realizarea pulsoximetrului [63]

În imaginea de mai jos, se prezintă placa de test împreună cu toate componentele menționate, în vederea realizării pulsoximetrului:

Fig. 5.2 Schema electrică a pulsoximetrului realizat

Pentru realizarea completă a dispozitivului, acestuia i se atașează un suport pentru introducerea unui deget, în vederea efectuării corecte a măsurătorilor; dispozitivul final este prezentat în imaginea de mai jos:

Fig. 5.3 Pulsoximetrul realizat complet

Schema realizată se conectează la o placă Arduino, pentru începerea realizării măsurătorilor, astfel:

– firul roșu – ce reprezintă alimentarea, se conectează la 5V (+);

– firul negru – ce reprezintă masa, se conectează la GND;

– firul verde – ce reprezintă firul de semnal analogic, se conectează la A0.

Placa Arduino UNO reprezintă o platformă de procesare open-source, ce se bazează pe software și hardware flexibil, fiind ușor de utilizat. Ea constă într-o platformă de mici dimensiuni (6.8cm / 5.3cm – varianta cea mai des întâlnită), construită în jurul unui procesor de semnal; ea este capabilă de a prelua date din mediul înconjurător prin intermediul unei serii de senzori și de a efectua acțiuni asupra mediului prin intermediul luminilor, motoarelor, servomotoarelor, precum și prin alte tipuri de dispozitive mecanice. Procesorul prezintă posibilitatea rulării unui cod scris într-un limbaj de programare, extrem de similar cu limbajul C++. [64]

Fig. 5.4 Placa Arduino UNO [64]

Specificațiile tehnice ale plăcii utilizate sunt puse în evidență prin intermediul tabelului de mai jos.

Tab. 5.1. Placa Arduino UNO – Specificații tehnice [64]

După ce pulsoximetrul realizat se conectează la placa Arduino UNO, prin intermediul unui cablu USB se realizează și legătura dintre Arduino și calculator; dacă toate conectările sunt făcute în mod corect, LED-ul de pe pulsoximetru se va aprinde. Funcționalitatea dispozitivului se realizează prin intermediul software-ului corespunzător plăcii.

Fig. 5.5 Software-ul Arduino

Programul necesar funcționării pulsoximetrului și efectuării măsurătorilor se găsește în librăria software-ului Arduino, în “Examples” – “Basics” – “AnalogReadSerial”. Acest program este următorul:

/*

AnalogReadSerial

Reads an analog input on pin 0, prints the result to the serial monitor.

Graphical representation is available using serial plotter (Tools > Serial Plotter menu)

Attach the center pin of a potentiometer to pin A0, and the outside pins to +5V and ground.

This example code is in the public domain.

*/

// the setup routine runs once when you press reset:

void setup() {

// initialize serial communication at 9600 bits per second:

Serial.begin(9600);

}

// the loop routine runs over and over again forever:

void loop() {

// read the input on analog pin 0:

int sensorValue = analogRead(A0);

// print out the value you read:

Serial.println(sensorValue);

delay(1); // delay in between reads for stability

}

Dacă sistemul funcționează corect, în momentul introducerii degetului în spațiu special creat din cadrul puslxoimetrului, pe ecranul calculatorului vor apărea valorile măsurătorii.

Fig. 5.6 Măsurarea pulsului folosind pulsoximetrul realizat

Din opțiunile software-ului Arduino, se selectează “Serial Monitor”, pentru afișarea valorilor măsurătorilor (figura 5.7) și “Serial Plotter” pentru observarea variației semnalului corespunzător acestor măsurători (figura 5.8).

Fig. 5.7 Apariția valorilor măsurătorilor Fig. 5.8 Variația semnalului corespunzător măsurătorilor

Apariția valorilor din imaginea de mai sus, precum și a semnalului dovedesc faptul că pulsoximetrul este funcțional.

5.1.1 Descierea elementelor de mentenanță ale unui pulsoximetru

Mentenanța reprezintă un ansamblu de activități tehnice, administrative și de management realiate de-a lungul ciclului de viață al unui produs, având ca scop menținerea sau readucerea acestuia în starea în care sa îndeplinească funcțiile necesare. Mentenanța cuprinde mai multe aspecte ale unui element, precum întreținerea și reparația componentelor sistemului, fiabilitatea produsului, îmbunătățirea funcționării acestuia, protejarea elementelor sistemului împotriva deteriorării și defectării etc. [65]

Printre criteriile de acceptabilitate ale parametrilor de securitate și de performanță ale unui pulsoximetru se numără următoarele: [66]

– verificarea tipului și a gradului de protecție electrică;

– verificarea identificării și a marcărilor exterioare (dispozitivul trebuie să fie identificat prin model/tip, firmă producătoare, seria de fabricație, valoarea tensiunii electrice de alimentare);

– verificarea curentului/puterii absorbit(e) – valorile măsurate trebuie să se încadreze în limitele specificate de standardul aferent, conform încadrării specifice;

– verificarea rezistenței de izolație;

– verificarea comenzilor și a indicatoarelor;

– verificarea testului de saturație a oxigenului (aceasta se face la valori de 95%, 90% și 70%);

– verificarea pulsului ( se face la măsuri de 250bpm, 150bpm și 70bpm);

– verificarea alarmelor de saturație și de puls (minime și maxime).

În ceea ce privește calibrarea dispozitivului (calibrarea reprezentând compararea dintre două măsurători: cea care trebuie verificată – efectuată cu un echipament comun, supus testării, și cea cunoscută – ce se efectuează cu ajutorul unui echipament etalon, urmând înregistrarea măsurătorilor), această acțiune este necesar realizată pentru fiecare individ în parte pentru a obține un semnal corect, deoarece fiecare persoană are o dimensiune diferită a degetului, precum și o culoare diferită a pielii.

5.1.2 Întreținerea/curățarea pulsoximetrului

În vederea utilizării unui pulsoximetru un timp îndelungat în condiții maxime de siguranță, există câteva metode simple de curățare și de păstrare ale acestuia, enumerate în continuare: [67]

– unul dintre cele mai importante aspecte în ceea ce privește curățarea dispozitivului constă în dezinfectarea spațiului în care se introduce degetul pentru efectuarea măsurătorilor; acest lucru se realizează de către utilizatori (doctori) după fiecare pacient;

– dispozitivul trebuie menținut în permanență curat, prin utilizarea unei lavete umezite în apă;

– pentru dezinfectare, se utilizează soluție alcoolică;

– nu se utilizează soluții organice, ce pot afecta componentele instrumentului;

– după fiecare curățare, aparatul se verifică pentru detectarea unor posibile deteriorări.

5.2 Descrierea spirometrului realizat

Pentru realizarea instrumentului, a fost utilizat un senzor de presiune BMP180 (reprezentat în imaginea de mai jos), la care au fost conectate 4 cabluri tata-tata, ulterior atașate la placa Arduino. Senzorul a fost fixat în interiorul unui muștiuc (tub) cu diametrul de aprox. 25 mm. în care pacientul sau subiectul trebuie să sufle, pentru aflarea volumului de aer ce intră în plămâni. Cavitatea bucală trebuie să fie atent poziționată în jurul tubului, astfel încât aerul din exterior să nu pătrundă în muștiuc, pentru evitarea erorilor în timpul măsurătorilor.

Fig. 5.9 Senzor de presiune BMP180 [68]

În imaginea de mai jos, este reprezentat senzorul atașat la placa Arduino UNO, conectarea între cele două realizându-se astfel:

– SDA (de pe senzor) la A4 (de pe placă) – firul verde;

– SCL (de pe senzor) la A5 (de pe placă) – firul portocaliu;

– GND (de pe senzor) la GND (de pe placă) – firul albastru;

– VDD (de pe senzor) la 5V (de pe placă) – firul negru, acesta reprezentând și alimentarea.

Ca majoritatea senzorilor de presiune, și acesta (BMP180) măsoară presiunea absolută. Aceasta reprezintă, de fapt, presiunea atmosferică reală văzută de dispozitiv, iar ea variază atât în funcție de altitudine, cât și în funcție de vreme.

Înainte de citirea unei presiuni, se face o citire temporară; acest lucru se realizează cu startTemperature () și getTemperature (). Rezultatul este în C.

După citirea temperaturii, se poate face și citirea presiunii. Acest lucru re face cu startPressure () și getPressure. Rezultatul este în milibari (mb), alias hectopascal (hPa).

Fig. 5.10 Senzorul de presiune conectat la placa Arduino

Ca și în cazul puloximetrului, și în acest caz scrierea unui program în softul Arduino este indispensabilă, el găsindu-se în exemplele pe care le oferă programul, în momentul instalării unor librării specifice senzorului BMP180. Acest program este următorul:

#include <SFE_BMP180.h>

/* SFE_BMP180 library example sketch

This sketch shows how to use the SFE_BMP180 library to read the

Bosch BMP180 barometric pressure sensor.

https://www.sparkfun.com/products/11824

Like most pressure sensors, the BMP180 measures absolute pressure.

This is the actual ambient pressure seen by the device, which will

vary with both altitude and weather.

Before taking a pressure reading you must take a temparture reading.

This is done with startTemperature() and getTemperature().

The result is in degrees C.

Once you have a temperature reading, you can take a pressure reading.

This is done with startPressure() and getPressure().

The result is in millibar (mb) aka hectopascals (hPa).

If you'll be monitoring weather patterns, you will probably want to

remove the effects of altitude. This will produce readings that can

be compared to the published pressure readings from other locations.

To do this, use the sealevel() function. You will need to provide

the known altitude at which the pressure was measured.

If you want to measure altitude, you will need to know the pressure

at a baseline altitude. This can be average sealevel pressure, or

a previous pressure reading at your altitude, in which case

subsequent altitude readings will be + or – the initial baseline.

This is done with the altitude() function.

Hardware connections:

– (GND) to GND

+ (VDD) to 3.3V

(WARNING: do not connect + to 5V or the sensor will be damaged!)

You will also need to connect the I2C pins (SCL and SDA) to your

Arduino. The pins are different on different Arduinos:

Any Arduino pins labeled: SDA SCL

Uno, Redboard, Pro: A4 A5

Mega2560, Due: 20 21

Leonardo: 2 3

The circuit:

* LCD RS pin to digital pin 12

* LCD Enable pin to digital pin 11

* LCD D4 pin to digital pin 5

* LCD D5 pin to digital pin 4

* LCD D6 pin to digital pin 3

* LCD D7 pin to digital pin 2

* LCD R/W pin to ground

* 10K resistor:

* ends to +5V and ground

* wiper to LCD VO pin (pin 3)

Leave the IO (VDDIO) pin unconnected. This pin is for connecting

the BMP180 to systems with lower logic levels such as 1.8V

Have fun! -Your friends at SparkFun.

The SFE_BMP180 library uses floating-point equations developed by the

Weather Station Data Logger project: http://wmrx00.sourceforge.net/

Our example code uses the "beerware" license. You can do anything

you like with this code. No really, anything. If you find it useful,

buy me a beer someday.

V10 Mike Grusin, SparkFun Electronics 10/24/2013

V1.1.2 Updates for Arduino 1.6.4 5/2015

*/

// Your sketch must #include this library, and the Wire library.

// (Wire is a standard library included with Arduino.):

#include <SFE_BMP180.h>

#include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal.h>

// You will need to create an SFE_BMP180 object, here called "pressure":

SFE_BMP180 pressure;

float volFlow = 0;

float volume = 0;

float massFlow = 0;

float rho = 1.205; // Density of air in kg/m3

float area_1 = 0.00057255; // Surface area in m2

float area_2 = 0.00001256; // Surface area in m2 (4mm2)

//float area_2 = 0.00002827; // Surface area in m2 (6mm2)

float nr = 0;

LiquidCrystal lcd(7, 6, 5, 4, 3, 2);

boolean resetare = false;

void setup()

{

Serial.begin(9600);

Serial.println("REBOOT");

lcd.begin(16,2);//marimea lcd-ului;in cazul nostru este de 16×2;

// Initialize the sensor (it is important to get calibration values stored on the device).

if (pressure.begin())

{

Serial.println("BMP180 init success");

lcd.print("BMP180 init OK");

delay(2000);

lcd.clear();

}

else

{

// Oops, something went wrong, this is usually a connection problem,

// see the comments at the top of this sketch for the proper connections.

Serial.println("BMP180 init fail\n\n");

lcd.clear();

lcd.print("BMP180 init fail");

while (1); // Pause forever.

}

}

void loop()

{

double P;

P = getPressure();

Serial.print("absolute pressure: ");

Serial.print(P);

Serial.print(" mb, ");

if (P > 942) // inainte de a rula programul se verifica presiunea din sala si se seteaza aici

apasat ();

else if ( resetare == true)

{

volume = nr; // Total volume

Serial.print("Volum: ");

Serial.print(volume);

Serial.println(" L, ");

lcd.setCursor(1,0);

lcd.print ("Volum: ");

lcd.setCursor(1,1);

lcd.print (volume);

lcd.print (" litri");

delay (5000);

resetare = false;

}

else

{

nr = 0;

volume = nr; // Total volume

Serial.print("Volum: ");

Serial.print(volume);

Serial.println(" L, ");

lcd.setCursor(1,0);

lcd.print ("Volum: ");

lcd.setCursor(1,1);

lcd.print (volume);

lcd.print (" litri");

}

}

void apasat()

{

resetare = true;

lcd.clear();

double P;

P = getPressure();

// Print out the measurement:

Serial.print("absolute pressure: ");

Serial.print(P);

Serial.print(" mb, ");

int Preal = (P – 942) ; // inainte de a rula programul se verifica presiunea din sala si se seteaza aici

Serial.print("Presiunea reala: ");

Serial.print(Preal);

Serial.print(" Pa ");

massFlow = 1000 * sqrt((abs(Preal) * 2 * rho) / ((1 / (pow(area_2, 2))) – (1 / (pow(area_1, 2))))); // Mass flow of air

// Serial.print("Debit masic: ");

// Serial.print(massFlow);

// Serial.print(" kg/s, ");

volFlow = massFlow / rho; // Volumetric flow of air

Serial.print("Debit volumetric: ");

Serial.print(volFlow);

Serial.println(" L/100 ms, ");

// if(volFlow > 0.5)

nr = nr + volFlow;

delay (14);

}

double getPressure()

{

char status;

double T, P;

// You must first get a temperature measurement to perform a pressure reading.

// Start a temperature measurement:

// If request is successful, the number of ms to wait is returned.

// If request is unsuccessful, 0 is returned.

status = pressure.startTemperature();

if (status != 0)

{

// Wait for the measurement to complete:

delay(status);

// Retrieve the completed temperature measurement:

// Note that the measurement is stored in the variable T.

// Use '&T' to provide the address of T to the function.

// Function returns 1 if successful, 0 if failure.

status = pressure.getTemperature(T);

if (status != 0)

{

// Start a pressure measurement:

// The parameter is the oversampling setting, from 0 to 3 (highest res, longest wait).

// If request is successful, the number of ms to wait is returned.

// If request is unsuccessful, 0 is returned.

status = pressure.startPressure(3);

if (status != 0)

{

// Wait for the measurement to complete:

delay(status);

// Retrieve the completed pressure measurement:

// Note that the measurement is stored in the variable P.

// Use '&P' to provide the address of P.

// Note also that the function requires the previous temperature measurement (T).

// (If temperature is stable, you can do one temperature measurement for a number of pressure measurements.)

// Function returns 1 if successful, 0 if failure.

status = pressure.getPressure(P, T);

if (status != 0)

{

return (P);

}

else Serial.println("error retrieving pressure measurement\n");

}

else Serial.println("error starting pressure measurement\n");

}

else Serial.println("error retrieving temperature measurement\n");

}

else Serial.println("error starting temperature measurement\n");

}

Varianta finală a spirometrului este cea din imaginea de mai jos:

Fig. 5.11 Spirometrul realizat

După conectarea spirometrului realizat la PC și scrierea programului de mai sus în software-ul Arduino, urmează verificarea funcționalității acestuia. Aces lucru se face, în primul rând prin afișarea sintagmei “BMP180 Init Succes” în fereastra “Serial Monitor” a programului. După aceea, este aboslut necesară reprezentarea unor date, măsurători, numere în aceeași fereastră. Acest lucru se poate observa și în imaginea de mai jos:

Fig.5.12 Măsurători obținute cu ajutorul spirometrului

5.2.1 Calibrarea spirometrului

Calibrarea, întreținerea, precum și controlul echipamentelor sunt sarcini atribuite utilizatorului, sarcini ce trebuiesc asigurate periodic sau ori de câte ori este necesar.

Calibrarea dispozitivului este face parte din cerințele fundamentale ale unui aparat, stabilind relația dintre valorile măsurate de senzor și valorile reale ale volumelor, respectiv ale debitelor. Pentru ca această acțiune, calibrarea, să fie considerată validă, diferența dintre cele două seturi de valori nu trebuie să fie mai mare de ±3%. Calibrarea dispozitivului este indispensabilă pentru o acuratețe a înregistrării debitelor pulmonare cât mai bună, aceasta realizându-se la începutul fiecărei proceduri. [25]

Tab. 5.2 Proceduri de calibrare [25]

Calibrarea spirometrelor de volum se realizează prin intermediul unei siringi de 1L sau de 3L, care are precizia de ±15 mL sau 0,5. La rândul ei, și seringa necesită o calibrare, precum și o verificare periodică, acest lucru depinzând de specificațiile fabricantului. Cu toate acestea, verificarea propriu-zisă va fi făcută zilnic prin descărcarea seringii de 3L o singură dată. Seringa trebuie să fie depozitată în aceleași condiții de mediu (temperatură și umiditate) ca și dispozitivul.[25]

Trebuie realizată și o a doua verificare a spirometrelor de volum, în ceea ce privește posibilele pierderi de aer. În acest caz, i se aplică dispozitivului (ce are toate ieșirile închise, inclusiv piesa bucală) o presiune constantă de 3cmH2O; astfel, o pierdere care depășește volumul de 30 mL într-o perioadă de timp egală cu un minut, indică o scurgere de aer ce trebuie imediat remediată. Linearitatea volumelor este o procedură ce se realizează trimestrial, prin intermediul unei seringi de 1L; valorile acesteia nu trebuie să depășească intervalul ±3,5% (respectiv 65mL) din valorile afișate. [25]

Fig. 5.13 Seringă de 3l pentru calibrarea unui spirometru [69]

Linearitatea fluxurilor trebuie să fie verificată săptămânal prin injecții incrementate cu ajutorul seringii de calibrare de 1L, observându-se astfel veridicitatea afișării cu suma volumelor adăugate. De exemplu, după aplicarea a 3 injecții de 1L, aparatul ar trebui să indice o valoare de 3L cu o toleranță de ±3,5%. [25]

Spirometrele de debit, ca și cele de volu, se calibrează periodic, conform unor standarde în vigoare. Calibrarea se realizeză cu aceeași seringă de 3L, singurul lucru care diferă fiind viteza de descărcare: prima se face la 0,5s, a doua la 3s, iar ultima la 6s. Linearitatea fluxurilor trebuie executată săptămânal prin 9 descărcări consecutive ale seringii, în modul următor: 3 fluxuri mici, 3 fluxuri medii și, în final, 3 fluxuri mari. [25]

6. INTEGRAREA DISPOZITIVELOR ÎNTR-UN SINGUR SISTEM INTELIGENT

În acest capitol, vor fi descrise componentele care alcătuiesc sistemul inteligent. În primul rând, fundația / baza acestui sistem creat este reprezentată de Placa Arduino Uno. Pe aceasta, se vor atașa ulterior toate celelalte elemente.

6.1 Conectorul Bluetooth

Primul elemente atașat plăcii Arduino este un shield în care este plasat modulul Bluetooth. Acest modul se numește Bluetooth Mate Gold și este produs de Sparkfun. El este ușor de utilizat și funcționează extrem de bine în combinație cu placa Arduino. Datele scrise pe pinii Rx/Tx sunt disponibili la receptor, din acest motiv ei fiind conectați prin fire obișnuite între emițător și receptor. Acest modem dispune de un modul de clasa 2 RN-41 și de regulatoare de tensiune pe placă pentru a-i permite alimentarea între 3.3V și 6V. [70]

Fig. 6.1 Conector Bluetooth Mate Gold [70]

Câteva specificații tehnice ale acestui modul sunt prezentate în continuare: [70]

– atinge până la 100m ca distanță de transmisie;

– este un modem Bluetooth clasa 1;

– are antena inclusă pe placă,

– tensiunea de alimentare este între 3.3V și 6V;

– este capabil de rate de transfer între 2400 – 115200bps (configurat din fabrică la 115200).

6.2 Modulul EKG/EMG

Următorul element așezat în sistem este un modul EKG/EMG. Acesta înregistrează modificările de potențial ale câmpului electric generat de activitatea electrică a inimii. Rolul acestuia în sistemul realizat este de a confirma funcționalitatea pulsoximetrului; astfel, daca pulsoximetrul funcționează, prin intermediul modulului, pe ecran vor fi afișate câteva unde.

Electrocardiograma (ECG/EKG) reprezintă astfel preluarea activității electrice a fibrelor musculare ale inimii. Fiecare contracție a miocardului (ce rezultă în urma unei excitații puternice electrcie, ce provenite de la nodul sinusal) se înregistrează cu ajutorul acestui dispozitiv. Măsurătorile se realizează la suprafața organismului, preluându-se modificările potențialelor electrice ale inimii.[71]

Primele studii în domeniul electrocardiografiei au fost realizate cu un electrometru capilar și publicate de fiziologul britanic Augustus D. Waller, în anul 1887. În anul 1893, Willem Einthoven introduce pentru primadată termenul de “electrocardiogramă”, iar în anul 1901 inventează un dispozitiv pentru înregistrarea ECG, cu electrozi din argin.

Atât bazele teoretice, cât și cele practice ale ECG au fost puse de Einthoven (care a obținut și premiul Nobel pentru asta). În ceea ce privește elaborarea teoriilor sale, el a plecat de la următoarele premise:[71]

– cordul este un dipol;

– cordul este situat în centrul toracelui, iar acesta este situat în centrul corpului;

– toracele este sferic;

– articulațiile radio-carpiene și tibio-tarsiene sunt echidistante față de cord;

– rezistențele electrice ale țesuturilor sunt egale în orice direcție.

Dintre toate acestea, singura opțiune adevărată este aceea că inima este un dipol; aecst lucru este suficient totuși pentru explicarea formării undelor ECG.

Pentru o mai bună înțelegere a EKG-ului, este indispensabilă cunoașterea proceselor electrofiziologice ce determină formarea potențialului de acțiune, precum și conducerea impulsurilor în peretele inimii.[71]

Conducerea impulsului electric la inimă se realizează de către țesutul nodal al inimii, acesta fiind format din:[71]

– nodul sino-atrial;

– nodul atrio-ventricular;

– fasciculul His;

– rețeaua Purkinje.

Un electrocardiograf este un galvanometru modificat care înregistrează cu viteză mare variațiile de curent electric generate de inimă, pe care le amplifică și le transformă în deplasări mecanice. În principiu, un astfel de aparat este alcătuit din:[15]

– electrozi și cabluri care stabilesc legătura dintre câmpul electric cardiac și aparat;

– sistemul de amplificare electronic;

– sistem de filtrare a „zgomotelor”;

– comutatori de derivații;

– sistemul de înregistrare care diferă după tipul aparatului: pe hârtie termosensibilă, mecanosensibilă, cu cerneală, pe un tub catodic, pe ecranul unui computer;

– un sistem de derulare a hârtiei.

Electrocardiograma se realizează de obicei de către un cadru medical, iar rezultatul este citit de către medicul internist sau medicul cardiolog. Aparatul este portabil pentru a putea fi utilizat practic oriunde și pacientul poate fi ținut sub observație continuu printr-un electrocardiograf. Acest procedeu poartă denumirea de telemetrie.

Modulul EKG utilizat în realizarea sistemului inteligent este prezentat în figura următoare:

Fig.6.2 Shield EKG (față) Fig.6.3 Shield EKG (spate)

6.3 Integrarea tuturor elementelor pe placa Arduino

După atașarea pe placa Arduino a modulului Bluetooth și a shield-ului EKG, urmează atașarea celor două dispozitive medicale.

Pentru a verifica funcționalitatea modulului Bluetooth, se utilizează utilitarul PuTTY (un software descărcat de pe Internet). În acesta, se introduce COM-ul corespunzător utilziatorului, precum și viteza de 9600.

Fig.6.4 Utilitarul PuTTY, necesar la crearea unei conexiuni între Bluetooth și PC

PuTTY este un software gratuit și open-source ce emulează un terminal. Câteva caracteristici ale acestuia ar fi:[72]

-poate stoca adresele favorite pentru posibilitatea accesării ulterioare;

-prezintă suport pentru conexiuni seriale locale;

-nu necesită instalare, fiind un singur fișier executabil;

-suportă autentificare prin Public-key.

În figurile de mai jos, se poate observa cum atât valorile apărute în “Serial Monitor” (Arduino) – prezentate în capitolul anterior pentru pulsoximetru, cât și cele pentru spirometru sunt transferate în fereastra programului PuTTY, dovadă că modulul Bluetooth funcționează și creează o conexiune cu PC-ul.

Fig.6.5 Transmiterea informațiilor legate de spirometru utilizând conectorul Bluetooth

Fig.6.6 Transmiterea informațiilor legate de pulsoximetru utilizând conectorul Bluetooth