1. Sistema interfaz visual para el control de la
respiración en maniobras autonómicas
Pablo A. Russo-Orte1, Luciano R. Rambaudi1, María S. Perrone2, Leonardo Nicola-Siri1, María C.
Mántaras1
1 Laboratorio de Bioinstrumentación – Departamento Bioingeniería – Facultad de Ingeniería –
Universidad Nacional de Entre Ríos,
2 Laboratorio de Fisiología y Biofísica – Departamento Biología – Facultad de Ingeniería –
Universidad Nacional de Entre Ríos, cmantaras@bioingenieria.edu.ar
Resumen— En numerosos trabajos se ha mostrado que el cardiovascular del barorreflejo y de la mecánica respiratoria
control voluntario de la respiración permite una mejor sobre el corazón y los vasos dentro del tórax [5]. Los ritmos
valoración de los indicadores autonómicos cardiovasculares en de la frecuencia respiratoria en los nervios autonómicos se
el análisis de la variabilidad de la frecuencia cardiaca. En este traducen en variaciones en la frecuencia de descarga del
trabajo se desarrolló un dispositivo de estímulo, sistema nodo SA; de esta forma, la frecuencia a la que ocurre la
interfaz visual, que guía al sujeto para respirar fijando
parámetros como frecuencia respiratoria, volumen corriente,
ASR cambia con la frecuencia respiratoria [2]. La ASR es
relación período inspiratorio/período respiratorio, tiempo de considerado el indicador más relevante de la actividad
apnea inspiratoria, tiempo de apnea espiratoria y la forma de vagal y es utilizado como un índice de la modulación vagal
onda del volumen. Se diseñó el sistema utilizando tres barras sobre el corazón [2].
de LEDs, dos siguen la función programada en un PIC y la Existen numerosos indicadores para el estudio de la
otra muestra la manera en que respira el sujeto. Para obtener VFC, los más tradicionales se obtienen utilizando técnicas
la señal respiratoria del sujeto, se construyó un de análisis en el dominio del tiempo o de la frecuencia. Las
neumotacógrafo basado en un transductor de flujo y un sensor herramientas utilizadas para realizar el análisis espectral de
de presión diferencial. Las mediciones de banco realizadas la VFC incluyen métodos basados en la Transformada de
sobre el instrumento desarrollado muestran una respuesta
lineal de las barras de leds y también del neumotacógrafo.
Fourier y modelos autorregresivos (AR).
Además presenta una adecuada respuesta a los parámetros Del análisis en el dominio de la frecuencia surgen dos
fijados. El instrumento desarrollado permite a grupos de bandas de frecuencias claramente diferenciables, una banda
investigación locales contar con un dispositivo para realizar de alta frecuencia (HF, de su sigla en inglés), comprendida
estudios autonómicos bajo maniobras de respiración entre 0.15 a 0.4 [Hz] en adultos normales [1] y que puede
controlada. extenderse de 0.15 a 1 [Hz] para niños y adultos en
Palabras clave— variabilidad cardiovascular, arritmia sinusal ejercicio [2], y la banda de baja frecuencia (LF, de su sigla
respiratoria, maniobras autonómicas, metrónomo visual en inglés), de 0.04 a 0.15 [Hz]). La banda de HF está
electrónico. mediada por la respiración (ASR) y está relacionada con la
modulación parasimpática, mientras que la banda de LF
I. INTRODUCCIÓN está asociada tanto al simpático como al parasimpático [6],
Las variables cardiovasculares como la frecuencia [7] y [8]. El análisis de la banda HF constituye uno de los
cardiaca y la presión arterial presentan cambios en su indicadores más utilizados para evaluar la modulación
morfología, amplitud y fase de un latido a otro. Esta autonómica sobre el sistema cardiovascular.
variabilidad se debe a los mecanismos de control En numerosos trabajos se ha mostrado que el control
cardiovascular, principalmente a la acción del Sistema voluntario de la respiración permite una mejor valoración
Nervioso Autónomo (SNA), cuya función es mantener los de los indicadores autonómicos cardiovasculares en el
parámetros cardiovasculares alrededor de sus valores análisis de la VFC. Habitualmente, se han utilizado
fisiológicos. El análisis de la variabilidad de la frecuencia metrónomos audibles, y de esa manera obtener una mejor
cardiaca (VFC) constituye una herramienta no-invasiva y comprensión de las variaciones en el ritmo cardiaco [9]. Sin
confiable para la evaluación de los mecanismos de control embargo, está técnica de control de la respiración exige al
del sistema cardiovascular [1], y en particular de la sujeto un tiempo prolongado de aprendizaje, para poder
modulación de las ramas simpática y parasimpática del distinguir la señal audible correctamente. Estudios recientes
SNA. utilizan metrónomos visuales para controlar la respiración,
La arritmia sinusal respiratoria (ASR) puede definirse los cuales representan una alternativa más simple para el
como las variaciones en la frecuencia cardiaca que ocurren sujeto que realiza la prueba. En la FI-UNER existen grupos
de manera sincronizada con la respiración. Este fenómeno de investigación con interés de utilizar este tipo de interface
es dependiente tanto del volumen corriente (VC) como de visual para realizar estudios de la modulación autonómica
la frecuencia de la respiración (FR) [3,4] y es una arritmia en condiciones de respiración controlada.
cardiaca indicativa de buena salud [5]. Si bien aún no se ha El objetivo de este trabajo fue diseñar e implementar un
determinado en forma concluyente el mecanismo por el sistema interfaz electrónica visual para realizar diversos
cual se produce la ASR, ésta refleja el efecto complejo del estudios autonómicos bajo maniobras de respiración
centro nervioso respiratorio sobre el centro de control controlada.

2. II. DISEÑO Y DESARROLLO DE LA INTERFAZ Los parámetros que el usuario puede configurar a través
En el instrumento desarrollado, la interfaz visual consiste del teclado son: el tipo de onda (TO), la frecuencia
en un dispositivo que, mediante columnas de LEDs, respiratoria (FR), el volumen corriente (V), la relación
estimula al sujeto durante su respiración y le muestra la período inspiratorio/período respiratorio (PI/PR), y los
señal generada por él mismo, de manera de seguir de tiempos de apnea inspiratoria (AI) y espiratoria (AE).
manera sencilla la señal estímulo. En la Fig. 2 se muestra una imagen del panel frontal del
La instrumentación consta de un circuito electrónico instrumento, mediante el cual el usuario configura los
comandado por el microcontrolador 18F4620, de la firma valores requeridos para el estímulo al sujeto en estudio. El
Microchips, el cual adquiere la señal proveniente del sensor recuadro negro representa el display LCD. El desarrollo
de presión, conectado al transductor de flujo inserto en la cuenta con ocho pulsadores, de los cuales seis se utilizan
mascarilla donde respira el sujeto durante el estudio y para seleccionar las variables mencionadas anteriormente,
genera las señales analógicas necesarias para excitar las tres y los otros dos se utilizan de la siguiente manera: SET para
columnas de LEDs, de las cuales dos se utilizan para detener el funcionamiento del dispositivo y modificar una
estimular al sujeto durante el estudio y la restante como de las variables, y el pulsador OK para confirmar los
retroalimentación para el sujeto. La generación de la señal cambios efectuados en el valor del parámetro deseado.
en la columna central se realiza en base a la integración del
flujo sensado, y para las columnas laterales, se generan las
señales de estímulo por procesamiento matemático en el
microcontrolador. A su vez, el microcontrolador muestra
los valores de los parámetros respiratorios configurados por
el usuario en un display LCD. El diagrama en bloques del
instrumento se representa en la Fig. 1. En la Tabla I se
muestran los rangos de las señales que se generan como
estímulo para el sujeto.
Transductor de
flujo
Fig. 2: Panel frontal del metrónomo. El mismo cuenta ocho pulsadores
para la selección de las variables, un potenciómetro para la selección del
Sensor de valor, un LCD que muestra valores y variables, y un cuadro de
presión información con los rangos y unidades de cada parámetro.
Neumotacógrafo
El neumotacógrafo se construyó a partir de un
Filtro transductor de flujo y un sensor de presión diferencial. El
transductor de flujo por presión diferencial, se compone de
un cuerpo cilíndrico hueco con un tabique, utiliza una
estructura aerodinámica de la que se elimina la placa de
Microcontrolador
orificio del transductor para crear una caída en la presión de
los gases respiratorios que fluye por el mismo. El tabique se
extiende por todo el diámetro de la cavidad del sensor de
flujo y divide al transductor. Además, la sección geométrica
Teclado LCD
transversal es simétrica a la corriente de gases respiratorios
que fluyen a través el transductor en cualquier dirección, y
en general tiene una sección transversal elíptica. En la Fig.
3 se muestra una fotografía del transductor utilizado en este
Interfaz con el trabajo.
sujeto
Fig. 1: Diagrama en bloques del dispositivo.
TABLA I
RANGOS DE LAS SEÑALES ANALÓGICAS GENERADAS
Fig. 3: Fotografía del transductor. Aquí se aprecia el cuerpo cilíndrico
hueco con el tabique central.
Variable Mínimo Máximo
Amplitud [V] 0 5 El sensor de presión que se utilizó es el MPXV7007DP
de Freescale, es del tipo piezoresistivo, posee una muy
Frecuencia [Hz] 0.1 1.0
buena exactitud, una tensión de salida lineal con respecto a
Tipo Senoidal Triangular la presión aplicada y además está compensado en
temperatura.

3. La Fig. 4 muestra el circuito de desacople recomendado En la Fig. 6 se muestra en un esquema, la forma típica
por el fabricante para unir el sensor integrado al A/D de un del volumen corriente en función del tiempo para un ciclo
microprocesador o microcontrolador. A su vez, también se respiratorio normal; las marcas corresponden a las cuatro
colocó un filtro pasa bajos pasivo de primer orden. etapas descriptas en el párrafo anterior, cuyos valores se
configuran para generar la señal del estímulo.
Fig. 4: Circuito de desacople del sensor de presión.
La visualización de la señal de estímulo se realiza por Fig. 6: Esquema del ciclo respiratorio simplificado: gráfica del volumen
corriente (expresado en litros) en función del tiempo (en segundos).
medio de dos columnas paralelas conformadas por 40 LEDs
de color rojo, cada una, mientras que la visualización de la
señal sensada del sujeto está formada por una columna de Para el encendido de los LEDs de las barras se utilizó el
40 LEDs de color verde contiguos. El montaje de las barras circuito integrado LM3914, de la empresa National
se muestra en la Fig. 5. La disposición de las columnas, Semiconductor. Éste es un circuito integrado monolítico
como así también el color diferente de las barras (estímulo que censa el nivel de voltaje presente en su entrada, y
y retroalimentación), fueron pensadas con el fin de facilitar controla 10 LEDs, proveyendo una escala lineal de 10
la diferenciación entre ambas, de manera que el sujeto no se pasos. Para obtener mayor resolución, se conectaron 4
confunda durante el estudio. LM3914 en cascada.
La secuencia de encendido-apagado se inicia de abajo
hacia arriba, y progresa a velocidad variable dependiendo III. PRUEBAS DE BANCO DE LA INTERFAZ
de la frecuencia fijada. El sujeto sincroniza la inspiración Para evaluar como el prototipo funciona bajo las diversas
con la secuencia hacia arriba y la espiración con la configuraciones, se realizaron experiencias que consistieron
secuencia hacia abajo, y así sucesivamente durante el en, mediante señales de prueba, variar una de las variables
tiempo que dure la maniobra. controladas y dejar fijas las otras. Los valores para cada una
El ciclo respiratorio se dividió en las siguientes cuatro de las variables que se usaron en estas pruebas se muestran
etapas: inspiración (I), que es la etapa donde se van en la Tabla II. Se midió el error entre la señal de prueba,
encendiendo los LEDs uno por uno; espiración (E), aquí los construida a partir de los valores configurados, y la señal de
LEDs se van apagando uno por uno en orden inverso al que estímulo generada. Todas las señales analógicas generadas
se encendieron; apnea inspiratoria (AI), en donde se le pide con el instrumento fueron registradas con un osciloscopio
al individuo en estudio que mantenga la respiración hasta Fluke 196C, y para cada una de ellas se calculó el error
que los LEDs comiencen a apagarse y apnea espiratoria relativo, de acuerdo a (1). En la Fig. 7 se muestra el error
(AE), en la que se le solicita al sujeto que no inspire relativo para cada una de las pruebas realizadas.
mientras no se vuelvan a encender los LEDs.
������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������ % = ∗ 100
������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ −������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������ ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
(1)
TABLA II
VALORES CONFIGURADOS PARA LOS DISTINTOS PARÁMETROS
DURANTE LAS PRUEBAS DE BANCO
FR (Hz) VC (ml) PI/PR AI (s) AE (s)
FR
0.1 -
(Hz) 1000 0.5 0 0
0.25-1
VC 250 -500 -
0.15 0.5 0 0
(ml) 750 - 1000
0.25 - 0.5 -
PI/PR 0.15 1000 0 0
0.75
AI (s)
0.15 1000 0.5 1 -2 0
AE (s) 0.15 1000 0.5 0 1 -2
Fig. 5: Interfaz con el sujeto. Las barras rojas laterales representan el Para determinar la linealidad de las barras luminosas se
estímulo y la barra verde central la señal generada por el sujeto (en este realizaron pruebas que consistieron en la aplicación de una
caso una señal de prueba).
señal de entrada continua y regulable, de manera tal que a
medida que se iban encendiendo los LEDs por variación de

4. la tensión aplicada, se midió el valor de tensión de la señal IV. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES
de entrada con un multímetro de precisión FLUKE45 de 4,5 El sistema electrónico visual desarrollado en este trabajo
dígitos y medio. Como se puede observar en la Fig. 8, la cuenta con una electrónica sencilla, y disponible en el
etapa de visualización presentada al sujeto responde de mercado local, lo cual hace de este un dispositivo de fácil
manera lineal en todo el rango de valores, con lo cual reproducibilidad. Para ingresar el valor de las variables que
satisface nuestras especificaciones de diseño. La variación se pretenden configurar, se realizó un módulo de
de tensión necesaria para encender un LED es en promedio visualización con un display LCD y un teclado, esto hace
de 124,18[mV], siendo el máximo 131,60 [mV] y el que la interfaz de configuración sea de fácil interpretación y
mínimo de 116,70 [mV]. manejo.
Las pruebas de banco para evaluar el desempeño del
10
9 sistema desarrollado mostraron que el dispositivo, mediante
8 las señales generadas, reproduce satisfactoriamente el
Error Relativo [%]
7
patrón respiratorio preestablecido por el usuario.
6
5 En este trabajo se concluye que el sistema de interfaz
4 visual para el control de la respiración en maniobras
3
2
autonómicas desarrollado cumple con los requerimientos
1 impuestos y las consiguientes especificaciones de diseño
0 planteadas. El instrumento permite realizar estudios
fisiológicos que involucren controlar la frecuencia
respiratoria, el volumen corriente, la relación período
Fig. 7: Gráfica de los errores relativos para cada una de las pruebas inspiratorio/ período respiratorio y realizar una respiración
realizadas. Fn.nn, es la frecuencia respiratoria configurada en “n.nn” Hz; mediante una forma de onda impuesta. Asimismo, otra
Vnnn es el volumen corriente en “nnn” ml; R es la relación inspiración- aplicación de utilidad es el uso de este instrumento como
espiración; AIn, es la apnea inspiratoria a “n” segundos; AEn es la apnea
espiratoria a “n” segundos.
herramienta didáctica para la enseñanza de la fisiología
respiratoria.
Entrada [V] AGRADECIMIENTOS
5
4,5 El presente trabajo se desarrolló en el Laboratorio de
4
3,5 Bioinstrumentación de la Facultad de Ingeniería de la
3
2,5 UNER con fondos del mismo.
2
1,5
1
0,5 REFERENCIAS
0
[1] Task Force of the European Society of Cardiology and the
0 5 10 15 20 25 30 35 40
N° de LEDs encendidos
N.A.S.P.&E.: “Heart Rate Variability: Standards of measurement,
physiological interpretation, clinical use.” Circulation, 1996; 93:
Fig. 8: Gráfica de la tensión de excitación de las barras de LEDs vs. el 1043-1065.
número de LEDs encendidos. [2] Berntson GG, Bigger JT, Eckberg DL, Grossman P, Kaufmann PG,
Malik M, et al.: “Heart rate variability: Origins, methods, and
Para obtener la función transferencia del neumotacógrafo interpretive caveats.” Psycophysiol, 1997; 34: 623-648.
se utilizó el respirador Siemens Servo 900C cómo [3] Hirsch JA, Bishop B: “Respiratory Sinus Arrhythmia: How breathing
generador de señales de prueba. El sensor de flujo fue pattern modulates heart rate.” Am J Physiol, 1981; 241: 620-629.
[4] Davies CTM, Neilson JMM: “Sinus Arrhythmia in man at rest.” J
colocado de un lado a la salida inspiratoria del respirador, y Appl Physiol, 1967; 22: 947-955.
del otro a la atmósfera. Con un osciloscopio Fluke 196C, [5] Saul JP, Cohen RJ: “Respiratory Sinus Arrhythmia – Vagal Control
registramos los valores simultáneos de tensión en la salida of the Heart: experimental basis and clinical implications”. MN
del respirador, y a la salida del circuito de prueba. Las Levy, PJ Scwartz, Futura Publishing Co. Inc. Armonk, NY, 1994.
puntas del osciloscopio se colocaron, una a la salida [6] Eckberg DL: “Human sinus arrhythmia as index of vagal cardiac
outflow.” J Appl Physiol, 1983; 54: 961-966.
auxiliar que posee el respirador y la otra a la salida del [7] Brown TE, Beightol LA, Koh J, Eckberg DL: “Important influence
sensor de presión diferencial MPXV7007DP. Los of respiration on human R-R interval power spectra is largely
resultados de las pruebas realizadas en el laboratorio ignored.” J Appl Physiol, 1993; 75: 2310-2317.
mostraron que el transductor responde en forma lineal al [8] Mántaras MC: “Estudio de indicadores de la arritmia sinusal
paso del flujo, como se observa en la Fig. 9. respiratoria”. Tesis de Maestría, Universidad Autónoma
Metropolitana – Iztapalapa – México, 2003.
[9] Cooke WH, Cox JF, Diedrich AM, Taylor JA, Beightol LA, Ames
0,000 IV JE, et al.: “Controlled breathing protocols probe human
-1,000 autonomic cardiovascular rhythms.” Am J Physiol, 1998; 274: 709-
718.
-2,000
Respirador
-3,000
-4,000
-5,000
-6,000
Sensor
Fig. 9: Relación entre el valor de tensión de la señal de flujo del respirador
de prueba y la salida de tensión del neumotacógrafo.