OXÍMETRO DE PULSO + ELECTROCARDIÓGRAFO DE TRES DERIVACIONES + MONITOR FETAL, CON ENVÍO DE LA INFORMACIÓN A TRAVÉS DE MODEM PARA ZONAS DE BAJOS RECURSOS Juan Carlos Vásquez Barrios Richard Frank Chapoñan Valerio
OXÍMETRO DE PULSO + ELECTROCARDIÓGRAFO DE TRES DERIVACIONES + MONITOR FETAL, CON ENVÍO DE LA INFORMACIÓN A TRAVÉS DE MODEM PARA ZONAS DE BAJOS RECURSOS Primera edición digital
Julio, 2011 Lima - Perú
© Juan Carlos Vásquez Barrios & Richard Frank Chapoñan Valerio
PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 0131
Editor: Víctor López Guzmán
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PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: • su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), • su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), • su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), • su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), • su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: • Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. • Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. • Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. • El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. • El p e r s o n a l d o c e n t e j u g a r á u n r o l d e t u t o r, f a c i l i t a d o r y c o n d u c t o r d e p r o y e c t o s
de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. • Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: • Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. • Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.
Lima - Perú, enero del 2011 “El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor
Memorias - XVII CONIMERA
Oxímetro de pulso + electrocardiógrafo de tres derivaciones + monitor fetal, con envío de la información a través de MODEM para zonas de bajos recursos Juan Carlos Vásquez Barrios, Richard Frank Chapoñan Valerio
[email protected] [email protected] Facultad de Ingeniería Mecánica, Eléctrica, Electrónica y Sistemas / Universidad Nacional «San Luis Gonzaga» de Ica. Resumen: En vista de los altos costos que demanda el contar con un buen equipo de diagnóstico y evaluación médica de tipo no invasivo para las zonas alejadas de nuestro medio, proponemos el diseño y la implementación de un módulo que integra los 3 equipos médicos básicos utilizados para el diagnóstico y evaluación de enfermedades. A su vez este módulo permitirá el envío de los datos obtenidos a distancia para su interpretación por un especialista. Para el oxímetro de pulso recogemos la señal con sensores ópticos mientras que para el electrocardiógrafo de 3 derivaciones se realiza con 3 electrodos; en ambos casos el proceso de la señal es a través de amplificadores de instrumentación, filtros y microcontroladores. La señal obtenida en el oxímetro de pulso es visualizada directamente en una pantalla LCD, dotado con señalizaciones audibles y ópticas cuando los signos vitales se encuentren fuera del rango normal; y en el caso del electrocardiógrafo las señales obtenidas son terminadas de procesar y visualizadas mediante una PC con requerimientos mínimos de hardware. El monitor fetal recibe la señal a través de un sensor óptico y es procesada mediante dispositivos lógicos MSI y finalmente tratada y visualizada mediante software en una PC. Todas las señales obtenidas podrán ser enviadas a distancia mediante un MODEM usando la línea telefónica fija o inalámbrica.
Introducción En el cuerpo humano se generan una amplia variedad de señales eléctricas, provocadas por la actividad química que tiene lugar en los nervios y músculos que lo conforman. La utilización de estos diminutos potenciales generados para crear equipos médicos de monitoreo cada vez más confiables y sofisticados ha sido el reto de los ingenieros biomédicos dedicados al diseño y construcción de equipos médicos, prótesis, dispositivos de diagnóstico y de terapia.
en la terapia, monitoreo y diagnóstico temprano de enfermedades. Los precios de estos equipos por separado alcanzan altas sumas de dinero, nuestro proyecto por el contrario brindaría este servicio básico por un precio módico, lo que ayudaría mejorar la calidad de vida de las personas de muy bajos recursos, enviando a través de un módulo los datos obtenidos a distancia para la interpretación de un especialista.
Diagrama de bloques
Planteamiento del problema MODULO I
MODULO II
MODULO III
En vista de los altos costos que demanda el contar con un equipo de diagnóstico y evaluación médica de tipo no invasivo para las zonas alejadas de nuestro medio.
Propuesta de solución Proponemos el diseño de un equipo que integra los 3 módulos electromédicos más usados
Figura 1.
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Módulo I: ELECTROCARDIÓGRAFO Electrocardiograma:
el IC INA128, de alto CMRR (120dB) y cuya función fundamental es amplificar las diferencias de voltaje registradas con un alto rechazo al ruido.
El electrocardiograma es el gráfico que se obtiene con el electrocardiógrafo para medir la actividad eléctrica del corazón en forma de cinta gráfica continua. Es el instrumento principal de la electrofisiología cardiaca y tiene una función relevante en el cribado y la diagnosis de las enfermedades cardiovasculares.
Para obtener la ganancia del INA128 realizamos los siguientes cálculos:
Diseño de electrocardiógrafo
La ganancia del amplificador de instrumentación con el valor de las resistencias que se encuentran entre el Pin 1 y 8 ( RG ).
Los requerimientos de diseño son los siguientes: • La señal de ECG tiene componentes relevantes solo entre 0.05 hz y 150 hz • Los valores de la señal en la piel oscilan en pocos milivoltios (entre unos 0.5 y 10mV como máximo). • Ganancia de aproximadamente 1000. • Con estos datos se deberá saber que ancho de banda debe tener el circuito, y la ganancia que este deberá presentar. Otras consideraciones importantes: • CMRR lo más alto posible. • Resistencia de entrada de aproximadamente 2MΩ o superior para obtener un acople de impedancias y no atenuar la señal. El circuito desarrollado es un diseño para trabajar con 3 derivaciones estándar según el modelo de Einthoven. Por lo tanto las señales a procesar serán 2. Esta derivación es la más básica existente y permite la visualización de la onda cardiaca clásica.
Diagrama de bloques
50 KΩ RG
(1)
RG = 5,6 KΩ + 5,6 KΩ
(2)
G = 1+ donde :
G1 = 1 +
1.1 Amplificador de Instrumentación Las señales procedentes de las muñecas izquierda y derecha del paciente son aplicadas a un amplificador de instrumentación, formado por
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(3)
Para obtener la ganancia de la señal final del amplificador operacional dual TL082 realizamos los siguientes cálculos:
G2 =
Rf Ri
=
1MΩ = 200 5 KΩ
(4)
Para así obtener una ganancia total:
GT = G1 × G2 = 5,46 × 200 = 1092
(5)
Esta ganancia de 1092 permite amplificar valores generados por el cuerpo humano comprendido entre 0,15 y 2mVpp. El voltaje de entrada al INA128 es:
V IN = V IN + − V IN −
(6)
Donde:
V IN + corresponde al voltaje de la mano derecha. V IN − corresponde al voltaje de la mano izquierda. La tensión de referencia para ambos se calcula:
V REF =
Figura 2.
50 KΩ = 5,46 1,2 KΩ
V IN + + V IN − 2
(7)
Y se genera a partir de la división de tensión formado por las resistencias de 5.6 KΩ .
1.2 Filtro Pasa-altos y Pasa-bajos La señal amplificada es sometida a un circuito de filtrado, ya que al solo amplificar unos
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pocos milivoltios y al ser captada mediante un cable de 1.5m en promedio, es propensa a que capte ruidos de alta y baja frecuencia indeseados. Para eliminar estos ruidos utilizamos un filtro activo pasa-altos formado por R7, R8, C6, C7 y U1:B. A la salida de este OPAM tenemos un filtro pasivo conformado por R9, R10, C8 y C9 que eliminan las frecuencias bajas. La señal obtenida está solo comprendida entre 20Hz y 150Hz.
y una salida baja que está conectada directamente a la salida del último OPAM. Estas salidas podrán tratarse para ser mostradas gráficamente en un monitor ya sea la de un PC con un software especializado o en un osciloscopio.
1.6 Buzzer de pulso El diseño del filtro pasa altos esta conformado por el amplificador de instrumentación dual TL082, la resistencia de 3,2 MΩ y el condensador de 1uf , para cortar la frecuencia a:
f CORTE =
1 2πRC
(8)
Remplazamos los valores correspondientes y obtenemos:
f CORTE =
1 = 0,05Hz 2π 1MΩ × 1uf
(9)
El diseño del filtro pasa bajos esta conformado por el amplificador de instrumentación dual TL082, la resistencia de 100Ω y el condensador de 0,1uf , para cortar la frecuencia en la salida utilizamos la ecuación 8 y remplazamos los valores de diseño:
f CORTE =
1 =15,92KHz 2π100Ω× 0,1uf
(10)
1.3 Amplificador No inversor Una vez filtrada la señal, finalmente es amplificada para niveles que puedan ser tratados. De aquí la señal seguirá 2 caminos: hacia un indicador de pulso y una salida para visualizar la señal.
El esquema se modificó para que también diera una señal audible del pulso cardiaco. Para ello se utilizó un timer 555 como generador de tonos, el cual es activado por el indicador de pulso visual de la etapa 4.
Módulo II: OXIMETRO DE PULSO La oximetría del pulso o pulsioximetría es la medición, no invasiva, del oxígeno transportado por la hemoglobina en el interior de los vasos sanguíneos. La oximetría valora la saturación de oxígeno, expresando la cantidad de oxígeno que se combina en sentido químico, con la hemoglobina para formar oxihemoglobina, que es la molécula encargada de transportar el oxígeno hacia los tejidos. Para la medición se precisa de un aparato de pulsioximetría, con un sensor en forma de pinza. En la pinza tiene un productor de luz que se refleja en la piel del pulpejo del dedo, este mide la cantidad de luz absorbida por la oxihemoglobina circulante en el paciente.
1.4 Indicador de Pulso La señal obtenida contiene picos altos los cuales se recortan mediante el diodo 1N4148 y se convierten en continua, son aplicados a la base del transistor el cual se cierra conduciendo y enciende el Led cada vez que llega un pulso alto.
1.5 Salida de señal La salida es doble y se cuenta con una salida alta formada por el CI amplificador de audio LM386
Figura 3
El procedimiento a seguir es: masajear el pulpejo del dedo del paciente, luego se coloca la pinza con el sensor y se espera a recibir la información en una pantalla del aparato en la que aparecerá la siguiente información: - Índice de saturación de oxígeno. - Frecuencia cardiaca.
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Diagrama de bloques VISUALIZA DOR EN PANTALLA
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTA CION Y FILTROS PASA BAJOS Y PASA ALTOS
SENS OR
MICROCONTROLA DOR
ViSUALIZA DOR EN PC
Figura 4
Circuito El circuito se inicia en la adquisici ón de la señal a través del sensor óptico, el cual va colocado en el dedo índice del paciente. El sensor óptico (Marca Nellcor) emite dos tipos de luz de longitud de onda diferente: Una infrarroja (λ = 960nm, invisible) y otra roja ( λ = 660nm, visible), ambas atraviesan el tejido en el pulpejo del dedo y son recibidas por unúnico fotorreceptor.
Posteriormente est á se ñal es sometida a filtraje, para evitar el ingreso de ruidos e interferencias. El primer filtro está constituido por un filtro activo dise ñado para eliminar las frecuencias menores de 30Hz y el segundo filtro diseñado para eliminar frecuencias mayores a 150Hz. Una vez amplificada y filtrada la se ñal muestra obtenida en todo el proceso es una correspondiente a la onda diente de sierra. Esta señal es aplicada al microcontrolador (PIC16F877) el cual mediante su conversor A/D convertirá la señal anal ógica en digital y se procesar á internamente mediante un algoritmo de programación para evaluar y mostrar los resultados de la saturaci ón de ox ígeno en una pantalla LCD de 16 caracteres y 2 l íneas. As í mismo el algoritmo tendr á la funci ón de activar alarmas sonoras y visuales cuando los valores obtenidos se encuentren fuera del rango normal. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador: Inicio
Adquisición de Esperar Datos Estables
Datos
Figura 5. Circuito del sensor óptico
Alarma visual/sono ra A
Proceso de datos
F. C. Alta
Esta señal recibida se aplica a un amplificador de instrumentación de alto CMRR, (Circuito integrado INA128) específico para aplicaciones en electromedicina, el cual nos amplifica la señal de niveles extremadamente bajos a niveles de amplificación de alrededor 2.5Vpp, sin mayor distorsión.
F. C. baja / SPO Resultados
Alarma visual/sono ra B
Visualización en pantalla LCD
Figura 7.
Módulo III: MONIT OR FETAL Generalidades:
Figura 6. Circuito amplificador de instrumentación, basado en el INA128
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A la mujer embarazada se le pueden ofrecer varias pruebas prenatales durante su embarazo. Algunas pruebas se realizan de manera rutinaria a todas las mujeres embarazadas, tales como la prueba de sangre para determinar el tipo de sangre
Memorias - XVII CONIMERA
y los niveles de hierro. Algunas pruebas se realizan para detectar en la paciente o el bebé una condición que están en riesgo de desarrollar. Una de los equipos mas usados para estas pruebas es el monitor fetal electrónico, el cual es un dispositivo no invasivo mediante el cual, se puede oír y/o observar una gráfica del ritmo cardiaco de su bebé para detectar cambios del ritmo con el movimiento (aceleración o desaceleración). Siguiendo los mismos principios de oximetría tratados anteriormente en el modulo de Oxímetro de Pulso, describiremos el circuito del monitor fetal.
Diagrama de Bloques Transductor (E/R IR)
Amplificador
Filtro
detectado que proporciona a su salida una señal tipo diente de sierra que será luego filtrada y posteriormente será rectificada para ser llevada a niveles audibles y ser escuchadas por medio de un parlante. También podemos visualizar la señal mediante un led, el cual encenderá al compás de los latidos cardiacos.
Módulo IV: MODEM Todos los datos obtenidos en los 3 módulos serán enviados a una PC a través del puerto serial basando la interfaz de comunicación en el IC MAX232. Los datos que lleguen al PC son recogidos mediante un software «monitor» , el mismo que se ha desarrollado en entorno visual c++; y tiene la función de mostrar, analizar, imprimir los datos obtenidos y enviarlos a una estación de monitoreo vía Internet.
Salida visual (Led)
Diagrama de Bloques Amplificador de audio
Salida Audible
Figura 8. MAX232
TOOTHPICK DEVICE
Circuito Las señales con obtenidas mediante el transductor, conformado por un emisor y receptor de luz infrarroja, el cual actúa como un micrófono sonda. Figura 10
El módulo IV, lo conforma el hardware Toothpic Device, desarrollado por la firma PARALLAX INC., el cual usando tecnología bluetooth envía los datos obtenidos hacia un Terminal inalámbrico, como teléfono móvil, pc’s portátiles u otros dispositivos.
Figura 9
Esta sonda registrará el flujo sanguíneo en el vientre de una mujer embarazada, dado que este tiene relación directa con los latidos del corazón del bebe. Esta señal obtenida se amplificará por medio de un amplificador de instrumentación CA3130 el mismo que con sus componentes asociados funciona como amplificador de la señal eléctrica producida por el flujo sanguíneo
El módem cuenta con un Sistema de Alimentación Ininterrumpida diseñado para que por medio de una batería pueda seguir alimentando cuando haya una falla en el fluido eléctrico y también para controlar las subidas y bajadas de tensión existentes en la red eléctrica.
Conclusiones •
Presentando este trabajo de investigación, demostramos que es posible desarrollar tecnología en el Perú, contribuyendo al desarrollo y la calidad de vida de la población.
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• • •
El equipo es desarrollado con bajo costo en comparación a los existentes en el mercado, como podemos mostrar en el Anexo Nº 1. La integración de los 3 dispositivos médicos en un solo equipo, lo hace portátil, de fácil uso y adaptable a muchos requerimientos. Al enviar los datos para que permita la interpretación de un especialista hace posible que los pobladores de zonas rurales, que cada ves más van en aumento, tengan una solución para sus problemas de salud.
Referencias bibliográficas 1.
AGAMENON, Despopoulus. Fisiología, 4 ed, Mosby-Doymalibros, Barcelona, 1994
2.
Arthur C. Guyton y John E. Hall. Tratado de Fisiología Médica -, Décima Edición, 2005
3.
Boylestad Nashelsky Teoria de Circuitos. Editorial Prentice hall. 6ª edición. 2004
4.
Donald Neamen. Análisis y diseño de circuitos electrónicos. Editorial: Mcgraw-Hill 2da Edicion. 2000
5.
Farreras Rozman. Medicina Interna Tomo I. Editorial Elservier 2004.
6.
Garrido Chamorro, R.P.; González Lorenzo, M.; García Vercher, M.; y Expósito Coll, I. (2005) Patrones de desaturación ergoespirométricos en función de la edad. Revista Internacional de Medicina y Ciencias de la Actividad Física y el Deporte.
Recomendaciones •
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Se sugiere desarrollar líneas de investigación para equipos de bioelectrónica, hacerlos también portátiles, que transmitan su información para la opinión de un especialista y adaptarlos para primeros auxilios.
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ANEXO Nº1 COSTOS DE ADQUISICIÓN DE EQUIPOS MÉDICOS EN DOS HOSPITALES DE LA REGIÓN JUNÍN HOSPITAL DANIEL ALCIDES CARRION EMERGENCIA EQUIPO MEDICO
COSTO UNITARIO
BOMBA DE INFUSIÓN UN CANAL
6 573
DESFIBRILADOR CON MONITOR
27 530
ECÓGRAFO PORTÁTIL
33 000
ELECTROCARDIÓGRAFO INCUBADORA DE TRANSPORTE ESTÁNDAR MONITOR DE FUNCIONES VITALES DE 05 PARÁMETROS 35 VENTILADOR DE TRANSPORTE OXÍMETRO DE PULSO PEDIÁTRICO-NEONATAL 1 TOTAL
7 132 35 000 000 40 669 1 139 196 043
SI SUMAMOS EL ELECTROCARDIÓGRAFO Y EL OXÍMETRO DE PULSO OBSERVAMOS UN COSTO DE 10 VECES MAS QUE EL PROTOTIPO ELABORARLO POR NUESTRO PROYECTO, TOMANDO EN CUENTA QUE ESTE CUENTA CON UN MONITOR FETAL ADICIONAL. HOSPITAL DOMINGO OLAVEGOYA – JAUJA EMERGENCIA II 1
EQUIPO MEDICO
COSTO UNITARIO
CAMA CAMILLA - TIPO MULTIPROPÓSITO MECÁNICA
4 000
CAMILLA DE TRANSPORTE
1 508
COCHE DE PARO
3 000
DESFIBRILADOR CON MONITOR
27 530
GLUCÓMETRO PORTÁTIL 31 HEMOGLOBINÓMETRO PORTÁTIL 1 LÁMPARA DE EXÁMEN CLÍNICO DE LUZ HALÓGENA LARINGOSCOPIO PEDIÁTRICO-NEONATAL 1 MONITOR DE FUNCIONES VITALES DE 05 PARÁMETROS LARINGOSCOPIO ADULTO-PEDIÁTRICO 2
2 500 1 800 800 35,000 107
OXÍMETRO DE PULSO BÁSICO
5 000
Total
83 557
EN ESTE CUADRO TENEMOS UN OX ÍMETRO DE PULSO B ÁSICO, CUY A INVERSI ÓN ES APROXIMADAMENTE TRES VECES MÁS QUE ELABORAR NUESTRO PROTOTIPO. FUENTE: www.diresajunin.gob.pe/direccion/hospitales.pdf
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ANEXO Nº2 PERSONAL POR GRUPOS OCUPACIONALES DEL DEPARTAMENTO DE ICA / AÑO 2004 RECUERSOS HUMANOS PERSONAL PROFESIONALES
Total
MEDICOS
343
ENFERMEROS
330
ODONTOLOLOGOS
104
OBSTETRICES
130
PSICOLOGOS.
6
NUTRICIONISTAS.
6
QUIMICOS FARMACEUTICOS
65
OTROS PROFESIONALES
69
%
TOT PROF SALUD
1053
41.94
TOT TEC Y AUX ASIST
778
30.98
OTROS
680
27.08
TOTAL GENERAL DEPARTAMENTO
2511
100.00
FUENTE: Informes estadísticos de recursos MINISTERIO DE SALUD - OFICINA GENERAL DE ESTADISTICA E INFORMATICA
CONFORME EL PUEBLO CRECE TIENE MAS NECESIDADES DE SALUD Y SON NECESARIOS MAS PROFESIONALES PARA QUE ACUDAN ANTES SUS NECESIDADES. ID DPTO.
DEPARTAMENTO
11
ICA
POBLACIÓN CON ALTA CARGA O DEPENDENCIA ECONÓMICA 15764.0000
NOMBRE DE LA VARIABLE:
POBLACIÓN CON ALTA CARGA O DEPENDENCIA ECONÓMICA.
TEMA:
NECESIDADES BÁSICAS INSATISFECHAS/POBLACIÓN POR NÚMERO DE NBI
DEFINICIÓN:
SON LOS MIEMBROS DE UN HOGAR CON UNA PROBABILIDAD DE INSUFICIENCIA DE INGRESOS PARA CUBRIR LAS NECESIDADES, EN LA MEDIDA EN QUE SE VALE DE DOS DETERMINANTES: EL NIVEL EDUCATIVO DEL JEFE DEL HOGAR Y LA CARGA ECONÓMICA, DETERMINADA POR EL TAMAÑO FAMILIAR.
COBERTURA:
NACIONAL
PERIODICIDAD:
ANUAL
SERIE:
1993
UNIDAD DE MEDIDA:
UNIDAD
FUENTE: INEI.- DIRECCIÓN NACIONAL DE CENSOS Y ENCUESTAS
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