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Recibido: enero 2007 Aprobado: marzo 2007

BIODAT 1.0: Sistema para la adquisicin

de seales relacionadas con el estudiode la presin sangunea arterial

1Centro de Estudios de Electrnica y Tecnologas de la Informacin (CEETI), Universidad Central Marta Abreu de Las Villas, Santa Clara, Cuba.2Departamento de Bioingeniera (CEBIO), Instituto Politcnico Jos Antonio Echeverra, Cujae, Ciudad de La Habana, Cuba.3 Sala de Cardiologa, Hospital Peditrico Infantil Jos Luis Miranda, Santa Clara, Cuba.

S. J. Rodrguez,1A. Regueiro2y M. C. Llanes3

RESUMEN /ABSTRACTSe presenta el desarrollo de un sistema electrnico de adquisicin y acondicionamiento de seales relacionadas conla presin sangunea arterial (PSA) para su estudio y anlisis, empleando los mtodos no invasivos ms populares:oscilomtrico y auscultatorio; as como la seal electrocardiogrfica como referencia temporal, para la obtencin deuna base de datos que facilita el estudio cardiovascular del paciente, y la validacin de nuevos algoritmos en ladeteccin de los instantes de inters clnico en la medida de la variable PSA. El sistema propuesto, permite lavisualizacin de la informacin con una interfaz de usuario donde se presentan diversos datos de inters en el sujetoen estudio: nombre, edad, peso, talla y dimetro del miembro donde se realiza la medicin as como los datos de varioscanales obtenidos en formato binario para su posterior procesamiento espectro-temporal con diversas herramientas.Palabras clave: presin sangunea arterial; medicin no invasiva; mtodo tono-ascultatorio; adquisicin y procesamiento.

This paper presents a blood pressure signal acquisition system using oscillometric and auscultatory methods. Thesystem also acquires the electrocardiographic signal as a fiducial mark, in order to obtain a database for patient's

studies and algorithm's validation for systolic and diastolic pressure detection. The system lets display the signals

and, according to the user wishes, save them in binary format in the hard disk, along with subject data as name,

age, weight, height, sex and diameter of the arm where the measure is made.Key words: arterial blood pressure; tono-auscultatory method; data acquisition system.

Ingeniera Electrnica, Automtica y Comunicaciones, Vol. XXVIII, No. 1, 2007BIOINGENIERA

INTRODUCCINEn la actualidad la medicin y el registro de las funciones y

pa r metr os card iovasculares cons ti tuyen herra mien tasimportantes en la evaluacin y diagnstico de un paciente. Dentrode tales parmetros, la medicin de manera precisa de la presinsangunea arterial resulta un indicador esencial de las condicionesfisiolgicas de un paciente, permitiendo una adecuadacaracterizacin del sistema cardiovascular.1

A pesar de ser una medida clsica, an no est resuelta porquelos mtodos actuales presentan limitaciones al realizar las medidaslas cuales suelen ser afectadas por varios factores, entre los que

pueden mencionarse: los artefactos producidos por el movimiento

involuntario del miembro, la modulacin producida por larespiracin y adems, por las limitaciones introducidas en laslecturas ofrecidas por el observador.2 Estas limitaciones suelenser agudizadas en la medicin en nios y jvenes no solo por sudesarrollo emocional durante la medida (efecto del sndrome dela bata blanca) sino por su desarrollo fsico anatmico, lo quehace ms difcil an la obtencin de esta variable.

Por tales razones, en la actualidad se trabaja para lograr mtodosde medicin de la presin arterial con mayor robustez y exactitud,a pesar de los diferentes factores no deseados que pueden influiren la medicin. La validacin de tales mtodos, requiere elcumplimiento de estndares al nivel internacional entre los quese destacan por su importancia la norma SP10 de la AAMI


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(Association for the Advancement of Medical Instrumentation)3

y el Protocolo Internacional para la Validacin de los Dispositivosde Medicin de la Presin Arterial de la Sociedad Europea deHipertensin Arterial.4

Internacionalmente no se ofrecen bases de datos de sealesde presin que permitan realizar la validacin a tales normas porlo que, cuando se desea realizar la validacin de un nuevo

algoritmo de medicin de la presin arterial, se necesita antetodo, de un sistema para la adquisicin de las seales relacionadascon esta variable fisiolgica.

Aunque ambas normas no establecen requisitos similares parala validacin en la obtencin de las seales medidas, coincidenen establecer los siguientes requisitos de carcter general:

(a) Seleccin de un nmero de sujetos (diferente segn lanorma) considerando: sexo, intervalo de edades, peso, dimetrode la circunferencia del brazo e intervalos de presiones arteriales(baja, media y alta).

(b) La medicin, supervisada por tcnicos especialistas, sedeber realizar con al menos dos observadores entrenados, loscuales son encargados de indicar o sealizar, los instantes en los

que se producen los eventos de sstole y distole empleando elmtodo auscultatorio manual como referencia entre los mtodosno invasivos.

MATERIALES Y MTODOSPara apoyar el estudio de las seales relacionadas en una base

de datos vinculada a la medicin de la presin sangunea arterialse desarroll un sistema de medicin multicanal con muestreosimultneo, capaz de adquirir las siguientes variables:

(a) Seal de presin del esfigmomanmetro.(b) Oscilaciones de presin del brazalete (oscilometra).(c) Sonidos de Korotkoff (sonidos auscultados).

(d) Seal electrocardiogrfica desde la derivacin II (referenciatemporal).

(e) Seal A y B (on/off) para detectar el instante en el que dosobservadores entrenados detectan los eventos sistlicos ydiastlicos asociados al primer y ltimo sonido audible duranteun registro auscultatorio.

Las oscilaciones de presin en el brazalete (seal oscilomtrica)

estn asociadas con la determinacin de la presin media a partirde la obtencin del mximo de su envolvente, mediante la lecturade la presin del esfigmomanmetro en ese instante (seal

previamente filtrada). A partir de este valor puede obtenerse lapresin sistlica y diastlica por mtodos indirectos de clculolos cuales emplean coeficientes de ajustes que no siempre sonaplicables a una siempre reducida muestra de poblacin en lacual se basa su determinacin.

Con el conocimiento de la presin del esfigmomanmetro y einstante donde ocurren los sonidos de Korotkoff (entradas deseales on/off), se obtiene la presin sistlica y diastlica delsujeto, asociadas al primero y ltimo sonido audible (mtodo noinvasivo considerado como referencia internacional).

La adquisicin de la seal electrocardiogrfica (ECG), ayuda a

profundizar an ms en el estudio de la seal PSA, pues posibilitaemplearla como marca de referencia en el anlisis de las sealesen el dominio del tiempo.

La figura 1 muestra la arquitectura en bloques del sistemadesarrollado para la medicin de las seales relacionadas con lamedicin de la PSA. El sistema permite la adquisicin de hastacuatro seales analgicas a partir del empleo de un mdulo deadquisicin5 compuesto por varios canales analgicos. Cada canal

posee una etapa de amplificacin y preacondicionamiento deseal, un sistema de filtros (paso alto y paso bajo), una etapa deaislamiento y un circuito de muestreo y retencin con

posibilidades de muestreo simultneo, adems de un selector decanales a la salida para la seleccin del canal.

Figura 1Arquitectura del sistema para la medicin de seales relacionadas con el estudio de la presin sangunea arterial.


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La salida del mdulo frontal es entregada a una tarjeta deadquisicin de datos (PCL- 711B de Advantech)6 conectadainternamente al bus ISA de una computadora Pentium II condiversas prestaciones. Esta tarjeta es la encargada de realizar laconversin anlogo digital de las seales de cada canal y adquirirlas seales digitales (on/off) mediante su puerto de entrada digital.

El canal 1, recibe la seal proveniente de un sensor de galgaspiezo-resistivo y mediante acople a corriente directa (CD) seadquiere por este canal, la presin del esfigmomanmetro. Elcanal 2, recibe la seal de presin con un acople a corrientealterna (CA) permitiendo la adquisicin de la seal de presinsangunea por el mtodo oscilomtrico (vibraciones del brazalete).

El canal 3, permite adquirir la seal de los sonidos de Korotkoffprovenientes de un sensor de sonido piezo-cermico. Mediantela adquisicin de estos sonidos es posible detectar cuandoocurren las fases de los sonidos audibles de Korotkoff. A travsdel canal 4 es posible obtener la seal de la derivacinelectrocardiogrfica II, con el objetivo de emplearla como sealde referencia en el dominio temporal.

Adems de las seales analgicas adquiridas, se ha permitidotambin la adquisicin de otras seales digitales (canal 5 y 6).Estas seales on/offse reciben mediante dos interruptores (push-bottom) conectados a un puerto de entrada digital de la tarjetaempleada, lo que posibilita a dos observadores entrenados laindicacin de la deteccin de la ocurrencia de los instantesrelacionados con los eventos de sstole y distole, a partir de laescucha de los sonidos de Korotkoff mediante un estetoscopio.

En la figura 1 tambin se muestra un mdulo de salida destinadoa la conexin y desconexin de la bomba de inflado del brazalete

para la medicin de la presin arterial, el cual es controladomediante un bit del puerto paralelo de la computadora.

RESULTADOS Y DISCUSINPartiendo de los requisitos necesarios para el cumplimiento de las

normas internacionales,3,4y del soporte del diseo fsico desarrollado(hardware), se confeccion un programa en lenguaje grfico LabViewV-6.i7denominado BIODAT 1.08que permite realizar las funcionesde control sobre los diferentes bloques funcionales descritos.

El programa permite realizar la adquisicin, el registro y lavisualizacin de las seales de inters durante el estudio de lavariable PSA, permitiendo establecer la frecuencia de muestreo, y eltiempo de adquisicin en funcin de los intereses del especialista.

La figura 2 muestra la pantalla principal de BIODAT 1.0, la cualposee cuatro reas bsicas:(a) Men principal.(b) rea de visualizacin de seales.(c) rea de indicadores.(d) Opciones de operacin.

El men principal de BIODAT est compuesto por las siguientesopciones: fichero, configuracin, adquisicin, ayuday cerrar.

En el submen fichero es posible abrir ficheros de seales

previamente adquiridos. Adems, se puede abortar el programa;pero en caso de seleccionarse esta opcin se pregunta si realmentese desea hacer esta operacin, con el objetivo de evitar cerrar el

programa por una operacin involuntaria.En el submen configuracin se permiten tres opciones: la

configuracin del programa para la adquisicin, realizar el ajusteoff-setdel sistema de adquisicin y configurar la tarjeta de adquisicinPCL-711B. Cuando se invoca la primera opcin aparece una nueva

pantalla (figura 3), donde se ofrecen las diferentes opciones deconfiguracin del programa, permitiendo establecer el camino a lacarpeta donde sern almacenadas las seales, seleccionar lafrecuencia de muestreo (250; 500 y 1 000 Hz), y seleccionar el modode medicin que puede ser: a frecuencia constante, medicin en

el inflado y el vaciado del brazalete, y medicin en el vaciado,siendo este ltimo el modo predeterminado (normal).

Figura 2Pantalla principal de BIODAT 1.0.


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El submen de adquisicinpermite dos opciones: (a) la opcinde prueba 5s, la cual una vez colocado los electrodos de ECG, y el

brazalete al sujeto objeto de estudio, permite una medicin devariables durante 5 s, lo que posibilita comprobar si todos lostransductores empleados estn bien colocados y (b) la opcinadquirir, donde se puede hacer la medicin de variables durante

un tiempo previamente programado de acuerdo con lasnecesidades de la investigacin que se desea desarrollar.El rea de visualizacin de seales es la zona de la ventana donde

se visualizan las seales que han sido adquiridas recientemente oque han sido registradas en la base de datos. El rea de indicadoresinforma al usuario sobre las tareas que est realizando en cadamomento el programa. Posee un indicador que visualiza la tarea querealiza el programa en cada instante y otro que indica el avance dela medicin, el que aparece una vez que se ha dado la orden deadquirir o abrir fichero en el men principal.

En el panel de opciones de operacin se ofrecen cuatro botones(configurar, prueba, adquiriryabrir fichero) segn muestra la

figura 3 con funciones similares a las descritas con el mismo nombreen el men principal. Para realizar el registro de las seales, el

programa solicita al operador los datos morfolgicos del paciente,tales como: edad, peso, talla, dimetro del brazo donde se realiza lamedicin y en caso que se decida realizar el almacenamiento de lainformacin, se guarda un fichero en formato ASCII (xxx.txt) y otroen formato binario (xxx.bin) con las seales adquiridas.

A partir del sistema diseado, se realizaron un conjunto depruebas a nivel de laboratorio, para comprobar las caractersticasdel sistema de medicin, incluyendo los transductoresseleccionados y los diferentes bloques de la seccin deacondicionamiento logrndose resultados satisfactorios.9

Para comprobar la linealidad de cada canal de medicin fueronrealizadas diferentes tipos de pruebas, entre las que se encuentranla determinacin de la caracterstica de amplitud, linealidad yrespuesta de transferencia de los transductores, la determinacinde la respuesta de frecuencia de cada canal de medicin y porltimo, la comprobacin de la medicin en cada canal a partir deaplicar seales de entrada de caractersticas conocidas en cuanto

a forma de onda, frecuencia y amplitud pico.La figura 4 muestra los resultados experimentales de la

caracterstica de transferencia del sensor de presin 20N005Gcon respecto a una recta ideal, pudindose observar una altalinealidad del sensor en la gama de valores de presin a medir. Unanlisis ms exhaustivo puede observarse en la figura 5, en eque se presenta el error de linealidad que se obtiene de la diferenciadel valor experimental obtenido para cada presin respecto alvalor esperado (recta ideal), aprecindose que el mximo error delinealidad que se comete es menor que 0,5 mmHg.

En las figuras 6 y 7, se muestran dos seales bipolares deamplitud pico 5 V y frecuencia 1 Hz; una triangular y una senoida

adquiridas empleando el sistema Biodat 1.0 para una frecuenciade adquisicin por canal de 500 Hz, observndose una altafidelidad en la reproduccin de las seales adquiridas.

Una vez comprobadas las caractersticas de cada canal deadquisicin, se realizaron mediciones experimentales a nivel delaboratorio sobre varios sujetos voluntarios supuestamente sanosPara la realizacin de estas mediciones se desarroll un protocolode trabajo, que establece las condiciones a considerar para laobtencin de las seales de entrada en la base de datos. Ademsen todos los casos se obtuvo el consentimiento del sujeto objetode medicin a partir de un acta de consentimiento, y en el caso dealgunos nios, se incluy la aprobacin de uno de sus tutores(padres).

Figura 3Panel de configuracin delprograma BIODAT 1.0.


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La figura 8 muestra el registro histrico de una seal de presinsangunea arterial empleando el mtodo oscilomtrico y las marcasde uno de los observadores que sealizan el instante de tiempoen que ocurre el evento de sstole y distole. La seal se puedeobservar de forma ms precisa, si se realiza una amplificacin

(zoom) en un intervalo de tiempo ms pequeo, lo cual es unafacilidad adicional del programa desarrollado.Como se muestra en el rea de indicadores, se presenta la

informacin obtenida de presin sistlica y diastlica apreciadapor los observadores durante la medicin. El indicador verde queaparece en el borde inferior derecho es representativo de que laapreciacin de la presin por los observadores difiere en menosde un segundo tanto para la presin sistlica como la diastlica,

por lo que la seal obtenida es vlida para su almacenamiento. Encaso de que esto no hubiera ocurrido, el indicador se hubierailuminado en color rojo.

Figura 4Resultados experimentales de la respuesta de amplitud del sensor de presin 20N05G.

Figura 5Resultados experimentales del error de linealidad del sensor20N005G.

Figura 6Vista de una seal de onda triangular de 5 V pico y frecuencia 1 Hz,adquirida empleando el sistema Biodat 1.0.

Figura 7Vista de una seal de onda senoidal de 5 V pico y frecuencia 1 Hz,adquirida empleando el sistema Biodat 1.0.

Presin (mm-Hg)

Presin (mm-Hg)


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La figura 9 muestra el registro de una seal de presin arterialtomada empleando el mtodo auscultatorio o de sonidos deKorotkoff junto a la marca de uno de los observadores.

Actualmente el sistema BIODAT 1.0 se emplea en el desarrollode una base de datos para la validacin de nuevos algoritmos eindicadores espectro-temporales en el estudio y medicin de la

presin ar ter ial, usando procedimien tos que realiza n la

conformacin de la imagen tiempo-latido tanto en la sealoscilomtrica como en la auscultatoria para la deteccin precisade los instantes de sstole y distole en cada registro.

La figura 10 presenta un ejemplo de imagen tiempo-latidoobtenida de un registro de seal oscilomtrica, visualizndose elugar geomtrico de la ocurrencia del evento de distole detectadoa travs de tcnicas de procesamiento digital (minera de datos)

El sistema BIODAT 1.0 para la adquisicin y validacin deseales biomdicas relacionadas con el estudio de la presin

sangunea arterial, ha sido probado en el Laboratorio deBioinstrumentacin del Centro de Estudios de Electrnica yTecnologas de la Informacin (CEETI) y en la Sala deCardiologa del Hospital Infantil Jos Luis Miranda de SantaClara, bajo la observacin de especialistas, tcnicos ymdicos. Hasta la fecha, se ha podido desarrollar una base dedatos con seales muestreadas de cincuenta y cuatro sujetosque incluyen pacientes con diversas afectaciones clnicas:hipertensos, normales e hipotensos, con diferentes intervalosde medicin, los que actualmente son objeto de estudios clnicosavanzados.

Figura 8Ejemplo de seal oscilomtrica adquirida en un sujeto (las marcasrealizadas por un observador entrenado corresponden al primeroy ltimo sonido audible, presin mxima y mnima, durante elregistro de seales realizado).

Figura 9Ejemplo de sonidos auscultados en un sujeto (las marcas realizadaspor un observador entrenado corresponden al primero y ltimosonido audible, presin mxima y mnima, durante el registro deseales realizado).

Figura 10Ejemplo de imagen tiempo-latido obtenida de una sealoscilomtrica y la ubicacin geomtrica del evento diastlico.

CONCLUSIONESEl sistema no invasivo desarrollado, BIODAT 1.0, para el

estudio de las seales relacionadas con la presin sanguneaarterial y la formacin de una base de datos de apoyo a lainvestigacin de esa importante variable fisiolgica, permiteadquirir diversas seales asociadas a los diferentes canales de

medicin: seal del manmetro, sonidos auscultados, oscilacionede presin en el brazalete obtenidas por mtodo oscilomtrico yla seal electrocardiogrfica (ECG), empleada como seal dereferencia temporal.

Adicionalmente el sistema permite salvar la indicacin de losinstantes sistlico y diastlico detectados por dos observadoresadecuadamente entrenados, las cuales se emplean en el estudioy anlisis tanto en el dominio del tiempo como en el anlisisespectro-temporal de la PSA para la obtencin y validacin dealgoritmos ms robustos en la deteccin de los instantes desstole y distole.


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Vol. XXVIII, No. 1, 2007

La programacin desarrollada permite una interfaz de usuario

simple y eficiente, la cual admite el ajuste de la configuracin de

trabajo (frecuencia de adquisicin y modo de trabajo: presin

constante, medicin durante el vaciado o medicin durante el

inflado y vaciado del brazalete, etctera).

En general, el sistema garantiza una adecuada calidad en el

registro de las seales, con buena robustez y repetibilidad, y a su

vez, con adecuada flexibilidad para medir otras seales biomdicas

de inters clnico, sin la necesidad de realizar grandes cambios en

el diseo propuesto.

AGRADECIMIENTOSLos autores desean agradecer el soporte brindado por el

Proyecto CIDA: TIER-394-TT02-00 de colaboracin con

instituciones canadienses; as como a las siguientes personas

y entidades por la colaboracin, sugerencias y apoyo: doctor

en ciencias Alberto Taboada Crispi (CEETI, UCLV), Grupo detrabajo de Hipermax (ICID), doctor Emilio Gonzlez Rodrguez

(CDE, UCLV-Proyecto PRODEC), Grupo Provincial de HTA

de Villa Clara , personal mdico y paramdico de la Sala de

Cardiologa del Hospital Peditr ico Jos Lus Miran da de

Santa Clara y los ingenieros Karel Iser Brito y Ren Llanes

Machado del Departamento de Telecomunicaciones y

Electrnica (FIE-UCLV).

REFERENCIAS1. "Programa Nacional de Prevencin, Diagnstico y Control de

la Hipertensin Arterial", pp. 5-12, 26-34, Comisin Nacional

de Hipertensin Arterial, Ministerio de Salud Pblica, La

Habana, Cuba, marzo de 1998.

2. Crnica de la Medicina, 3ra. ed., Barcelona: Plaza & Jans

Editores SA, septiembre 1994.

3."Electronic or Automated Sphygmomanometers", American

National Standard Institute, Association for the Advancement

of Medical Instrumentation, ANSI/AAMI SP10- Arlington,

VA, 1992.

4."Protocol for Validation of Blood Pressure Measuring Devices

in Adults",Blood Pressure Monitoring, Vol. 7, No. 1, Working

Group on Blood Pressure Monitoring of the European Society

of Hypertension International, 2002.

5.User Manual, "4 Channel Signal Acquisition System, CIDA/

UNB/UCLV, Institute of Biomedical Engineering, University

of New Brunswick, Canada, October 20, 2000.

6.User Manual, ADVANTECH, PCL-711B, July, 1995.

7.User Manual, NATIONAL INSTRUMENT, Labview 6. i,

2002.

8. RODRGUEZ A., S., Y A. REGUEIRO GMEZ, "BIODAT 1.0:

Software para la adquisicin de seales relacionadas con la

presin arterial", Registro 2481, Centro Nacional de Derechode Autor, 25 noviembre, 2005.

9. RODRGUEZ, A. S.: "Medicin y estudio de seales de

presin arter ial en nios", Tesis para optar por el grado de

Mster: Programa de Maestra de Electrnica, Facultad deIngeniera Elctrica, Biblioteca Facultad de Ingeniera

Elctrica, UCLV, junio 2002.

AUTORESSergio de Jess Rodrguez AriasIngeniero en Telecomunicaciones y Mster en Electrnica,

Profesor Auxiliar y Subdirector del Centro de Estudios deElectrnica y Tecnologas de la Informacin. Su tema deinvestigacin est relacionado con los mtodos de medicin no

invasivos de la presin sangunea arterial.Correo electrnico: [email protected]

ngel Regueiro GmezIngeniero Electrnico, Doctor Ingeniero Electrnico por laUniversitat Politcnica de Catalunya, Barcelona, Espaa. Imparte

diversos cursos relacionados con la Instrumentacin Electrnicay la Ingeniera Biomdica, y ha publicado numerosos trabajos enrevistas y congresos. Actualmente sus reas de inters en la

investigacin son: el desarrollo de transductores para lamedicin de variables fisiolgicas y el mejoramiento de los

mtodos de medicin, la adquisicin y el acondicionamientode seales aplicados a la medicin no invasiva de la presinsangunea arterial y otras variables fisiolgicas de intersclnico.

Correo electrnico: [email protected]

Mara del Carmen Llanes Camacho

Mdico Cardiopediatra, Profesora Auxiliar y Especialista deII Grado en Pediatra. Actualmente coordina el trabajo de la Salade Cardiologa del Hospital Peditrico, y se desempea como

directora de la Red Cardiopeditrica Provincial en Villa Clara.

Adems es miembro de la Comisin Provincial de HipertensinArterial en Villa Clara, donde desarrolla su trabajo de investigacin

clnica.Correo electrnico: [email protected]

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