DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA TIPO HOLTER PARA ADQUISICIÓN

DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS

Br. Juan Pablo Márquez

Mérida, Abril 2008



DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA TIPO HOLTER PARA ADQUISICIÓN

DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS

Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero

Electricista

Br. Juan Pablo Márquez Tutor: Prof. Rubén Medina M

Mérida, Abril 2008



DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA

TIPO HOLTER PARA LA ADQUISICIÓN DE

SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS

Br. Juan Pablo Márquez

Trabajo de Grado, presentado en cumplimiento parcial de los requisitos exigidos para optar

al título de Ingeniero Electricista, aprobado en nombre de la Universidad de Los Andes por el

siguiente Jurado.

_________________________

Prof. Rubén Rojas

C.I. 8 025 075

_________________________

Prof. Leonardo Zambrano

C.I. 8 020 142

_________________________

Prof. Rubén Medina M

C.I. 5 447 254

Agradecimientos

En estas pocas líneas quiero agradecer a todos los que colaboraron directa e indirectamente

en la elaboración de este trabajo de grado.

En especial a mi familia quienes pronunciaban esas palabras de aliento que hacían falta

para dar el siguiente paso…

A la familia Moreno Troconis, por el apoyo moral dado.

Al Fondo Nacional de Ciencia, Tecnología e Investigación (FONACIT), por el soporte

financiero dado bajo el proyecto Nº G-2005000342 para la realización de este trabajo.

A LABIDAI (Laboratorio de Investigación y Desarrollo en Automatización E

Instrumentación) por la asesoría técnica ofrecida en el desarrollo de este proyecto.

Al Sr Miguel Gerardo Rueda D. por su colaboración técnica en la elaboración y puesta en

funcionamiento del prototipo.

Al Laboratorio de Instrumentación Científica de la Facultad de Ciencias (LIC-C) en

especial al Profesor Julian, por los conocimientos brindados para el diseño del circuito

impreso.

Un muy especial agradecimiento a Andreina por todo el apoyo dado en el desarrollo de

este proyecto. Solo puedo decirte GRACIAS CHICA.

Juan Pablo Márquez. Diseño e Implementación de un Sistema tipo Holter para la

Adquisición de Señales Electrocardiográficas. Universidad de Los Andes. Tutor: Prof.

Rubén Medina. Marzo 2008

RESUMEN Un electrocardiograma (ECG), es una medición de la actividad eléctrica del corazón. La

misma se realiza colocando electrodos en lugares específicos del cuerpo (pecho, brazos y piernas), para obtener una representación gráfica, o trazado, de la actividad eléctrica. Las modificaciones en el trazado de un ECG pueden indicar anormalidades relacionadas con el corazón. Un sistema Holter permite la adquisición y almacenamiento de señal electrocardiográfica durante un periodo de 24 horas o más mientras el paciente realiza las actividades rutinarias de la vida diaria. Los componentes circuitales que constituyen este dispositivo incluyen un amplificador de instrumentación así como también el microcontrolador que digitaliza y almacena la información en una memoria externa MMC (Multimedia Memory Card) o SD (Smart Data). Al tener almacenada la información en la memoria se transferirá a una computadora la cual procesa y despliega la señal almacenada. El desarrollo de este dispositivo se realizó en tres etapas; la analógica que se encargó de amplificar y acondicionar la señal electrocardiográfica, la digital es responsable de digitalizar y almacenar la señal en la memoria. Para estas dos etapas se realizaron circuitos impresos en los que se consideraron criterios de inmunidad al ruido para evitar la distorsion de la señal. También se considera el bajo consumo de energía de los dispositivos para garantizar su operación durante las 24 horas alimentado con un par de baterías AA. La tercera etapa corresponde al sistema programado (software), el cual es realizado en lenguaje C. Este software se diseñó para procesar y desplegar la información en forma rápida y eficiente. En conclusión se diseñó un dispositivo que adquiere almacena procesa y despliega una señal electrocardiográfica de forma tal, que ayude al médico a detectar anomalías en el funcionamiento del corazón y sistema circulatorio.

Descriptores: Electrocardiografía, Sistema Holter, MMC/SD

ÍNDICE GENERAL

APROBACIÓN ii

DEDICATORIA iii

RESUMEN iv

INTRODUCCIÓN 1

Capítulo pp.

1. EL HOLTER PARA MONITOREO CARDIACO ................. ....................................... 5

1.1. FORMA DE PREPARAR EL PACIENTE ............................................................... 7

1.2. RESULTADOS DE UN ESTUDIO .......................................................................... 7

2. EQUIPOS HOLTER COMERCIALES .......................................................................... 9

2.1. PRODUCTOS EXISTENTES EN EL MERCADO .................................................. 9

2.1.1. Holter “ECG STUDIO” ..................................................................................... 9

2.1.2. Monitor 99027 HolterStar VX3 Y Holter2000 De Holter .............................. 10

2.1.3. Holter DigiTrak Plus ....................................................................................... 11 2.1.4. Equipos HOLTECH ........................................................................................ 12

2.1.5. Sistema Holter MT-101/200/210 ..................................................................... 13

2.1.6. Holter Mini scope MS-3 .................................................................................. 14

2.1.7. Holter Microvit MY-120 GSM ....................................................................... 14

2.2. DISEÑO Y LIMITACIONES ................................................................................. 15

2.3. ELEMENTOS DE ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN ........................ 17 2.4. CARACTERÍSTICAS DE LA MEMORIA ............................................................ 18

2.4.1. Volatilidad ....................................................................................................... 18 2.4.2. Forma de Acceso ............................................................................................. 18 2.4.3. Forma de Modificar la Información ................................................................ 19

2.5. TIPOS DE MEMORIAS PARA DISPOSITIVOS PORTÁTILES ......................... 19

2.5.1. PC Card (PCMCIA), CompactFlash I CF-I, CompactFlash II CF-II .............. 20 2.5.2. SmartMedia ..................................................................................................... 21 2.5.3. Memory Stick, Memory Stick Duo, Memory Stick Micro M2 ....................... 22 2.5.4. Intelligent Stick (iStick) .................................................................................. 22 2.5.5. Secure Digital Card (SD) ................................................................................ 24

2.6. MEMORIA MMC ................................................................................................... 25

v i

2.6.1. Características Físicas ..................................................................................... 26 2.6.2. Características Eléctricas ................................................................................. 26

3. DISEÑO DEL MÓDULO ANALÓGICO PARA EL EQUIPO HOLTER . ............... 28

3.1. REQUERIMIENTOS BÁSICOS DEL BIOAMPLIFICADOR .............................. 29

3.1.1. Alta impedancia de entrada: ............................................................................ 29

3.1.2. Protección del circuito: .................................................................................... 29 3.1.3. Baja impedancia de salida: .............................................................................. 29

3.1.4. Ancho de banda: .............................................................................................. 30 3.1.5. Ganancia diferencial apropiada: ...................................................................... 30

3.1.1. Relación de rechazo de modo común: ............................................................. 30

3.1.1. Punto de referencia o calibración: ................................................................... 30

3.2. DISEÑO DEL BIOAMPLIFICADOR .................................................................... 31

3.2.1. Entrada diferencial .......................................................................................... 31 3.2.2. Terminal de Referencia ................................................................................... 32 3.2.3. Etapa de Pre-Amplificación ............................................................................ 33

3.2.4. Etapa de Post-Amplificación ........................................................................... 33

3.2.5. Selección de Componentes .............................................................................. 34

3.3. Simulación del Circuito ........................................................................................... 38

4. MODELO DEL MÓDULO DIGITAL DEL SISTEMA HOLTER ...... ...................... 42

4.1. CONVERTIDOR ANÁLOGO DIGITAL ............................................................... 42

4.2. USO DE LOS CONVERTIDORES ANÁLOGOS DIGITAL EN EL MUESTREO DE SEÑALES BIOMÉDICAS .......................................................................... 44

4.3. CARACTERÍSTICAS DEL CONVERTIDOR ANÁLOGO/DIGITAL ................ 45

4.3.1. Número de Bits ................................................................................................ 45 4.3.2. Frecuencia de Muestreo ................................................................................... 45

4.4. MICROCONTROLADOR ...................................................................................... 46

4.4.1. CONVERTIDOR ANÁLOGO DIGITAL ...................................................... 47

4.5. Protocolo de Comunicación ..................................................................................... 47

4.5.1. Protocolo SPI ................................................................................................... 48 4.5.2. Construcción de la trama comando ................................................................. 49

4.5.1. Construcción de la trama argumento ............................................................... 50

4.5.2. MÓDULO DE COMUNICACIÓN SPI .......................................................... 52

4.6. DISEÑO DEL SOFTWARE PARA EL MICROCONTROLADOR ..................... 52

v i i

4.6.1. CÓDIGO FUENTE DEL SOFTWARE DISEÑADO .................................... 53

5. DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO .......................................................................... 63

5.1. FUENTE DE PODER DE ALIMENTACIÓN DEL CIRCUITO ........................... 63 5.2. TENSIÓN DE REFERENCIA 2.5 V ...................................................................... 63

5.3. PLANO DE TIERRA .............................................................................................. 64 5.4. CONDENSADORES DE DESACOPLO................................................................ 64

5.5. DESARROLLO DEL CIRCUITO IMPRESO ........................................................ 64

5.5.1. Esquema Propuesto ......................................................................................... 66 5.5.2. Circuito Impreso .............................................................................................. 68

5.6. ELABORACIÓN DEL CIRCUITO IMPRESO ...................................................... 70

6. VALIDACIÓN DE RESULTADOS ............................................................................... 72

CONCLUSIONES 81 RECOMENDACIONES 83 REFERENCIA 84

LISTA DE FIGURAS

Figura pp.

2-1 SOFTWARE ECG STUDIO CAPTURA DE PANTALLA ............................................. 10

2-2 EQUIPO HOLTERSTAR VX3 PARA ESTUDIO HOLTER

ELECTROCARDIOGRAFICO ............................................................................................... 11

2-3 SISTEMA DIGITRAK PLUS PARA ESTUDIO HOLTER ............................................ 12

2-4 EQUIPO HCAA 348 SE PARA CAPTURA Y ALMACENAJE DE SEÑALES

ELECTROCARDIOGRAFÍAS ................................................................................................ 13

2-5 EQUIPO HOLTER SYSTEM PARA CAPTURA DE SEÑALES

ELECTROCARDIOGRAFÍAS DE LA COMPAÑÍA SCHILLER ......................................... 14

2-6 I.1.6 ELECTROCARDIÓGRAFO MINISCOPE MS-3 .................................................... 14

2-7 I.1.7 EQUIPO PARA REALIZAR ESTUDIO DE ELECTROCARDIOGRAFÍA A

DISTANCIA MICROVIT MT-120 GSM ................................................................................ 15

2-8 MEMORIA CONPACT FLASH (MARCA KINGSTON TECNOLOGY CON

CAPACIDAD DE ALMACENAR 1 GB DE INFORMACIÓN) ............................................ 20

2-9 MEMORIA SMARTMEDIA, VITA DEL PUERTO DE COMUNICACIÓN ................. 22

2-10 MEMORIA MEMORY STICK EN LOS DIFERENTES MODELOS PRESENTADOS

POR SONY ............................................................................................................................... 23

2-11 MEMORIA INTELLIGENT STICK ............................................................................... 23

2-12 MEMORIAS SD Y MMC EN SUS DIFERENTES FORMATOS ................................. 24

2-13 MEMORIA MMC VISTA DEL PUERTO DE COMUNICACIÓN ............................... 25

2-14 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE MEMORIA MMC/SD. ......................................... 27

3-1 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA HOLTER ................................................. 28

3-2 ELECTROCARDIOGRAMA, DESCRIPCIÓN DE SU FORMA. ................................... 31

3-3 ESQUEMA DETALLADO DE AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN ............ 32

3-4 AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN INA322 .................................................. 35

3-5 INA322 ............................................................................................................................... 36

3-6 AMPLIFICADOR OPERACIONAL OP490 ..................................................................... 36

3-7 PIN OUT DE REFERENCIA DE PRECAUCIÓN REF3225 ........................................... 37

i x

3-8 MODELO TEÓRICO DEL AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN ................... 38

3-9 RESULTADO DE LA SIMULACIÓN DEL MODELO TEÓRICO DEL AMPLIFICAR

DE INSTRUMENTACIÓN. SEÑAL DIFERENCIAL CON RUIDO. ................................... 39


DE INSTRUMENTACIÓN. SEÑAL MODO COMÚN OBTENIDA Y AMPLIFICADA. ... 40


DE INSTRUMENTACIÓN. SEÑAL AMPLIFICADA X5 .................................................... 40


DE INSTRUMENTACIÓN. SEÑAL AMPLIFICADA X200 ................................................ 41

3-13 RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL MODELO TEÓRICO DEL AMPLIFICADOR

DE INSTRUMENTACIÓN ...................................................................................................... 41

4-1 FORMATO DE LÍNEA DE COMANDO ......................................................................... 49

4-2 TABLA DE COMANDO AGRUPADA POR CLASES. .................................................. 51

4-3 ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA HOLTER. ........................................................ 54

4-4 DIAGRAMA DEL BLOQUE GENERAL ........................................................................ 56

4-5 ASIGNACIÓN DE FAT .................................................................................................... 56

4-6 ENVÍO DE COMANDO.................................................................................................... 59

4-7 ESCRITURA DE BLOQUE DE MEMORIA.................................................................... 61

4-8 INICIALIZACIÓN DE MEMORIA MMC ....................................................................... 62

5-1 ESQUEMAS DEL CIRCUITO IMPRESO ....................................................................... 66

5-2 EAGLE MENÚ PRINCIPAL ............................................................................................ 67

5-3 EAGLE SUB PROGRAMA PARA ELABORACIÓN CIRCUITOS IMPRESOS

(BOARD) .................................................................................................................................. 67

5-4 SUB PROGRAMA PARA EL DISEÑO DEL ESQUEMÁTICO ..................................... 68

5-5 CARA SUPERIOR DEL CIRCUITO IMPRESO.............................................................. 70

5-6 CARA INFERIOR DEL CIRCUITO IMPRESO .............................................................. 70

6-1 SISTEMA DE DESPLIEGUE DE INFORMACIÓN ........................................................ 73

6-2 ESQUEMA FINAL DEL CIRCUITO ANALÓGICO DEL SISTEMA HOLTER. .......... 74

6-3 ESQUEMA PROPUESTO PARA EL FUNCIONAMIENTO DEL MICRO

CONTROLADOR PIC18F4550 ............................................................................................... 74

6-4 ESQUEMA FINAL DEL SISTEMA HOLTER ................................................................ 75

x

6-5 CIRCUITO IMPRESO PLATEADO PARA EL SISTEMA DIGITAL ............................ 76

6-6. VISTA DE LA SEÑAL ELECTROCARDIOGRÁFICA DEL PACIENTE Nº 1, EN EL

OSCILOSCOPIO DIGITAL TECTRONIC ............................................................................. 78

6-7 RESULTADO OBTENIDO DE LA SEÑAL ALMACENADA EN LA MEMORIA

PARA EL PACIENTE Nº 1 EN LA INTERFAZ GRAFICA DESARROLLADA. ............... 78

6-8 PACIENTE Nº1 AL MOMENTO DE COLOCARLE EL SISTEMA HOLTER ............. 79

6-9. VISTA DE LA SEÑAL ELECTROCARDIOGRÁFICA DEL PACIENTE Nº 2, EN EL

OSCILOSCOPIO DIGITAL TECTRONIC ............................................................................. 80

6-10 SISTEMA DE ADQUISICIÓN Y ALMACENAMIENTO DE DATOS DEL SISTEMA

HOLTER ................................................................................................................................... 80

LISTADO DE TABLAS

Tabla pp.

2.1 TIPOS DE MEMORIAS PARA DISPOSITIVOS PORTÁTILES, DIMENSIONES Y

DRM ......................................................................................................................................... 21

4.1 TRAMA DE LÍNEA DE COMANDO ............................................................................... 51

4.2 TABLA RESUMEN FAT .................................................................................................. 58

6.1 PACIENTES ESTUDIADOS. ............................................................................................ 77

INTRODUCCIÓN

Un electrocardiograma (ECG), es una medición de la actividad eléctrica del corazón, esta

actividad es generada por la acción de bombeo que realiza el mismo con la finalidad de

distribuir la sangre por todo el cuerpo. El corazón está constituido por fibras musculares, las

cuales responden a impulsos eléctricos emitidos por el sistema nervioso autónomo. Estas

fibras musculares forman cuatro cavidades o compartimientos, dos superiores llamados

aurícula izquierda y aurícula derecha y las dos inferiores ventrículo derecho y ventrículo

izquierdo.

Para el diseño de los bioamplificadores hay que conocer detalladamente las características

de la señal a medir para poder ajustar las ganancias y los anchos de banda del instrumento que

se desea realizar.

En este caso se desea diseñar un bioamplificador para señales electrocardiográficas para

esto describiremos las características fundamentales de esta señal.

Desde el punto de vista eléctrico el corazón se puede considerar como un generador

eléctrico de una señal periódica, representada por un dipolo localizado en el tórax, la tensión

generada se desplaza de un lugar a otro de acuerdo a la actividad eléctrica del miocardio.

(Tucci Reali, 2005)

El tórax puede ser modelado como una impedancia conectada a un dipolo. Si medimos en

dos posiciones diferentes del tórax se puede apreciar una diferencia de potencial que depende

de la posición que se coloquen los electrodos y la magnitud del dipolo. (Tucci Reali, 2005)

La tensión medida disminuye con la distancia de la fuente y además es proporcional al

coseno del ángulo entre ejes del dipolo y los puntos de medición, esto nos quiere decir que el

valor de medición es máximo cuando el eje del dipolo y el eje de medición son paralelos y es

mínima la medida cuando el ángulo formado por estos dos ejes es noventa grados.

2

Graficando la variación en el tiempo de la diferencia de potencial generada por el dipolo se

obtiene un electrocardiograma que expresa el ciclo en el que se encuentra un latido del

corazón.

Observando la curva existen varios intervalos de interés que nos describen de forma muy

general la forma de la onda (Tucci Reali, 2005):

• Complejo QRS de 70 a 110 ms

• Intervalo RR entre dos ondas continuas de 600 a 1000 ms

• Intervalo PR de 150 a 200 ms

• Intervalo ST de unos 320 ms

Al realizar la medición de esta señal es posible obtener una grafica que representa la

actividad del corazón en el tiempo, esto es llamado generalmente electrocardiograma. Si se

realiza esta medición por periodos largos generalmente por periodos de 24 horas, esto se

denomina estudio holter o electrocardiografía ambulatorio por 24 horas. (TÉCNICA PARA

OBTENER UN TRAZO ELECTROCARDIOGRÁFICO DE CALIDAD, 2005)

El diseño y elaboración de estos equipos que realizan este tipo de mediciones debe cumplir

con un serie de requisitos básicos entre los cuales se tiene: almacenar la señal

electrocardiográfica por un periodo mayor o igual a 24 horas, tener inmunidad al ruido

eléctrico que se pueda presentar en el intervalo de tiempo en el que se realiza la medición, un

bajo consumo de energía para tener una autonomía mayor o igual a 24 horas para así poder

almacenar la información generada durante ese periodo, un tamaño reducido para que no

produzca incomodidad al paciente, recordando que el portará este dispositivo por un largo

tiempo en el que el sujeto a estudio deberá realizar las actividades cotidianas sin ninguna

limitación física para poder observar los cambio que sufre la señal electrocardiográfica en las

diferentes actividades que se desarrollan en el periodo de medición.

El diseño de estos dispositivos generalmente está constituido por 3 bloques fundamentales

los cuales realizan funciones específicas, el primer bloque está conformado por el

3

amplificador de biopotencial. Este bloque está construido con dispositivos de naturaleza

analógica, en los que se puede mencionar el uso de amplificadores de instrumentación y

amplificadores operacionales de bajo consumo de energía, dispuesto en diferentes

configuraciones para así tener el mejor desempeño de estos dispositivos. El desarrollo de este

dispositivo también debe contar con una premisas como es la inmunidad al ruido con

características de modo común que generalmente es asociado al ruido de 60 Hz generado por

los sistemas de distribución de energía eléctrica estándares.

El segundo bloque es de naturaleza digital, el se encarga de realizar la conversión de la

señal electrocardiográfica analógica a digital. Además, se encarga de almacenar la señal

convertida en un dispositivo de almacenamiento masivo de datos o memoria. En este trabajo

se utilizará como herramienta de almacenamiento las memorias del tipo multimedia,

específicamente las memorias llamadas MMC por las ventajas que estas tienen para realizar la

comunicación con el microcontrolador que realiza la conversión de la señal. En cuanto a la

memoria MMC, la forma de funcionamiento es bastante sencilla dado que tiene 3 funciones

básicas con las que se controla la memoria, estas son: escritura de bloque, lectura de bloque y

borrado de bloque. El protocolo utilizado para realizar la comunicación entre la memoria

MMC y el microcontrolador es el SPI estándar, utilizando una trama de 8 bit de longitud.

Para estos dos primeros bloques se diseñó un circuito impreso considerando la inmunidad

al ruido generado por los problemas de compatibilidad electromagnética, como también los

problemas que genera la premisa de bajo consumo de energía de estos dispositivos. Para el

diseño de estos bloques se utilizó un programa de diseño asistido por computador (CAD)

especializado para la elaboración de circuitos impresos. Este software permite el diseño de

circuitos impresos en diferentes capas, también cuenta con una herramienta para realizar las

pistas de forma automática tomando como premisa la mínima distancia entre dos puntos. Para

la elaboración de los circuitos impresos planteados en el trabajo, se proponen el uso de

diferentes, destacándose entre ellas la técnica de transferencia térmica que consiste en la

transferencia de una imagen a la baquelita por medio de calor

4

El tercer bloque no menos importante es el encargado de realizar el despliegue de la

información almacenada en la memoria, este es un software desarrollado utilizando un

compilador de lenguaje C, que tiene como principal característica facilitar el desarrollo de

interfaces graficas funcionales y prácticas de forma sencilla y rápida. Este software tiene una

serie de características como son: el acceso a unidades externas o la posibilidad de leer

memorias del tipo MMC, además contar con una serie de herramientas que faciliten la

interpretación de la señal electrocardiográfica.

CAPíTULO I

1. EL HOLTER PARA MONITOREO CARDIACO

Antes de comenzar a describir que es un sistema holter y para qué sirve se realizará una

pequeña reseña histórica de la electrocardiografía y los sistemas holter. El fisiólogo ingles

Augustus D. Waller es a quien se le atribuye la creación del primer electrocardiógrafo

humano en el año de 1887, aunque una opinión generalizada dice que la electrocardiografía

moderna surge con los estudios realizados por el holandés Willem Einthoven quien nace en el

año de 1860 y muere en el 1927. Einthoven es quien usa por primera vez el termino

electrocardiograma en un artículo publicado en el año de 1893 que habla sobre los nuevos

métodos de la exploración clínica, en el año de 1895 Einthoven describe mediante las letras

A, B, C, D y E las 5 ondas básicas para la electrocardiografía luego estas letras cambian a P,

Q, R, S y T, de igual forma como están designadas hoy en día. En el año 1901 inventa el

galvanómetro de hilo que es el primer electrocardiógrafo con utilidad clínica, esta inversión le

valdría a Einthoven el Premio Nobel de medicina y fisiología del año 1924, en el año de 1912

calcula el eje eléctrico del corazón y plantea la ley del triángulo equilátero que hoy es llamada

“Triángulo de Einthoven” formado por las tres derivaciones clásicas I II y III.(Navarro, 2004)

Norman J. Holter nace en el año de 1914, momento en que la electrocardiología se había

convertido en uno de los métodos de diagnóstico más importante. Aunque existía un

inconveniente el cual era la colocación de numerosos electrodos y cables en el paciente

haciendo este método no muy práctico de realizar, además el paciente tenía que estar en una

inmovilidad absoluta para no producir errores en la lectura de la señal eléctrica. Todos estos

inconvenientes imposibilitaban la obtención de un registro de larga duración como también

hacía casi improbable el estudio de pacientes realizando actividades del día a día.

6

Norman J. Holter nace en el año de 1914, momento en que la electrocardiología se había

convertido en uno de los métodos de diagnóstico más importante. Aunque existía un

inconveniente el cual era la colocación de numerosos electrodos y cables en el paciente

haciendo este método no muy práctico de realizar, además el paciente tenía que estar en una

inmovilidad absoluta para no producir errores en la lectura de la señal eléctrica. Todos estos

inconvenientes imposibilitaban la obtención de un registro de larga duración como también

hacía casi improbable el estudio de pacientes realizando actividades del día a día.

Holter es quien resuelve este problema diseñando un sistema portátil para registrar las

señales electrocardiográficas de quien llevaba el dispositivo, aunque este dispositivo era poco

práctico por lo que pesaba alrededor de 34 kg, aunque al avanzar la tecnología electrónica se

pudo reducir el peso como también el método de almacenamiento de la información obtenida

de la señal de registro, logrando así realizar el estudio de un electrocardiograma continuo que

hoy en día es conocido como “ECG HOLTER” o también conocido con el nombre de

HOLTER. SISTEMA HOLTER PARA REGISTROS ELECTROCARDIOGRÁFICOS

El holter es un dispositivo que registra o almacena los ritmos cardiacos por periodos

continuos que generalmente son de 24 horas durante la actividad normal del paciente, este

estudio es conocido con los nombres de electrocardiografía ambulatoria, monitoreo holter

durante 24 horas. (SONIBER, 2007)

La forma en que se realiza este examen es colocando una serie de electrodos en el tórax los

cuales se conectan a un pequeño dispositivo de almacenamiento que funciona a baterías, este

dispositivo es tan pequeño que puede guardarse en un bolsillo o en un bolso

pequeño.(Lifespan, 2007)

Mientras se está utilizando el dispositivo se registra la actividad eléctrica del corazón, al

mismo tiempo que el paciente realiza las actividades cotidianas. Se debe llevar un registro de

las actividades que se están realizando o se realizaron durante ese período, después de haber

terminado las 24 horas del estudio el médico o el técnico encargado realizará un estudio a la

información obtenida, observando si se han producido variaciones irregulares del ritmo

7

cardíaco. Para qué este estudio sea más sencillo de realizar, el paciente debe tomar nota de

forma muy precisa de la actividades realizadas en el periodo del examen

1.1. FORMA DE PREPARAR EL PACIENTE

Para realizar este estudio no se necesita una preparación especial, generalmente se le

solicita al paciente que esté recién bañado porque el dispositivo generalmente no es resistente

al agua, las indicaciones que se dan al paciente habitualmente son como colocar de nuevo los

electrodos en caso de que éstos se suelten o se aflojen al estar realizando cualquier actividad.

Si esto ocurre se le debe comunicar al médico para así tener en cuenta lo sucedido al

momento de realizar el estudio de la señal.

Este examen es indoloro y no invasivo; aunque en algunos pacientes se debe rasurar el

bello del tórax para que los electrodos se puedan adherir de forma correcta, otra indicación

que se le da al paciente es que debe mantener el monitor cerca del cuerpo, lo cual puede

producir incomodidad para realizar algunas actividades, usualmente esto sucede al momento

de dormir. (American Accreditation HealthCare Comisión, 2006)

Las razones por las que se realiza el estudio es para determinar la respuesta del corazón del

paciente al realizar actividades normales del día a día. También se puede utilizar el monitoreo

Holter cuando se le suministra al paciente un medicamento que pudiesen afectará al corazón.

Otro de los estudios que se realiza es el desempeño del corazón después de haber tenido un

ataque cardíaco, otra de las razones por las que se puede realizar un estudio holter de 24 horas

es por la sospecha de problemas relacionados con el ritmo cardíaco.(MCG Health System,

2000)

1.2. RESULTADOS DE UN ESTUDIO

Los resultados de realizar un monitoreo holter durante 24 horas pueden tener valores

normales o anormales; se presentan las valoraciones normales cuando la frecuencia cardiaca

8

es normal de acuerdo a la actividad que se realiza en el momento, o cuando no se presentan

cambios significativos en el ritmo del corazón.

Los resultados anormales pueden incluir diferentes arritmias, cambios en el ritmo normal

de las ondas formadas por la actividad eléctrica del corazón puede significar que no esté

recibiendo suficiente oxígeno como también tener una malformación en el corazón

Generalmente cuando en el registro se presentan variaciones de frecuencia que están fuera

de los rangos conocidos como una frecuencia cardíaca normal que se ubica en el rango de 60

a 100 pulsaciones por minuto, se puede suponer que existe una fibrilación o aleteo auricular,

cuando la frecuencia de latidos del corazón se establece en un rango de 100 a 180 pulsaciones

por minuto, otro síntoma que se puede medir y se puede atribuir a la fibrilación o aleteo

auricular es la presencia de una presión sanguínea baja. Esta patología se puede confundir con

la taquicardia auricular multifocal dado que presenta los mismos síntomas.

(ECG_Curso_Cardiologia06)

La taquicardia Supra-ventricular paroxística se presenta cuando la frecuencia cardíaca se

eleva a valores que se encuentran en el rango de 150 a 250 latidos por minutos. Esa dolencia

sucede de forma periódica por lo que entre cada episodio de taquicardia supra ventricular

paroxística pueden presentarse frecuencias cardiacas normales.(M. Morente Páez, 2000)

CAPíTULO II

2. EQUIPOS HOLTER COMERCIALES

En este capítulo se dará una breve reseña de los antecedentes que existen en el mercado

como también los que aún se encuentran en desarrollo. Cabe destacar que esta investigación

no sólo se limito a la búsqueda de sistemas tipo holter para electrocardiografía sino también a

sistemas de electrocardiografía básica, almacenamiento de señales digitalizadas y también a

sistemas de despliegue de información en computadores.

2.1. PRODUCTOS EXISTENTES EN EL MERCADO

En este apartado se presenta un breve resumen de algunos de los dispositivos disponibles

en el mercado para realizar monitoreo de la señal electrocardiográfica como también el

despliegue de su información, también se tocará en forma muy resumida los posibles sistemas

de almacenamiento de información en dispositivos portátiles.

2.1.1. Holter “ECG STUDIO”

Es un sistema de adquisición computarizado de estudio de electrocardiografía de hasta 12

canales. Este sistema puede controlar cada canal independientemente teniendo así la facilidad

de variar la ganancia que cada canal hasta ocho valores diferentes, con el propósito de así

adaptarse a las necesidades de cada paciente. Otra cualidad que lo destaca es la capacidad de

configurar entre qué electrodos se va a realizar la medida.

1 0

Es decir, se puede utilizar para medir derivaciones diferentes o para medir variables

diferentes a la electrocardiografía. Este sistema incluye un software con el que se controla el

módulo de adquisición de señales. El software contiene una interfaz gráfica agradable y fácil

de manejar.

Una de las herramientas con las que cuenta este software es la del control de la velocidad

de muestreo como también los canales que se desean observar. Otra aplicación con la que

cuenta son filtros para eliminar el corrimiento de la línea base, filtros para eliminar el ruido

generado por la línea de transmisión de energía cercana, filtros para eliminar el ruido

muscular y Además este software cuenta con unas reglas para medir la amplitud de la señal en

los dos ejes tanto, en tiempo como en amplitud del potencial. (Ollintec)

Figura 2-1 Software ECG STUDIO captura de pantalla (Ollintec)

2.1.2. Monitor 99027 HolterStar VX3 Y Holter2000 De Holter

Estos dispositivos son capaces de almacenar una señal electrocardiográfica por un periodo

de 24 horas capturando tres derivaciones. La memoria utilizada para almacenar la

información se encuentra dentro del aparato y no es de fácil acceso. Para poder descargar

información que se ha almacenado en el dispositivo hay que utilizar un programa diseñado

para tal fin. Es compatible con Windows 95, 98, NT y 2000. (MED-MUNDIAL, 2008)

1 1

Este programa de control de este sistema holter también es capaz de desplegar la

información almacenada en la memoria. Este sistema incorpora un algoritmo de análisis y

detección de arritmias como también las herramientas necesarias para modificar, explorar,

medir la señal almacenada para así tener los mejores resultados.

Figura 2-2 Equipo HolterStar VX3 para estudio holter electrocardiografico (MED-MUNDIAL, 2008)

2.1.3. Holter DigiTrak Plus

El software diseñado por la compañía Phillips para despliegue de información proveniente

del dispositivo DigiTrak Plus (PHILPS, 2004) elaborado y diseñado por la misma compañía,

es un sistema con el que se puede analizar, diagnosticar y grabar la información almacenada

en él DigiTrak Plus.

El dispositivo portátil DigiTrak puede medir 12 derivaciones por un periodo de 48 horas

con una batería tipo AA, también cuenta con un canal para el monitoreo de marcapasos.

Según la compañía Philips estos dispositivos son de fácil uso y cómodo para el paciente.

1 2

Figura 2-3 Sistema DigiTrak Plus para estudio holter (PHILPS, 2004)

2.1.4. Equipos HOLTECH

Esta compañía cuenta con una diversidad de equipos para monitoreo de señales

electrocardiográficas además de un software para la visualización de las señales. El equipo

holter con él que cuenta la compañía puede almacenar tres canales por un tiempo de 48 horas.

Las baterías con las que se alimenta este dispositivo son tipo AA, además tiene una velocidad

de muestreo constante de alrededor de 225 Hz. La memoria utilizada por este equipo es tipo

Compact Flash de 128 MB para el almacenamiento de 48 horas continuas. (Holtech, 2006)

El software con el cual se controlan los dispositivos de esta marca cuenta con las

características de leer las memorias tipo Compact Flash, también despliega la información

almacenada en la memoria, además permite clasificar la morfología de la señal por grupos y

así discriminar anomalías que se puedan presentar por ruido en la señal. También cuenta con

la posibilidad de comprimir la información en un archivo para ser enviado por Internet. Este

software permite imprimir cada canal por separado, además tiene herramientas para hacer el

análisis de frecuencia utilizando un gráfico de Poincaré para así observar la variación de

frecuencia de la señal.

1 3

Figura 2-4 Equipo Hcaa 348 SE para captura y almacenaje de señales electrocardiografías (Holtech, 2006)

2.1.5. Sistema Holter MT-101/200/210

Este equipo puede almacenar dos o tres canales de la señal electrocardiográfica y

dependiendo de la disposición en que se colocan los electrodos, pueden almacenar hasta seis

derivaciones. Este dispositivo cuenta con una pantalla LCD en la que se puede observar la

señal adquirida, además cuenta con una memoria del tipo SD donde se almacena la

información capturada. Las baterías que usa este dispositivo son de tipo AA. El tiempo

máximo de captura que puede almacenar este dispositivo es de 72 horas.

El software para manejar y desplegar la información almacenada en la memoria permite

graficar dos o tres canales dependiendo de lo almacenado en la memoria. Cuenta con la

posibilidad de adquirir la señal en tiempo real desde el dispositivo. Entre las herramientas con

las cuales cuenta este software para el estudio de las señales almacenadas está la detección de

20 eventos en los cuales se presenten anomalías en la señal. Este software permite guardar la

información en formato PDF para así ser enviada por correo electrónico. Este software tiene

la posibilidad de hacer estudios a diferentes pacientes a la vez.

1 4

Figura 2-5 Equipo Holter System para captura de señales electrocardiografías de la compañía SCHILLER (SCHILLER AG, 2006)

2.1.6. Holter Mini scope MS-3

Este dispositivo consiste en un sistema de monitoreo para señales electrocardiográficas,

este monitor de señal ECG puede almacenar 30 minutos de información. También puede

capturar entre tres y cinco derivaciones de la señal ECG. Este dispositivo cuenta con una

pantalla LCD en la que se puede visualizar hasta 46 segundos de la señal capturada.

También cuenta con opciones de una salida analógica para conectarlo a otros dispositivos.

El sistema de comunicación utilizado por este dispositivo es el RS-232.

Figura 2-6 I.1.6 electrocardiógrafo MINISCOPE MS-3 (SCHILLER AG, 2006)

2.1.7. Holter Microvit MY-120 GSM

Éste es un dispositivo diseñado para hacer el monitoreo de una señal electrocardiográfica a

distancia, es decir es una aplicación de telemedicina usando un sistema celular para la

transmisión de la información. Este sistema de transmisión se basa en la tecnología GSM. El

1 5

MICROVIT MT-120 GSM puede capturar dos canales de la señal además cuenta con una

memoria de 16 MB tipo flash. Su peso es de 240 gramos contando el paquete de baterías. Este

dispositivo cuenta con el software en el que se realiza la recepción de información y todo el

procesamiento y despliegue de la señal transmitida.

Figura 2-7 I.1.7 Equipo para realizar estudio de electrocardiografía a distancia MICROVIT MT-120 GSM (SCHILLER AG, 2006)

2.2. DISEÑO Y LIMITACIONES

En este capítulo se han expusieron una serie de productos entre los que se nombraron

algunos sistemas holter, de allí se tomaron ciertos criterios de diseño así como también las

limitaciones para la elaboración del sistema propuesto.

• Para el diseño del sistema holter unas de las principales características que se han

de tener presentes son: el tiempo de autonomía del sistema, el cual como mínimo

debe ser de 24 horas, esto se debe a que los estudios que se realizan con estos

dispositivos intentan capturar anomalías en la señal electrocardiografía que no son

periódicas o tienen tiempos de ocurrencia muy prolongados.

• La configuración de diferentes velocidades de muestreo, a los fines de tener una

mejor resolución al momento de medir las variaciones de frecuencia en la señal

(característica mencionada en el capítulo primero).

• Tipos de memoria en que se desea almacenar la información, entre ellas se

cuentan con las internas o memoria del tipo removibles como son las memorias

SD, MMC, Compact Flash, entre otras.

1 6

• Software especializado para poder extraer la información almacenada, utilizando

distintos tipos de comunicación como pueden ser: paralélela, sistemas de

comunicación serial (RS-232, USB, entre otros) y medios inalámbricos tales como

celular, bluetooth, WiFi, etc.

El uso de medios de despliegue de información en estos sistemas es limitado, pues

generalmente utilizan leds para indicar el estado en que se encuentra el proceso, hay otros

que utilizan pantallas LCD para desplegar información bien detallada que al paciente no le es

útil, si no tiene conocimiento técnico sobre el tema. Otros, cuentan con sistemas de alarma en

caso de que el holter esté descargando las baterías o alarmas que indican que uno de los

electrodos están flojos o sueltos.

Todos los holter nombrados en el capítulo segundo tiene un software que despliega la

información y utilidades de procesamiento. Este software cuentan con herramientas básicas

las cuales sirven para: medir en los dos ejes (tiempo y amplitud), otra herramienta con la que

cuenta es un frecuencímetro que calcula la frecuencia promedio de la señal como también la

frecuencia promedio de periodos seleccionados o intervalos específicos, todo esto

configurado por el usuario. También cuenta con la capacidad para almacenar la información

en formatos más sencillos de utilizar. Otra utilidad con la que cuentan algunos de estos

programas es la capacidad de enviar la información por medio de correo electrónico.

Los medios utilizados para la impresión de los documentos es muy variado, la gran

mayoría cuenta con utilidades para convertir la información desplegada en pantalla a un

formato estándar de documentos como es PDF, HTML o RTF, también algunos tienen la

posibilidad de exportar imágenes con la información que se obtuvo en el periodo del examen,

estas imágenes generalmente están en formatos JPG, BMP, TIF, todos ellos tienen la opción

de imprimir la información obtenida en papel.

Las limitaciones con las cuales cuentan los sistemas holter mencionados anterior mente se

destacan: el usos máximo de 3 canales de captura, esto es porque en los estudios holter por 24

horas intentan capturar variaciones en la frecuencia cardiaca del paciente en valores

1 7

anormales o fuera de los rangos comunes, y medir los periodos de incidencia de estas

variaciones.

Los dispositivos que cuentan con la capacidad de variar la frecuencia de muestreo lo hacen

de forma discreta, es decir que las variaciones en el rango son por pasos, los rangos usuales de

muestreo están entre 120 Hz hasta 1200 Hz. Los pasos utilizados depende del dispositivo,

pero siempre que esta velocidad aumenta hay que tomar en cuenta que la cantidad de

información es proporcional a la frecuencia utilizada, por lo tanto la capacidad de almacenar

24 horas de información aumenta, esto sucede también cuando se aumenta el número de

canales a almacenar, mientras mayor sea el número de canales, mayor el espacio de memoria

requerido para almacenar.

El uso de pantallas para desplegar información aunque es una herramienta útil para saber el

estado en que se encuentra la captura de datos. Limita el tiempo de autonomía del dispositivo.

En el caso en los que esto no es problema, las pantallas utilizadas están diseñadas para un

consumo mínimo de energía, pero esto trae como consecuencia que los controladores

utilizados para manejar estos sistemas sean más complejos o estén integrados en los

microcontroladores.

Las memorias removible deben contar con una tabla de asignación de archivo o FAT, esto

significa que la capacidad real de la memoria se reduce un poco. También dependiendo del

software diseñado para desplegar la información se hace necesaria la creación de formato de

archivos que generalmente suelen ser archivos de texto plano. Siendo el FAT un sistema de

archivo desarrollado para el sistema operático MS-DOS que fue utilizado por Microsoft como

el sistema de archivo principal de sus productos.

2.3. ELEMENTOS DE ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN

Los circuitos electrónicos únicamente pueden procesar datos binarios, para ello estos datos

deben ser almacenados en una memoria que es un circuito electrónico destinado para este fin.

En el contexto de un sistema holter los sistemas de almacenamiento posibles son muchos que

1 8

pueden ir desde sistemas analógicos cinta magnética hasta elementos electrónicos como

pueden ser memorias digitales que pueden almacenar volúmenes de datos elevados.

2.4. CARACTERÍSTICAS DE LA MEMORIA

2.4.1. Volatilidad

Se dice que la información almacenada en una memoria es volátil siempre y cuando corra

el riesgo de verse alterada o no al producirse algún fallo en el suministro de la energía

eléctrica.

• Memoria volátil este tipo de memorias requieren energía para mantener su

información por un largo tiempo lo que hace difícil la utilización de esta memoria

para almacenar volúmenes de información por un largo tiempo, este tipo

memorias son más comúnmente conocidas con el nombre memoria RAM o

memoria de acceso aleatorio aunque este nombre no muy apropiado para ellas

porque la gran mayoría de las memorias que existen en el mercado actualmente

son de acceso aleatorio, lo que hace más rápido el acceso a la memoria.

• Memoria no volátil la información en este tipo memorias no es alterada por la

interrupción del flujo energía eléctrica lo que hace fácil almacenar información

por largo tiempo, entre los tipos más conocidos de memorias no volátiles

tenemos: las memoria flash, memorias NVRAM.

2.4.2. Forma de Acceso

La forma en la que se accede a los sectores de la memoria para realizar acciones de

escritura o lectura son de gran importancia porque esto altera la velocidad con la que fluyan

los datos de la memoria en cualquiera de sus dos direcciones como lectura o escritura, existen

dos formas de acceso a las memoria como son, de acceso aleatorio, de acceso secuencial.

• Acceso aleatorio esté tipo de memoria son las más utilizadas en el mercado por su

buen desempeño y alta velocidad de acceso, esta memoria funciona de tal manera

1 9

que se pueden acceder a diferentes sectores de memoria sin llevar una secuencia o

un orden específico.

• Acceso secuencial esta memoria son lentas dado que el acceso a los sectores es de

forma secuencial de quiere decir, que para poder acceder al último dato

almacenado hay que pasar por todos los anteriores.

2.4.3. Forma de Modificar la Información

La forma en que se modifica nosotros en una memoria de vital importancia para el

funcionamiento de ellas.

• Memoria de solo lectura la información contenida en este tipo memoria no puede

ser modificada.

• Memoria de escritura lenta y lectura rápida es una memoria de lectura y escritura

en la cual el proceso de escritura es mucho más lento el proceso de lectura, entre

las más conocidas tenemos las memorias tipo ROM.

• Memoria de lectura/escritura Al igual que el tipo anterior esta memoria puede ser

escrita y leída con la diferencia de que los dos procesos tienen velocidades

similares, lo que hace más fácil la implementación de este tipo de memorias, entre

las más conocidas tenemos las tipo FLASH, la tipo RAM, etc.

2.5. TIPOS DE MEMORIAS PARA DISPOSITIVOS PORTÁTILES

Existen diversos tipos de memorias para equipos portátiles, generalmente estos tipos de

memorias tienen un empaque tipo tarjeta que hace más fácil su manipulación y portabilidad,

los tipos de memoria utilizados por estos dispositivos son de estado sólido lo que las hace más

resistentes a golpes siempre y cuando no se doblen o sean deformadas. En los años 90

salieron un gran número de formato de este tipo de tarjetas pequeñas y portátiles de las cuales

se destacaron las “SmartMedia, CompactFlash” y tarjetas miniatura. Hoy en día la diversidad

de tarjetas han aumentado en gran medida y se desarrollan nuevos formatos más pequeños y

con mayor capacidad que los anteriores, esto trae como consecuencia que el desarrollo de un

sistema portátil en el cual sea necesario el almacenamiento de datos en forma digital, dependa

2 0

del tipo de memoria a utilizar, en la siguiente tabla se nombran los tipos de memorias más

comunes en el mercado con sus dimensiones físicas así como también algunas características

que las diferencian.

Obsérvese que en la tabla 3.1 se describe el tamaño físico de la memorias esto no es un

referencia para poder definir la capacidad de ellas para, a continuación se describirá algunos

grupos de memorias y las capacidades de almacenamiento alcanzadas hasta el momento.

2.5.1. PC Card (PCMCIA), CompactFlash I CF-I, CompactFlash II CF-II

Esta tarjeta es de gran tamaño (ver figura 2.8) con una capacidad de almacenamiento de

hasta 8 Gb en el año 2005 en el caso de las tarjetas “PCMCIA” y 16 Gb para las

”CompactFlash” hasta el año 2007. Dicha memoria cuenta con un puerto de comunicación

formado por 68 pines para la “PC Card” y de 50 pines la “CompactFlash”, consumo de

energía en modo de lectura/escritura de 100 mA, una tasa de transferencia de 20 MB/sec en

modo de escritura y 16 MB/sec en modo lectura, peso de 43 g promedio, temperatura de

funcionamiento entre 0 ºC a 50 ºC, cuenta con un protocolo de comunicación estandarizado

“PCMCIA PC Card Standard, 7.0, February 1999”. El gran tamaño el alto consumo de

energía y la complejidad del protocolo de comunicación hace difícil su implementación.

(SENA.com, 2002)

Figura 2-8 Memoria Conpact Flash (marca Kingston TECNOLOGY con capacidad de almacenar 1 Gb de información) (SENA.com, 2002)

2 1

Tabla 2.1 Tipos de memorias para dispositivos portátiles, dimensiones y DRM

2.5.2. SmartMedia

La memoria “SmartMedia” es de un tamaño pequeño y practico (ver figura 2.9) aunque no

cuenta con una gran capacidad de almacenamiento de datos alcanzando hasta 128 Mb, el

desarrollo de este formato tuvo el objetivo de sustituir las memorias “CompactFlash” aunque

no fue logrado por su baja capacidad de almacenamiento, cuenta con una interfaz de

comunicación de 22 pines los cuales son compatibles con el protocolo de comunicación

PCMCIA, peso promedio 2 g promedio, consumo de energía de 108 mW en los modos de

lectura, escritura y borrado. (SmartMedia, 1997)

1 DRM (Digital Rights Management) Gestión de Derechos Digitales 2 MagicGate “Portón magnético” tecnología de protección contra copia 3 CPRM (Content Protection for Recordable Media) sistema de datos cifrado desarrollado por el grupo 4C

Nombre Sigla Dimensiones DRM1 PC Card PCMCIA 85.6 × 54 × 3.3 mm No CompactFlash I CF-I 43 × 36 × 3.3 mm No CompactFlash II CF-II 43 × 36 × 5.5 mm No SmartMedia SM / SMC 45 × 37 × 0.76 mm No Memory Stick MS 50.0 × 21.5 × 2.8 mm MagicGate2 Memory Stick Duo MSD 31.0 × 20.0 × 1.6 mm MagicGate Memory Stick Micro M2 M2 15.0 × 12.5 × 1.2 mm MagicGate Multimedia Card MMC 32 × 24 × 1.5 mm No Reduced Size Multimedia Card RS-MMC 16 × 24 × 1.5 mm No MMCmicro Card MMCmicro 12 × 14 × 1.1 mm No Secure Digital Card SD 32 × 24 × 2.1 mm CPRM3 miniSD Card miniSD 21.5 × 20 × 1.4 mm CPRM microSD Card microSD 11 × 15 × 1 mm CPRM Intelligent Stick iStick 24 x 18 x 2.8 mm No µ card µcard 32 x 24 x 1 mm

2 2

Figura 2-9 Memoria SmartMedia, vita del puerto de comunicación

2.5.3. Memory Stick, Memory Stick Duo, Memory Stick Micro M2

Es un formato de memoria comercializado por la “CORPORACIÓN SONY” en el año de

1998, contando con una capacidad máxima de almacenamiento en todos sus formatos hasta el

año 2007 de 32 Gb según la “CORPORACIÓN SONY” hasta el momento solo se encuentra

comercial la versión de 8 Gb, la “Memory Stick” (ver figura 2.10) en sus diferentes familias

tiene un consumo máximo en 100 mA en los estados de lectura, escritura y borrado y 1.5 mA

en estado de espera, cuenta con una taza de transferencia máxima teórica de 20 MB/sec, tiene

dos tipos de protocolo de comunicación serie y paralelo los cuales fueron desarrollados por la

“CORPORACIÓN SONY” en el cual el sistema de comunicación serie está formado por 3

hilos y una comunicación “Half-duplex” o semidúplex y el sistema paralelo consta de 6 hilos

reloj, bit de estado y cuatro hilos de data al igual que el sistema serial tiene una configuración

“Half-duplex” o semidúplex. (SD Association,, 2004)

2.5.4. Intelligent Stick (iStick)

Estas memorias son conocidas con el nombre de “pendrive” o “USB flash drive” la

características de estas memorias es que utilizan el protocolo de comunicación de interfaz

USB 1.1 o superior lo que ha hecho que estas memorias sean de uso masivo sustituyendo a los

elementos de almacenamiento de información magnéticos y ópticos como principal medio de

almacenamiento portátil, el uso de estos dispositivos se ha centrado más en la información

proveniente de computadores ya sean portátiles o de escritorio por su pequeño tamaño y su

alta confiabilidad, un problema que tiene este tipo de memorias es que no tienen un protocolo

2 3

de comunicación estándar por lo que cada fabricante genera sus controladores de forma

independiente, una de las características con las que sí cuenta estos tipos de dispositivos es su

alta capacidad de almacenamiento de información que va desde unos pocos megas hasta 80

Gb aunque algunos fabricantes colocan en vez de una memoria flash un pequeño disco duro,

esta memoria es alimentada por una fuente de 5v y la corriente de consumo varía dependiendo

de la capacidad de almacenamiento con la que fue fabricada la memoria. En la figura 2.11 se

puede apreciar una imagen de este tipo de memoria. (SONY, 2003)

Figura 2-10 Memoria Memory Stick en los diferentes modelos presentados por SONY

Figura 2-11 Memoria Intelligent Stick

2 4

2.5.5. Secure Digital Card (SD)

Este tipo de memoria es de uso generalizado en los dispositivos móviles como celulares,

reproductores de música, cámaras fotográficas, computadores personales, entre otros, la

diferencia que existe entre la memoria “MMC” y la memoria “SD” consiste en gran medida

en los protocolos de comunicación con que estas memorias se comunican con el “HOST”

teniendo dos tipos de protocolos uno de baja velocidad o modo de 1-bit de transferencia de

dato y el de alta velocidad o modo de 4-bit de transferencia de datos, la ventaja que tiene estos

protocolos es que el sistema de baja velocidad es compatibles con el estándar de

comunicación SPI el cual ya viene como sistema estándar de comunicación en un gran

número de microcontroladores, entre las características eléctricas que posee esta tarjeta es que

su fuente de alimentación puede variar desde los 2.7 V hasta 3.6 V, el consumo de corriente

de esta varía según la operación que esté realizando, modo lectura 65 mA, modo escritura 75

mA y modo de espera 250 uA, la capacidad de almacenamiento de este tipo de memoria llega

hasta 16 Gb en los modelos SDHC “Secure Digital High Capacity”, este modelo de memoria

tiene diversos tamaños desde la MicroSD que tiene un tamaño tan pequeño que se dificulta su

manipulación, pasando por la MiniSD hasta el tamaño normal de ellas el SD, el tamaño de

estas memorias no tiene una relación directa con la capacidad de almacenamiento en sus dos

tipos SD o SDHC. Por todas estas características hace que sea el dispositivo sea el elegido

como sistema de almacenamiento en sistema holter. (SD Association, 2000)

Figura 2-12 Memorias SD y MMC en sus diferentes formatos(SD Association, 2000)

2 5

2.6. MEMORIA MMC

La memoria MMC es una memoria de tipo FLASH de alta velocidad la cual tiene dos tipos

de protocolo de comunicación SPI y Paralelo de 4 bit la diferencia de estos dos protocolos

está en su complejidad y la multicanalización de los datos de entrada y salida. (SAMSUNG,

2005)

El protocolo SPI está formado por un bus de 4 hilos. Los cuales son el Data IN, Data OUT,

Reloj, habilitación. Este protocolo de comunicación es de alta velocidad y con un formato de

trama ya definido donde la trama de información tiene los Bits de comienzo y fin de palabra.

En cambio protocolo paralelo utiliza cuatro hilos de comunicación bidireccional lo que hace

más complejo la implementación de un algoritmo a realizar esta comunicación dado estos

cuatro hilos de comunicación funcionan de forma bidireccional, esta interfaz de comunicación

paralela utiliza seis hilos los cuales son: reloj, habilitación y cuatro hilos de comunicación

direccional.

Las memorias MMC están diseñadas en diferentes formatos tanto en capacidad de

almacenamiento como en tamaño, según la capacidad almacenamiento estas memorias se

puede conseguir en el mercado desde capacidad pequeña como de 16 MB hasta 4 GB, y por

tamaño por los tipos MMC estándar y los tipos mini y micro (ver figura 2.13), de estos dos

últimos tamaños se hacen difícil de manipular por su pequeño tamaño, hay que destacar que

las dimensiones físicas esta memoria no son proporcionales a la capacidad almacenamiento de

ellas.

Figura 2-13 Memoria MMC vista del puerto de comunicación

2 6

2.6.1. Características Físicas

Este tipo memorias son de pequeño tamaño, la memoria de uso más común tiene unas

dimensiones de 32 mm por 24 mm con un espesor de 2.1 mm y un peso de 2 g máximos.

Entre las características ambientales para el buen desempeño esta memoria tenemos que en

operación esta memoria funciona correctamente en un rango de temperatura que varía desde -

25 °C hasta 85 °C y con una humedad en operación del 25% al 95%.

2.6.2. Características Eléctricas

La característica operación de esta memoria varía en un rango dependiendo de la

temperatura. La tensión al cual la memoria se desempeña correctamente comprende un rango

de operación que está comprendido entre 2.7 V y 3.6 V con un rizado de 60 mVpp. (Reza,

2006)

Estas memorias están diseñadas para tener un bajo consumo de potencia. Se puede

observar que cuando esta memoria entra en estado de latencia o espera consume 250 uA, para

el proceso de lectura consume 65 mA.y en el proceso de escritura consume 75 mA.(SanDisk

Corporation, 2003)

Los tiempos de acceso a la memoria varían dependiendo de la operación que realice. En el

caso de la lectura de un bloque la memoria tarda entre 1.5 mS hasta 100 mS. Cuando se

realiza el proceso de escritura la memoria tienen los tiempos de ejecución que están en el

rango de 24mS hasta 250 mS, y el cambio del estado de latencia o de espera al estado de

activo tarda 1mS a 2mS(SAMSUNG, 2005).

2 7

Figura 2-14 Características físicas de memoria MMC/SD.

CAPíTULO III

3. DISEÑO DEL MÓDULO ANALÓGICO PARA EL EQUIPO HOLTER

Un electrocardiograma (llamado comúnmente EKG o ECG), es una medición de la

actividad eléctrica del corazón. El cual se realizará colocando electrodos en lugares

específicos del cuerpo (pecho, brazos y piernas), para obtener una representación gráfica o

trazado de la actividad eléctrica. Los cambios en el trazado normal de un ECG pueden indicar

una o más enfermedades relacionadas con el corazón.

Figura 3-1 Diagrama de bloques del sistema Holter

Bioamplificador

Digitalización

Almacenamiento

Procesamiento

Despliegue de información

2 9

Una monitorización con Holter es una grabación de ECG que se realiza durante 24 horas o

más, al colocar tres electrodos en el pecho del paciente y se conectarlos a un grabador de ECG

portátil mediante cables de derivaciones. Durante este procedimiento, el paciente sigue con

sus actividades cotidianas (excepto actividades como ducharse, nadar o cualquier otra cosa

que pueda producir una sudoración excesiva que haga que los electrodos se aflojen o se

caigan).

Este dispositivo está constituido por una serie de etapas las cuales se observan en el

diagrama de bloques de la figura 3.1. En la primera etapa, el bioamplificador es el encargado

de amplificar las señales bioeléctricas a valores manejables por el sistema de digitalización

para ser almacenado en una memoria en la que se registran las variaciones de la señal

digitalizada para procesarla y desplegarla en un monitor, papel, etc.

3.1. REQUERIMIENTOS BÁSICOS DEL BIOAMPLIFICADOR

3.1.1. Alta impedancia de entrada:

Los altos valores de impedancia de entrada son necesarios para que el instrumento de

medida no cargue la señal de entrada, disminuyendo su amplitud y aumentando la

componente de modo común.

3.1.2. Protección del circuito:

Como este instrumento se diseña para medir señales de amplitud muy baja los circuitos

deben ser protegidos contra descargas que puedan destruir el instrumento, como descargas de

corriente estática, choques eléctricos de la red eléctrica de distribución, entre otros.

3.1.3. Baja impedancia de salida:

Un valor bajo de impedancia de salida hace que sea sencilla la conexión de otras etapas a

la salida del instrumento como pueden ser filtros, otras etapas de amplificación, circuitos

lógicos, monitores, registradores, etc. En general el rango de esta impedancia es de 1 Ω a 500

3 0

Ω, esto depende en gran medida del tipo de dispositivo a colocar. (Robert L. Boylestad, 1697)

(Robert F. Coughlin, 1999)

3.1.4. Ancho de banda:

Este es uno de los parámetros que hay que tomar en cuenta dado que en general mientras

más grande sea el factor por el que se amplifica la señal este ancho de banda se reduce. El

ancho de banda deseado para el amplificador de biopotenciales de los electrocardiógrafos

portátiles o sistemas holter está comprendido en el rango de 0.05 Hz y los 150 Hz.

3.1.5. Ganancia diferencial apropiada:

En general, en los bioamplificadores se busca que tengan una ganancia por el orden de 500

a 1200 para así tener valores en amplitudes manejables. En la figura 3.2 se puede observar

una representación de la señal electrocardiográfica en la que se puede apreciar la amplitud de

la señal y el tiempo que puede durar un periodo completo de la señal.

3.1.1. Relación de rechazo de modo común:

Valores elevados de la relación de rechazo de modo común son una de las más importantes

características a buscar en un bioamplificador, dado que esta nos ayudará en gran medida

obtener una señal más pura, al reducir la interferencia de modo común. El valor de esta

variable debe ser mayor a 80 dB.

3.1.1. Punto de referencia o calibración:

Tener un punto de referencia para evitar distorsiones de señal, también es útil para generar

la línea de base en la que se ubica la señal medida.

3 1

Figura 3-2 Electrocardiograma, descripción de su forma.

3.2. DISEÑO DEL BIOAMPLIFICADOR

Para el diseño del bioamplificador se debe tener en cuenta una serie de consideraciones

como lo son entrada diferencial, terminal de referencia, preamplificación y postamplificación.

3.2.1. Entrada diferencial

La entrada diferencial está compuesta por dos terminales RA y LA en los cuales se

conectan los conductores de la señal electrocardiográfica al bioamplificador. Como esta señal

tiene valores de corriente y tensión muy bajos, estos terminales deben tener una impedancia

de entrada elevada, esto se logra colocando un amplificador operacional en la configuración

de seguidor de tensión. Para mejorar aún más esta impedancia se colocó un resistor de valor

100 kΩ en el terminal positivo del amplificador operacional. La salida de los amplificadores

VIN- y VIN+ operacionales se conectan al amplificador de instrumentación para ser

amplificada. Esta entrada diferencial se puede observar en la figura 3.3.

Figura 3-

3.2.2. Terminal de

EL Terminal de referencia

y así disminuir el ruido de modo común que pueda afectar la señal, esta parte del circuito

funciona introduciendo solo la señal de modo común que se ca

diferenciales de la entrada, véase

utilizando un amplificador operacional en configuración de sumador, la señal obtenida es

filtrada, amplificada y elevada en DC, el filtro p

frecuencia de corte de valor 8 682.76 Hz y un valor de amplificación de 200 V/V.

Las siguientes ecuaciones representan el cálculo matemático del filtro diseñado.

-3 Esquema detallado de amplificador de instrumentación

Referencia

EL Terminal de referencia RL es usado para cerrar el lazo de retroalimentación del circuito


funciona introduciendo solo la señal de modo común que se captura de los terminales

diferenciales de la entrada, véase figura 3.3. Estas dos señales se suman de forma analógica


filtrada, amplificada y elevada en DC, el filtro paso bajo diseñado para este fin cuenta con una



( )HzFc

pFxkFc

RCFc

76.8682

473902

12

1

=Ω

=

=

π

π

3 2

Esquema detallado de amplificador de instrumentación

es usado para cerrar el lazo de retroalimentación del circuito


ptura de los terminales

dos señales se suman de forma analógica


aso bajo diseñado para este fin cuenta con una



(3-1)

3 3

3.2.3. Etapa de Pre-Amplificación

La señal capturada por los terminales de entrada (VIN- y VIN+) debe pasar por un

amplificador de instrumentación configurado con una ganancia de 5 V/V (ver figura 3.3).

Para ello se aprovecha la característica que tienen los amplificadores de instrumentación que

consiste en la amplificación de una señal diferencial. Dado que el circuito está configurado de

forma mono-polar, se debe generar una línea de base para situar la señal electrocardiográfica

obtenida. El rango de operación del circuito es de 0 V a 5 V por lo que la línea de base se

debe colocar en el punto medio de este rango (2.5 V). Para generar la línea de base se utiliza

una referencia de voltaje adicional para reducir las variaciones lentas de la señal alrededor de

la línea de base. Para esto se hace necesaria la implementación de un circuito adicional que

consiste en un filtro paso bajo que toma la señal de salida del amplificador de instrumentación

para introducirla en el terminal de referencia del amplificador de instrumentación. El diseño

del filtro se basa en que solo debe pasar al terminal de referencia frecuencias inferiores al

ancho de banda conocido de la señal electrocardiográfica. El cálculo de esté filtro se muestra

en la siguiente ecuación. (C. J. Savant Jr., 2000)

HzFc

FkFc

RCFc

500.0

)1*318(2

12

1

=Ω

=

=

µπ

π

(3-2)

Observe que el valor de la frecuencia de corte se encuentra en el límite inferior del ancho

de banda de la señal electrocardiográfica. Además de filtrar la señal de salida del amplificador

de instrumentación se le suma el valor en que se quiere colocar la línea de base que por lo

dicho anteriormente es el punto medio de la banda de operación del circuito (2.5 V), este

valor es generado con una referencia de voltaje de precisión. De esta manera se disminuye la

posibilidad de saturación del amplificador de instrumentación.

3.2.4. Etapa de Post-Amplificación

En esta etapa se termina de acondicionar la señal electrocardiográfica amplificada

haciendo uso de un filtro paso bajo y un amplificador para tener los valores de la señal

3 4

electrocardiográfica aprovechando el manejo dinámico comprendido entre 0 y 5 V, el valor de

amplificación de esta configuración es de 200 V/V y la frecuencia de corte del filtro paso bajo

es de 150 Hz, la señal obtenida está acondicionada para ser introducida en el convertidor

análogo digital previo a su almacenamiento en la memoria MMC.

3.2.5. Selección de Componentes

El componente utilizado en el diseño de circuitos impresos debe tener como característica

principal un bajo consumo de energía y un valor alto de la razón del rechazo de modo común,

tomando en cuenta esta característica se escogieron los siguientes componentes que a

continuación se describen:

• INA322

• OP490

• REF3225

• Resistores de precisión

• Condensadores de precisión

INA322 es un circuito integrado de bajo consumo y bajo costo, Esta familia de

amplificadores de instrumentación tiene como característica que es su fuente de alimentación

puede ser bipolar o mono polar, posee una alta inmunidad al ruido para señales diferenciales.

Este amplificador instrumentación es ideal para el diseño de dispositivos que funcionan a

batería. El INA322 cuenta con una configuración básica de ganancia de 5 V/V, un consumo

de corriente de 40 µA, un control de ganancia por resistor externo. El INA322 en su versión

simple viene en un encapsulado MSOP-8 para soldadura superficial lo cual mejora la

inmunidad al ruido.

Entre las aplicaciones para la cual fue diseñado el amplificador de instrumentación

INA322 tenemos:

• Amplificador para sensores de tipo industrial

• Amplificadores fisiológicos (ECG, EEG, EMG)

3 5

• Acondicionamiento de señales para convertidores análogo digital

• Instrumentación para automóviles

• Equipo de prueba y sistema de comunicación

Observando la Figura 3.3 podemos observar que este amplificador de instrumentación

posee dos entradas diferenciales además de una entrada de referencia. La ganancia de este

amplificador puede ser controlada por los resistores R1 y R2, también posee un pin el cual

controla el encendido y apagado del circuito. La ecuación que describe el funcionamiento del

amplificador de instrumentación viene dada por:

· (3-3)

5 5 (3-4)

Figura 3-4 Amplificador de instrumentación INA322 (Burr-Brown Products, 2006)

3 6

Figura 3-5 INA322

OP490 este dispositivo es un amplificador operacional de bajo consumo de la familia

CMOS con la propiedad de auto calibración. Como característica principal este amplificador

operacional se tiene un bajo nivel de OFFSET además de cero deriva. Para el funcionamiento

de este dispositivo sólo es necesario colocarle una fuente unipolar en el rango de 1.6 V a 36

V. Para la aplicación se utilizó el encapsulado del tipo SOIC-16. (Analog Devices, 2002)

Figura 3-6 amplificador operacional OP490

3 7

REF3225. Este dispositivo funciona como referencia para generar la línea de base de la

señal electrocardiográfica. Dado que su precisión y su alta estabilidad en largos tiempos de

uso son características ideales para el diseño del bioamplificador, además cuenta con las

características de bajo consumo de corriente. Este dispositivo también cuenta con un control

de encendido y apagado. Entre las aplicaciones tenemos:

• Equipos portátiles

• Sistema adquisición de datos

• Equipos médicos

• Equipo de prueba

La especificación eléctrica de este dispositivo es de altas prestaciones como es el caso de

las especificaciones del rendimiento de deriva las cuales son de 7 ppm/°C (max) en un rango

de temperatura comprendido entre 0 °C y 125 °C. Además cuenta con un alto nivel de

corriente de salida cuyo valor máximo es de 10 mA. La corriente que consume este

dispositivo es de 100 µA. (Burr-Brown Products, 2006)

Figura 3-7 Pin out de referencia de precaución REF3225 (Burr-Brown Products, 2006)

Conocidas las especificaciones de todos componentes con los cual él se diseñó el

bioamplificador se procedió a realizar el diseño de circuito impreso tomando en cuenta la

distribución de los componentes, la cercanía entre ellos, además el grosor de pista necesario

para cada uno los componentes como también la disposición de conectores para alimentación

y para la captura de la señal electrocardiográfica.

3 8

3.3. Simulación del Circuito

Para validar este circuito se realizó una simulación para obtener la forma de onda en el

tiempo y también la respuesta en frecuencia del circuito. Obteniéndose los siguientes

resultados.

Para tal fin se utilizo el esquema teórico del amplificador de instrumentación (fig III:8) en

el cual se observan los dos seguidores de tensión y los filtros de retroalimentación que

inyectan la señal de modo común al paciente con signo invertido. Este esquema teórico difiere

del esquema práctico por la razón que para modelar el amplificador de instrumentación es

necesario hacer uso del modelo teórico (Burr-Brown Products, 2006).

El amplificador de instrumentación es modelado como un amplificador diferencial con

amplificadores operacionales incluido en el modelo para tener más ganancia en la etapa de

salida. En la grafica de la figura 3.9 se pueden observar las dos señales una el complemento

de la otra, estas dos señales medidas de forma diferencial contienen una señal de ruido de más

alta frecuencia.

Figura 3-8 Modelo teórico del amplificador de instrumentación

La figura 3.10 muestra la señal de modo común antes y después de ser amplificada.

Observe que estas no muestran la forma de onda de la señal de entrada ya que el sumador

3 9

encuentra antes del filtro, y al sumar las dos señales de forma diferencial se anula una con la

otra obteniéndose así solo la señal de modo común.

Las figuras 4.11 y 4.12 muestran la señal en las etapas de amplificación del circuito: en la

figuras 4.11 se obtiene la etapa de amplificación diferencial donde se elimina la señal de

modo común al realizar la resta de las formas de onda. En la etapa de pos amplificación del

circuito (fig 4.11) se acondiciona la señal a los límites necesarios para ser introducirlos en la

etapa de almacenamiento como también el filtrado de la señal teniendo una frecuencia de

corte de 150 Hz aproximadamente.

Figura 3-9 Resultado de la simulación del modelo teórico del amplificar de instrumentación. Señal diferencial con ruido.

4 0

Figura 3-10 Resultado de la simulación del modelo teórico del amplificar de instrumentación. Señal modo común obtenida y amplificada.

Figura 3-11 Resultado de la simulación del modelo teórico del amplificar de instrumentación. Señal amplificada x5

La figura 3.13, muestra la respuesta en frecuencia del bioamplificador observándose una

ganancia aproximada de 60dB, es decir se está amplificando la señal de entrada 1000 veces.

También se puede observar que la respuesta en frecuencia del circuito esta acotada entre 0.5

Hz y 150 Hz aproximadamente, rango necesario para hacer el estudio de la señal

electrocardiográfica en un sistema tipo Holter

4 1

Figura 3-12 Resultado de la simulación del modelo teórico del amplificar de instrumentación. Señal amplificada x200

Figura 3-13 Respuesta en frecuencia del modelo teórico del amplificador de instrumentación

CAPíTULO IV

4. MODELO DEL MÓDULO DIGITAL DEL SISTEMA HOLTER

4.1. CONVERTIDOR ANÁLOGO DIGITAL

Todas las variables físicas son de naturaleza analógica, pueden tomar cualquier valor como

también tener diferentes espectros de frecuencia. Algunas señales pueden ser tan lentas como

la variación de temperatura, la cual varía muy lento en el tiempo o señales rápidas como las

de audio, trasmisiones de radio, etc. El almacenamiento de estas señales físicas se hace difícil

cuando estas variables se presentan de forma analógica. Una forma sencilla de almacenar

estas variables es convirtiéndolas en señales digitales o discretas, otra razón por la que se debe

convertir una señal de naturaleza analógica a digital es la facilidad con la cual se puede

manipular la señal o hacerle un procesamiento a dicha variable.

Uno de los inconvenientes cuando se realiza la conversión de una variable analógica a una

variable digital es el ancho de banda necesario para transmitir la señal digital. Otro problema

es la forma como se codifica la señal digital para ser transmitida, esta forma de codificación

puede ser tan sencilla como una cuantificación de 8 bits o más compleja como una palabra de

8 bits codificada usando un algoritmo Huffman para compresión de datos.

4 3

En la conversión analógico digital se presentan cuatro procesos que intervienen en la

conversión de las señales analógicas. El muestreo el cual consiste en tomar muestras

periódicas de la amplitud de la onda a una frecuencia constante. Cuando se tiene la muestra

ésta se retiene por un tiempo necesario para evaluar el valor de cuantificación. La

cuantificación es el proceso en el que se mide la tensión de la señal y se le asigna un rango

para obtener un único valor de salida. La codificación consiste en convertir ese único valor de

salida obtenido en la cuantificación a un código binario.

Cuando se realiza el proceso de retención, la señal analógica puede variar tan rápido, que

el valor capturado en la primera muestra puede diferir en gran magnitud de la segunda. Esto

puede traer como consecuencia pérdida de datos de la señal que se está adquiriendo. Debido a

ello hay que conocer de forma muy clara la señal que se desea convertir. La captura de la

señal electrocardiográfica es de frecuencia constante lo cual facilita la codificación y

decodificación de la señal, es decir, tenemos una serie discreta ordenada en intervalos

regulares, ésta se puede expresar de la siguiente manera:

La precisión en el valor de la muestra depende del conjunto de valores enteros que maneje

el convertidor análogo digital. Este conjunto viene dado por el valor 2k, cuanto el valor de k

sea mayor, la aproximación a la señal original será mayor, esto se define como error de

cuantificación. Este error es debido a la conversión de una señal continua a una señal discreta,

si centramos la señal original y la señal digital obtenida observamos una diferencia entre el

valor original y el obtenido después de la conversión, este error se puede cuantificar como ±½

LSB (bit menos significativo).

La variación de la señal en la entrada mientras se hace el proceso de conversión se

denomina error de apertura, éste es uno de los errores más importantes cuando se están

realizando muestreos de señales variantes en el tiempo de frecuencias bastante elevadas pero

tiene poca importancia cuando las señales son de baja frecuencia o cuasi continuas como es el

caso de la señal electrocardiográfica.

4 4

Si consideramos un error de precisión que no afecte la conversión es decir que sea menor a

½ LSB, la frecuencia máxima de muestreo se debe calcular de la siguiente manera:

· ! (4-1)

Donde (TA) es el tiempo de apertura, (k) los números de bit de resolución del convertidor.

Según el teorema de muestreo o teorema de Nyquist la reconstrucción exacta de una señal

periódica continua a partir de sus muestras es matemáticamente posible si la señal está

limitada en banda y la tasa de muestreo es superior al doble de su ancho de

banda.(Horenstein, 1995)

4.2. USO DE LOS CONVERTIDORES ANÁLOGOS DIGITAL EN EL

MUESTREO DE SEÑALES BIOMÉDICAS

La señal electrocardiográfica tiene un ancho de banda de 150 Hz, y aplicando el teorema

de muestreo de Nyquist tendríamos que la frecuencia mínima de muestreo debería ser 300Hz.

La resolución mínima necesaria para hacer la captura de esta señal es de 8 bits dado que si

utilizamos una ventana de 5 V para hacer la conversión tendremos una resolución de:

"#$%&'ó ) +, (4-2)

"#$%&'ó 0.0195

Observando la ecuación anterior se demuestra que con 8 bit podemos tener una resolución

aceptable para la visualización de la señal.

Si tomamos en cuenta que la señal electrocardiográfica en su parte analógica viene

amplificada 1000 veces y está limitada en la ventana de 5 V, podemos concluir que estamos

midiendo diferencias de potencial en el orden de 19.5 µV.

4 5

4.3. CARACTERÍSTICAS DEL CONVERTIDOR

ANÁLOGO/DIGITAL

Teniendo en cuenta los criterios expuestos anteriormente podemos definir que nuestro

convertidor análogo o digital debe cumplir con las características mínimas las cuales son:

4.3.1. Número de Bits

El número de bits del convertidor analógico digital expresará la resolución de la medida

hecha por el electrocardiógrafo, este valor tiene que ser mayor o igual a 8 bits para así poder

reconstruir la señal eléctrica gráfica adquirida con la precisión mínima desea.

4.3.2. Frecuencia de Muestreo

La frecuencia de muestreo es un valor fundamental en el diseño de un sistema holter para

señales electrocardiográficas, dado que este sistema depende de una memoria limitada,

mientras mayor sea la frecuencia de muestreo, el número de muestras adquiridas será mayor.

El espacio memoria ocupado por la señal será mayor, además si la señal electrocardiográfica

adquirida a muy alta frecuencia, se nos presentaran redundancia en los datos, por esta razón se

utiliza el teorema de muestreo de Nyquist para calcular la frecuencia de muestreo mínima de

convertidor analógico digital.

Conociendo que la señal electrocardiográfica, tiene un ancho de banda de 150 Hz y

utilizando los criterios planteados por Nyquist podríamos realizar el muestreo a una

frecuencia de 300 Hz.

Se establece como criterio de diseño 300 Hz como frecuencia de muestreo y si aplicamos

la teoría expuesta anteriormente para el caso de los errores causados por los circuitos de

muestreo y retención o por los tiempos de conversión podríamos obtener el valor máximo de

tiempo de conversión. Aplicando la ecuación planteada anteriormente tenemos:

· ! (4-3)

4 6

1 234· ! (4-4)

1 1300 67 · 29

1 6.509 ;$

Entre todas las posibilidades que existen en el mercado la gran mayoría de los

convertidores análogos digital cumplen con la principal premisa que es que el tiempo de

conversión sea menor a 6.509 µs y por lo menos de 8 bits, la opción más idónea para

seleccionar es convertidor es que este se encuentre integrado en el microcontrolador del

sistema holter siempre y cuando cumpla con las características planteadas.

4.4. MICROCONTROLADOR

Se seleccionó el microcontrolador PIC18F4550 (Microchip Technology Incorporated,

2006) ya que cumple con las características necesarias para la implementación del prototipo

que se desea realizar, las cuales son:

• Memoria tipo Flash

• 32 kBytes de memoria de programa

• 2 kBytes de memoria Ram

• 256 Bytes de memoria no-volátil

• Tecnología nanoWatt (bajo consumo)

• Convertidor análogo digital de 13 canales y 10 bit de resolución

• 35 puertos de entrada salida

• Protocolo de comunicación SPI e I2C

• Protocolo de comunicación R232

• Fuente unipolar

• Rango de operación entre 2.0 V a 5.5 V

• 4 contadores (1 de 8 bit y 3 de 16 bit)

4 7

• Encapsulado 40PDIP

• 2 comparadores analógicos

• Optimizado para compiladores en C

4.4.1. CONVERTIDOR ANÁLOGO DIGITAL

El convertidor análogo digital (ADC) incluido en este microcontrolador tiene las siguientes

características: diferentes velocidades muestreo que varían desde 1,43 MHz hasta 48 MHz, el

error de conversión es menor o igual a ½LSB

Tiempo de adquisición expresado por la ecuación 1< 1= 1 1%>>

generalmente 1= tiene un valor de 0.2 µs, y si se define una temperatura de

funcionamiento de 25 °C y una temperatura máxima de funcionamiento del sistema de 85 °C

1%>> tendría un valor de 1.2 µs

El tiempo mínimo de carga para conversión está dado por la ecuación: 1 ?@ABC"DE

"FF "FG H1 2IJ K considerando que los valores de ?@ABC es de 25 pF y "DE , "FF, "F 1kΩ,

2kΩ y 2.5kΩ respectivamente, como resultado la ecuación tendríamos 1.05 µs

Por lo tanto el tiempo mínimo de adquisición de una señal cualquiera sería de 2.45 µs.

También posee 13 canales para la conversión análoga digital. Observando las

características planteadas por dicho convertidor no es necesario utilizar un circuito adicional

para realizar la conversión analógica digital del sistema holter para la señal

electrocardiográfica, dado que éste cumple con los requisitos mínimos necesarios para la

implementación del prototipo.

4.5. Protocolo de Comunicación

Para el manejo de esta memoria existen dos protocolos de comunicación los cuales son el

SPI y él MMC, estos dos protocolos funcionan con una transmisión de información. La

4 8

diferencia que existe entre estos dos protocolos radica en la cantidad de hilos de

comunicación o la multi-canalización de los datos.

Protocolo MMC la comunicación sobre el bus MMC está basada en un flujo al comando, y

un flujo de literatos, estos son iniciados con un bit de inicio y de fin, la trama para la

utilización de este protocolo está compuesta una serie de bloques los cuales son:

• Comando está formado por una trama de bits los cuales controlan la operación que

se desea realizar como puede ser activar tarjeta, escritura de bloque, lectura de

bloque, estado de espera o latencia, etc.

• Respuesta un comando que envía la tarjeta de forma sincrónica al microcontrolador

con la respuesta de comando válido o no

• Datos estos son transferidos desde microcontrolador o sea la tarjeta o viceversa, la

trama de datos contienen información que se desea almacenar memoria o que se

está leyendo de la memoria.

El funcionamiento de la tarjeta permite la utilización de los terminales de datos (D0 a D3)

de forma bidireccional, esta configuración permite un mayor ancho de banda, la de comando

se envía por la línea CMD de forma serial y la respuesta es recibida por este mismo terminal,

para comenzar la transferencia de datos se inicia enviando datos con el terminal D0 hora de

comenzar la transmisión se amplía la transferencia de datos utilizando el resto de los

terminales (D1 – D3).

4.5.1. Protocolo SPI

Para utilizar esta configuración de comunicación con la tarjeta se necesitan cuatro líneas de

comunicación que están formadas por cuatro terminales los cuáles son: data In, data out, CS,

CSK. La forma en la que la memoria recibe los datos y los comandos en una forma serial,

estas tramas se introducen en la tarjeta por el terminal data In, y la respuesta y los datos leídos

de la tarjeta son recibidos por el terminal data out, la señal de reloj o CSK es generada por el

microcontrolador para poder hacer una comunicación sincrónica.

4 9

Esta forma de comunicación no aprovecha 100% del ancho de banda de la tarjeta como lo

haría el protocolo paralelo de 4 bit, utilizar este protocolo de comunicación es más sencillo ya

que es un estándar de comunicación a nivel internacional, además este protocolo es bien

implementado en los microcontroladores.

Este protocolo está basado a una serie de comandos que son enviados por el terminal data

in, al igual que la información que se desea almacenar además existe una respuesta enviada de

la tarjeta al microcontrolador para informar si el comando han sido recibido exitosamente.

Los comandos que enviará la tarjeta tienen un formato de 6 bit de forma serial éstos bits

son enviados en una trama de un byte de longitud, luego de ser enviado esta trama se envía un

argumento compuesto por 31bit además se envía un código de redundancia cíclica compuesto

de 7 bit y por último se envía 1 bit de fin o parada, véase la figura 4.1. A continuación se

presenta una tabla en la que se representa la forma de crear el comando que se envía a la

tarjeta.(SanDisk Corporation, 2003)

Figura 4-1 Formato de línea de comando

Para el manejo de esta memoria existen 63 comandos de control, no mucho estos

comandos son soportados por protocolo SPI. En la figura 4.2 se presenta la tabla un se

describen los comandos utilizados por la tarjeta agrupados por clases.

4.5.2. Construcción de la trama comando

Para construir la trama de línea de comandos es necesario conocer como está dividida esta

trama. Esta trama estaría subdivida en tres partes, la primera es la línea de comando. Está

formada por 8 bits en los cuales los dos primeros son los que le indican a la memoria que se

va a introducir un comando, estos dos primeros bits son cero y uno (01XXXXXX), los

5 0

restantes representan el comando en forma binaria es decir: Si el comando de escritura de

bloque es el 24 la trama de comando estaría representada esta manera, los primeros 2 bits

serían cero y uno los siguientes serían la conversión del número 24 a binario que sería

representado por (11000), observé que este comando no completa 8 bits por lo tanto se debe

llenar los espacios faltantes en cero a la izquierda sin afectar el valor un código del comando,

Se representa a una tabla en las ilustrativas en la que se puede observar cómo se construye la

línea de comando. (Bartolomé, 2004)

Observe en la tabla 5.1 el número representado la línea de comando se puede representar

de forma matemática de la siguiente manera:

%M% 64 O&%P%M%

Tomemos el ejemplo anterior para ser el cálculo de la línea de comando, en este ejemplo se

crearán línea de comando escribir bloque en el comando número 24, realizamos operación

expresada en la ecuación anterior.

%M% 64 24 %M% 88

%M%RS4 58 %M%T 01011000

Como vemos estos valores concuerdan con los valores expresados en la Tabla 5.1.

4.5.1. Construcción de la trama argumento

La trama argumento utilizada para enviar el bloque de memoria en las cuales se desea

escribir o leer, esta trama está formada por 31 bits en los que se introducirá el número de

bloque que se reserve para escribir.

Para construir esta trama es necesario calcular la dirección de la memoria que se desea

escribir o leer para esto utilizamos el siguiente algoritmo (Philips, 2005)

5 1

Figura 4-2 Tabla de comando agrupada por clases. (SanDisk Corporation, 2003)

Tabla 4.1 Trama de línea de comando

Bits de inicio Bits de comando 0 bit 1 bit 2 bit 3 bit 4 bit 5 bit 6 bit 7 bit 0 1 0 1 1 0 0 0

5 2

El funcionamiento de este código se puede explicar en 4 partes, la primera es la definición

de 2 funciones que toman la dirección alta y la baja de la variable (var), la segunda parte

consiste en darle formato al valor introducido como dirección de memoria para así con las

funciones definidas en la primera parte del código obtener las direcciones altas y bajas de la

variable (numero), la tercera parte es la captura de la variable (numero) esto se realiza en la

definición de la función mmc_escribir o mmc_leer, en el código mostrado se utiliza la función

mmc_escribir por ser la más utilizada, después de esto se construye la trama completa para ser

enviada a la memoria esto se realiza con la función mmc_comando, en esta función se

ordenan los 31 bit de la trama.

4.5.2. MÓDULO DE COMUNICACIÓN SPI

Este microcontrolador cuenta con un módulo de comunicación SPI, el cual se utilizará para

realizar la comunicación entre la memoria MMC/SD y el microcontrolador, este módulo

cuenta con las siguientes características:

• Comunicación SPI de 8 bits de transmisión de datos en forma síncrona full

duplex.

• Puede configurarse como maestro o esclavo.

• Se puede seleccionar el modo de sincronización

4.6. DISEÑO DEL SOFTWARE PARA EL MICROCONTROLADOR

Para el diseño del software se tomaron en cuenta las características básicas de este

microcontrolador, como es la configuración por defecto que este controlador posee para el

convertidor análogo digital; el puerto utilizado para realizar esta conversión fue RA3 o pin 5

del circuito; la velocidad de muestreo que se implementó para realizar la conversión fue de

300 Hz, y la velocidad conversión para el convertidor análogo digital fue la máxima (1.43

MHz).

5 3

Para el uso del módulo SPI, se utilizaron los puertos RC7 como un puerto serial para datos

entrada, el puerto RB0 como puerto serial de datos de salida, RB1 como reloj sincrónico, RA5

como el puerto para seleccionar el estado de la comunicación.

4.6.1. CÓDIGO FUENTE DEL SOFTWARE DISEÑADO

Para poder interpretar este software se utiliza un diagrama de bloque que se observa en la

figura 4.4, en esta se describe el funcionamiento de todo el sistema de una forma muy

genérica.

Se comienza por la inicialización de las variables, luego se procede a configurar los

puertos del microcontrolador colocándolos como entradas digitales. Después se procede a

inicializar la memoria generando un bucle infinito, si la inicialización falla siempre que se

produzca este bucle, se dará una señal de advertencia, por lo contrario si este bucle no se

produce quiere decir que la memoria se ha inicializado correctamente. Al tener inicializada la

memoria, se procede a capturar y almacenar la información, para esto se genera un lazo

infinito hasta que se produzca una interrupción al presionar un botón. En este lazo infinito se

realiza la captura de la señal analógica y su conversión a un formato digital; también se

realiza el almacenamiento de esta señal en la memoria. Cuando se presiona el botón para salir

del lazo infinito se interrumpe la captura y digitalización de la señal, de esta forma se le da

formato a la memoria colocándole en el sector cero la estructura del FAT, a fin de que la

memoria pueda ser interpretada por el computador.

A continuación se describen los diagramas de bloque, haciendo una referencia a la parte de

código fuente que representa.

En la Figura 4.5 se describe como se hace la asignación del FAT en la memoria MMC/SD,

este proceso comienza con inicialización de las variables en las que se crea un vector de 512

posiciones, en este sector se crea toda la información del FAT como es:

Figura 4-3 Esquema general del sistema holter (interconexión entre el

Esquema general del sistema holter (interconexión entre el MÓDULOanalógico y en digital).

5 4

MÓDULO

5 5

• El número sectores

• El tamaño de bloques más pequeños o CLUSTER

• Inicio de tabla de archivos

• Inicio de sector de datos

• Nombre del dispositivo

El FAT está compuesto una serie valores los cuales se pueden representar de dos maneras,

una representación de forma vectorial compuesta por 512 valores y otra la representación

ASCII de dicho vector. Ver anexos 1 y 2

Observe que este vector contiene 512 posiciones que describe totalmente el FAT que se

escribe en el sector cero de la memoria, esta representación no es fácil de entender por lo que

Inicio

Inicialización de variables

Configuración de los puertos

¿MMC inicia?

SI

NO

Fin de proceso

SI

NO FIN

Escritura de memoria

Asignación de FAT

Señal de falla de inicialización

Seña de inicialización

correcta

5 6

se utiliza una representación en código ASCII de este vector.

Figura 4-4 Diagrama del bloque general

Para poder comprender toda la información que hay en el FAT, hay que explicar de forma

muy rápida como se interpreta la estructura de archivo FAT y el significado de todas sus

partes o bloques:

Desde el sector cero hasta el sector tres se encuentra el código de salto, seguidamente del

sector tres hasta el sector diez se encuentra la versión en la cual se codifica el FAT, esto se

puede observar tomando los valores de esos sectores y convirtiéndolos a código ASCII

teniéndose: 0x4D 0x53 0x44 0x4F 0x53 0x35 0x2E 0x30 0x00 = MSDOS5.0.

Figura 4-5 Asignación de FAT

Luego de este sector se colocan los bytes que ocupará cada bloque, esto ocupa desde el

sector 11 hasta el 13, haciendo las conversiones a decimal se observa el tamaño de cada

bloque. Podemos ver que cada uno de estos ocupa 512 sectores lo que se puede mostrar de la

siguiente manera: 0x000204 = 512

Asignación de FAT


Serctor=0

Escribir bloque en sector vector FAT

Vector FAT

Asignación de FAT Completada

5 7

Desde el sector 14 al 15 se tienen la definición de sectores por cluster o grupo, teniendo los

valores de estos, los cuáles son 0x06 0x00. Podemos decir que existen 1536 clusters o grupos

en toda la memoria. El sector 16 nos dice cuantas copias del FAT existen. Observando el

valor de este sector podemos ver que son dos. Los sectores 17 y 18 nos dicen cuál es el

número máximo de directorio raíz que puede tener la memoria, los valores de estos sectores

son 0x00 0x02, esto nos expresa que sólo podemos tener dos directorio raíz en la

memoria.(Dobiash, 19999)

El número de sectores de la división o partición más pequeña es de 32 MB, esto están

expresado en los sectores 19 y 20. La forma en la que se le dio formato a la memoria no

contiene divisiones o particiones de 32 MB, el sector 21 nos dice el tipo de unidad o el tipo de

dispositivo que interpretara el sistema operativo, este sector tiene como valor 0xF8, este

número nos dice que la memoria se comportará como un disco de estado sólido.

Los sectores 22 y 23 expresan los bloques por FAT, haciendo la conversión del valor de

estos tenemos que el número de bloques son 245, este valor expresado en un valor

hexadecimal de dos bytes tendríamos un valor con 0x00 0xF5. Los dos sectores 24 y 25

representan los bloques por pista los cuales tienen un valor de 63 bloques esto se deduce de

los valores 0x3F y 0x00 que corresponden a los sectores 24 y 25.

El número de cabeceras para este FAT viene dado por los sectores 26 y 27, estos tienen

como valor 0xFF y 0x00 respectivamente, si se realiza la conversión de estos valores

podemos tener el número de cabeceras que es de 255. Los sectores 28, 29, 30, 31, representan

los sectores ocultos del FAT los cuales para este formato es de 0, el número de bloques por

partición es de 250 880, esto se puede observar en los sectores 32 al 35.

El número de unidad de disco lógico por partición está definido por el sector 36, éste tiene

un valor de 0x00 lo que nos indica que el número de unidad lógica de partición es de cero. El

sector 37 es un sector no utilizado o reservado. El siguiente sector, el 38 es un valor constante

0x29 y representa la ganancia adicional certificada. Los sectores del 39 al 42 expresan el

serial de la partición, el valor de este serial es 2955378932 y en representación hexadecimal

5 8

es 0xF4 0x80 0x27 0xB0, los sectores del 43 al 54 son utilizados para darle el nombre o

etiqueta a la memoria, los sectores del 54 al 62 representa el formato del FAT utilizado, para

este caso el FAT utilizado es el de 16 Bits (FAT16), los siguientes sectores desde 55 hasta el

509 contienen el código ejecutable FAT, y los dos últimos sectores el 510 y 511 contienen el

indicador de qué tipo de unidad es, si es ejecutable o de sólo lectura. (Dobiash, 19999). En la

tabla 5.2 se presenta resumen en la que se presentará la totalidad de las partes del FAT como

también su representación en código ASCII y valores hexadecimal(Palazzesi).

La función envío de comando sintetiza de una manera más sencilla la forma de enviar la

trama de comando más el checksum y el argumento del comando. Observando la Figura 4.6

que representa la función envío de comando, la cual tiene seis valores representados por las

letras a, b, c, d, e, f. Representado la letra a el comando que se está enviando a la memoria, las

letras b, c, d y e, representan el argumento de la función; este argumento generalmente

contiene la dirección del bloque que se desea leer o escribir, por último la letra f representa

checksum o autentificador del comando enviado. La función escritura memoria tiene como

entrada de variable la dirección del bloque que se desea escribir siendo ésta la primera entrada

en la función, luego se inicializa las variables las cuales son: el contador y los apuntadores.

(Zanin, Pfarher, Reula, & Tovorosky, 2007)

Tabla 4.2 Tabla resumen FAT

# Descripción Valor del bloque Valor 0 Código de salto y no operación 0XEB 0X3C 0X90 3 Versión 0X4D 0X53 0X44 0X4F 0X53

0X35 0X2E 0X30 MSDOS5.0

11 Bytes por bloque 0X00 0X02 512 13 Bloques por cluster 0X04 4 14 Lo que reservados 0X00 0X06 6 16 Número de copias del FAT 0X02 2 17 Máximo número de directorio raíz 0X00 0X02 0X00 512 19 Números lo que por partición pequeña de 32 MB 0X00 0 21 Tipo de unidad 0XF8 22 Bloques por FAT 0XF5 0X00 245 24 Bloque por pista 0X00 0X3F 63 26 Número de cabeceras 0X00 0XFF 255 28 Números de bloques ocultos por partición 0 0 32 Número de sectores por partición pequeña de 32 Mb 0X00 0XD4 0X03 0X00 250880 36 Número de unidades lógicas por partición 0X00 0 38 Reservado 0 0 39 Serial de la partición 0XF4 0X80 0X27 0XB0 2955378932 43 Nombre o etiqueta la partición NO NAME 54 Tipo de FAT utilizado FAT16 62 Código de ejecutable 510 Tipo de unidad 0X55 0XAA

5 9

Figura 4-6 Envío de comando

Después de inicializar las variables se envía el comando de escritura con el argumento,

siendo la dirección de bloque que se desea escribir y él checksum en 0xFF, luego se espera la

respuesta que dará la memoria con el comando enviado, si esta respuesta es verdadera se

indica que se ha cometido un error en la escritura de la memoria, de lo contrario si es falsa se

continúa ejecutando la función y se envía el valor 0xFF a la memoria. A continuación se

procede a realizar un lazo el cual consiste en escribir 512 valores obtenidos del convertidor

analógico digital en la memoria por medio del módulo de comunicación SPI, después de esto

se envía los valores 0xFF 0xFF representaría el checksum de la palabra enviada, se lee la

respuesta de la memoria al envío de estos datos, el valor obtenido de la respuesta se multiplica

por 15, si este es igual a cinco existe un error de escritura de memoria, a lo contrario el valor

resultante de la operación es diferente cinco, se deshabilita la memoria y se finaliza la

función.

La función para inicializar la memoria comienza colocando con las variables en cero, luego

de realizar esta operación se configura el modo SPI del microcontrolador para poder hacer la

transmisión de datos, ya realizado esto se procede a deshabilitar la memoria, para así dar

comienzo a la inicialización de la memoria. Se envía a esta la palabra 0xFF 10 veces para así

Envió de comando


Valor a

Envió de comando completo

Valor b Valor c Valor d

Valor e Valor f

Enviar valor “a” por módulo SPI

Enviar valor “b” por módulo SPI

Enviar valor “c” por módulo SPI

Enviar valor “d” por módulo SPI

Enviar valor “e” por módulo SPI

Enviar valor “f” por módulo SPI

6 0

sacar la memoria del modo de latencia, luego se habilita la memoria y se envía el comando de

activación de la memoria en modo SPI con este comando el argumento es cero y el checksum

tiene un valor de 0x95, después de enviarle el comando se espera respuesta a la memoria, si el

valor de esta respuesta es igual a uno (1) ocurrió un fallo de la inicialización de la memoria,

por lo contrario si este valor es diferente de uno se continúa el proceso, luego de haber

comprobado que en la inicialización de la memoria no ocurrió ningún error, se reinician las

variables, y se procede a realizar un lazo en el que se envía a la memoria el comando 0x41

(ver figura 4.7) con argumentos cero y checksum con valor de 0xFF, este comando prepara la

memoria para esperar cualquier otro tipo de comando, (por ejemplo los de escrituras o los de

lectura), este paso se repite varias veces y se espera que la respuesta de la memoria sea 1, si el

bucle se repite más de 254 veces y la respuesta es diferente de uno (1) se ha producido un

error en la inicialización de la memoria, si esto no ocurrió se continúa el proceso

deshabilitando la memoria y enviando la palabra 0xFF por el módulo SPI a la memoria, luego

se habilita la memoria y se envía el comando 0x50 el cual consiste en configurar la memoria

para que interprete el tamaño del dato enviado en lectura o escritura. Se espera respuesta del

dato enviado, si el valor de esta respuesta es uno (1) se ha producido un error en la

inicialización de la memoria, por lo contrario sí es diferente de uno (1), la memoria se ha

inicializado de forma exitosa. Por último se deshabilita la memoria para así esperar cualquier

otro comando o configuración de la memoria.

6 1

Figura 4-7 Escritura de bloque de memoria

Escritura de Memoria


Dirección del bloque

Respuesta=1 con X=1

Error el escribir MMC

NO

SI

I<512

Enviar dato leído del ADC por módulo SPI

i+1

SI

NO

Leer SPI x 15!=5

Error el escribir MMC

SI

Deshabilita memoria

NO

Envió de comando de escritura Dirección del bloque checksum=0xFF

Enviar dato 0xFF por módulo SPI



Escritura de memoria completa

6 2

Figura 4-8 Inicialización de memoria MMC

INICIALIZACIÓN DE MEMORIA


Configuración del módulo SPI

Deshabilita memoria

i<10 Habilitar memoria

Respuesta=1 con X=1

Reinicio de variables

Error al iniciar MMC

I<255 y Respuesta=1

Con X=0

i+1

i+1

I>=254 Error al iniciar MMC

Deshabilitar memoria

Habilita memoria

Respuesta=1 con X=0

Error al iniciar MMC Deshabilitar memoria Memoria Inicializada

SI

NO

SI

NO

NO

SI

SI

NO

SI

NO


Envió de comando 0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95

Envió de comando 0x41,0x00,0x00,0x00,0

x00,0xFF

Envió de comando 0x50,0x00,0x00,0x02,0x00,0xFF


6 3

CAPíTULO V

5. DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO

Para diseñar circuitos impresos se debe tomar en cuenta las características de los

componentes que se utilizarán, además la circuitería adicional que es necesaria para el

funcionamiento del circuito.

5.1. FUENTE DE PODER DE ALIMENTACIÓN DEL CIRCUITO

Para realizar el diseño de la fuente de poder es necesario conocer los niveles de tensión a

los cuales funcionan los componentes con los que se realizó el diseño del bioamplificador.

Observando la simulación del circuito tenemos un nivel de tensión de 5 V de corriente

continua, en el diseño de la fuente poder se utilizó un regulador de tensión LM7805. Este

circuito integrado regula la tensión de la batería a una tensión constante 5 V DC, para una

alimentación entre 5 V y 18 V en corriente continua que puede ser generada por un conjunto

de baterías.

5.2. TENSIÓN DE REFERENCIA 2.5 V

Esta tensión de referencia es utilizada para generar la línea de base en la cual se va a fijar

la señal electrocardiográfica. Dada la sensibilidad de esta tensión se utilizó una referencia de

precisión, en el diseño se utilizó la referencia REF3225 la cual genera una tensión de 2.5 V

con un error de 0.01% y una corriente máxima de salida 10 mA. Este circuito integrado está

diseñado para el uso de equipos de bajo consumo lo cual es ideal para el diseño del

bioamplificador(Burr-Brown Products, 2006).

6 4

5.3. PLANO DE TIERRA

Es utilizado para eliminar los lazos y la diferencia potencial que se pueden crear en la tierra

o el negativo de la fuente, como también tener plano un equipotencial de referencia, este

plano a tierra ayuda a mejorar la compatibilidad electromagnética del dispositivo.

5.4. CONDENSADORES DE DESACOPLO

Los lazos formados por las pistas de alimentación y las pistas de retorno se comportan

como una antena que emite campo magnético siempre y cuando la corriente que fluye por

ellas varíen en el tiempo, aprovechando que los condensadores se comportan como una alta

impedancia a baja frecuencia y como una baja impedancia a frecuencias altas, además de

estos condensadores reducen el tamaño de la espira que se crea entre el plano de tierra y las

líneas de alimentación del circuito, al disminuir el área creada por las espiras se reduce o se

elimina las inductancias parasitas y mutuas que puedan existir en las líneas de alimentación y

la tierra de los circuitos utilizados, de forma ideal estos condensadores deben estar ubicados

lo más cerca posible de los circuitos integrados, mejorando así la inmunidad al ruido del

circuito diseñado.

5.5. DESARROLLO DEL CIRCUITO IMPRESO

Para realizar el diseño del circuito impreso del bioamplificador se utilizó un software

especializado (Eagle). Este software cuenta con dos aplicaciones básicas para el diseño

circuitos impresos como es el editor de esquemático y el editor de circuito impreso. Además

cuenta con herramientas para realizar de forma automática las pistas y las conexiones de los

circuitos, este software cuenta con una librería bastante amplia en la que se puede conseguir

una gran cantidad de componentes que se utilizarán en el diseño. Los requerimientos mínimos

para utilizar este programa son:

6 5

• Sistema operativo Windows 95 o superior

• 50 Mbyte de espacio libre en disco duro.

• Resolución de pantalla de 1024 x 768

• Ratón de tres botones de ser posible

El Eagle cuenta con dos versiones la estándar que tiene restricciones en cuanto al área de

trabajo en el editor de circuito impreso además sólo cuenta con cuatro capas para el diseño de

circuitos aunque para el diseño estas restricciones no afectan en nada, Las características de

este editor son:

• Resolución de 0.1 micras

• Rejillas de milímetros o pulgadas

• 250 colores definidos por el usuario (diferenciar capas)

• Edición de librerías sencilla

• Visor de librerías confusión de búsqueda

• Generación de gráficas de salida

• Generación de lista de componentes con soporte base de datos

• Función de arrastrar, colocar, copiar, cortar.

• Soporte completo en SMD

• Capacidad para reglas de diseñó de pistas

El módulo de autoruta es una de las herramientas más poderosas de este software. Esta

herramienta realiza en forma automática la conexión de las pistas entre los componentes,

cumpliendo con las reglas establecidas por el usuario, estas reglas van desde el ancho de pista

hasta el diámetro de las conexiones entre capa y capa, Las características de este módulo son:

• Utilización de las reglas de diseño de línea de conexión

• Cambio de modo manual al automático en cualquier instante

• Estrategia de factores de costo definía por usuario

• Rejilla dibujó mínima de 0,02 mm

• Sin reflexionar posicionado

• Toma en consideración los distintos tipos de señal (ancho de pista)

5.5.1. Esquema Propuesto

Para Circuito Impreso utiliza los componentes mencionados anteriormente además se

emplean en el diseño las características encendido y apagad

amplificador de instrumentación como para la referencia de tensión.

Para realizar el esquema de este circuito se utilizó el módulo para el diseño de

esquemáticos con el cual cuenta el software Eagle, obteniéndose el sigui

Estrategia de factores de costo definía por usuario

Rejilla dibujó mínima de 0,02 mm

Sin reflexionar posicionado

Toma en consideración los distintos tipos de señal (ancho de pista)

Esquema Propuesto

ara Circuito Impreso utiliza los componentes mencionados anteriormente además se

emplean en el diseño las características encendido y apagado de los componentes tanto para él

amplificador de instrumentación como para la referencia de tensión.


esquemáticos con el cual cuenta el software Eagle, obteniéndose el siguiente esquema.

Figura 5-1 esquemas del circuito impreso

6 6

Toma en consideración los distintos tipos de señal (ancho de pista)

ara Circuito Impreso utiliza los componentes mencionados anteriormente además se

o de los componentes tanto para él


ente esquema.

6 7

Figura 5-2 Eagle Menú Principal

Figura 5-3 Eagle sub programa para elaboración circuitos impresos (BOARD)

6 8

Figura 5-4 Sub programa para el diseño del esquemático

Para el diseño de circuitos impresos hay que tomar en cuenta las características de la

lámina de cobre que se utilizarán, para este diseño se planteó el uso de láminas de cobre doble

cara para así facilitar la distribución de los componentes además mejorar la inmunidad al

ruido que se puede presentar. Tomando en cuenta esto y las recomendaciones que se plantean

en las especificaciones de los componentes como son, la colocación de condensador de

desacople en las terminales de alimentación de todos los dispositivos con un valor de 0.1 µF

en el caso de los amplificadores operacionales y el amplificador de instrumentación, para la

referencia de tensión se colocó un con el sabor de desacople de valor 0.47 µF.

5.5.2. Circuito Impreso

Propuesto tiene como característica el uso de baquelita doble cara, es decir que las pistas

pueden ser trazadas por las dos caras del circuito impreso, esto disminuye en gran medida la

longitud de las pistas, como también facilita el diseño de todo el prototipo. El uso de la doble

6 9

cara permite la implementación del plano de tierra con mayor eficiencia además permite

colocar los condensadores de desacople lo más cercanos posible del integrado que lo necesita.

Para el diseño se utilizaron distintos grosores de pista lo cual disminuye la resistencia

parásita que se pueda crear en ella. En la cara superior se utilizaron pistas con un grosor de

1.016 mm para realizar la unión entre transistores, condensadores y conectores. Para realizar

la conexión entre los amplificadores operacionales se utilizaron pistas con un grosor de 0.254

mm como se puede observar en la figura 5.5 y 5.6, así aprovechamos al máximo del grosor de

la pista para el encapsulado de este amplificador operacional. Para el amplificador de

instrumentación IMA322 se utilizó el mismo criterio que para los amplificadores

operacionales. Se considerando el máximo ancho posible de pista, permitido para el

encapsulado fue de 0.040 mm como se puede observar en la figura 5.5 y 5.6. En esta capa se

utilizó un plano de tierra para mejorar la compatibilidad electromagnética como también para

reducir la distancia que puede existir entre la conexión a tierra del dispositivo hasta la fuente

de alimentación.

Para la cara inferior se utilizaron pistas del mismo grosor que las utilizadas en la cara

superior para realizar las conexiones entre resistores, condensadores y conectores. En esta

capa se encuentra la referencia de tensión y utilizando el mismo criterio expuesto

anteriormente las pistas tomaron un ancho de 0.5 mm. Esta cara también cuenta con plano a

tierra para mejorar aún más la compatibilidad electromagnética de todo el prototipo como

también disminuir la distancia que pueda tener un componente desde su conexión a tierra

hasta la fuente de alimentación. Teniendo en cuenta todas estas características se procedió a

realizar circuitos impresos teniendo como resultado lo siguiente:

5.6. ELABORACIÓN

Ya obtenido el diseño de circuito impreso en sus dos caras, se procedió a realizar el

prototipo funcional, para esto se utilizó el método de la impresión por transferencia térmica

Este método consiste en imprimir el diseño realizado en

utilizando como tinta de impresión tóner o utilizando cualquier tipo de papel como por

ejemplo tipo bond y la impresión se realiza con tintas especiales para realizar la transferencia

térmica.

Figura 5-5 cara superior del circuito impreso

Figura 5-6 cara inferior del circuito impreso

ELABORACIÓN DEL CIRCUITO IMPRESO



Este método consiste en imprimir el diseño realizado en un papel transfer o papel glasé



7 0



un papel transfer o papel glasé



7 1

Luego de haber realizado la impresión sobre el papel se procede a realizar la transferencia

de la impresión sobre la lámina de cobre. Para esto el cobre no debe contener rastros de óxido

o grasa de cualquier tipo en la superficie, esto se debe a que si la superficie no está totalmente

limpia no se podrá realizar la transferencia de la tinta o el tóner a la lámina, de cobre. Para

realizar la transferencia lo único que se necesita es aplicar calor a la lámina metálica junto con

el papel que contiene la impresión para esto se utilizan una plancha caliente y se le hace

presión al papel sobre la lámina de cobre. Tomando en cuenta la cara impresa debe quedar en

contacto con la lámina de cobre, el tiempo de exposición para qué la transferencia de la tinta o

del tóner es variable depende mucho de la marca de tinta o tóner, hay que tomar en cuenta que

la temperatura no debe ser mayor que la soportada por la lámina de baquelita que

generalmente está alrededor de 300 °C.

Después de haber realizado la transferencia del diseño a la lámina de cobre se realizan las

correcciones con un marcador de tinta indeleble y luego se sumerge la lámina de cobre en el

compuesto corrosivo que puede ser cloruro férrico, perclorato férrico o una solución

compuesta con ácido clorhídrico al 5% o 10% y perborato sódico o agua oxigenada. Esta

solución en partes iguales. Después de haber expuesto la lámina de cobre ésta debe quedar

con las partes expuestas (donde no había tinta o tóner) al ácido. Después de haber hecho esta

operación se procede a limpiar la tinta o tóner que quedó sobre la lámina de cobre, en este

punto del proceso sólo nos queda realizar las perforaciones necesarias y realizar el estañado

de la superficie para darle mayor durabilidad al circuito impreso.

CAPíTULO VI

6. VALIDACIÓN DE RESULTADOS

Se desarrolló un software que permitiese el despliegue de la información almacenada en la

memoria multimedia o MMC. Este software consta de una ventana en la que se muestra la

información recopilada en la memoria y cuenta a demás con la posibilidad de leer los archivos

en dos formatos: archivos con codificación ASCII y archivos con codificación binaria, este

formato es el utilizado para almacenar la información en la memoria. Toda esta interfaz se

elaboro en código C en el compilador LabWindows CVI 8.1, esta herramienta facilita el

desarrollo de interfaces graficas.

Además se implementó una herramienta que permite guardar la información mostrada en

la ventana, la cual se puede guardar en dos formatos, ASCII o binario, también cuenta con dos

calipers las cuales permiten medir la separación que existe entre dos puntos, tanto en el eje x

como en el eje y. Para poder realizar de una mejor manera la visualización de los datos el

programa permite mostrar un rango definido por el usuario de la información obtenida.

Al momento de realizar las primeras pruebas del sistema holter se observó que la línea de

base y la ganancia aportada por la segunda etapa de amplificación, no correspondía al modelo

teórico planteado. Para corregir estas diferencias se realizaron algunos cambios en la

estructura del circuito, como fue la disminución de la ganancia de la etapa de post

amplificación, cambiando el valor de la resistencia de control de ganancia de esta etapa, de un

valor teórico de 5 KΩ a un valor práctico de 10 KΩ.

7 3

Para corregir el valor de la línea de base se colocó un divisor de tensión en los terminales

en los que se introduce el valor de tensión de la línea base, este divisor de tensión se elaboró

con un juego de potenciómetros para así calibrar la línea de base en un valor apropiado para

cada paciente.

Figura 6-1 Sistema de despliegue de información

Al realizar estos cambios el esquema del circuito se modifica teniendo como resultado el

siguiente esquema circuital en la figura 6.2

Para poder implementar el software realizado para el microcontrolador se diseñó un

circuito impreso en el cual consta de una sola cara. Para el diseño se emplearon los mismos

criterios utilizados para la elaboración del circuito impreso del amplificador de

biopotenciales. El esquema a utilizar es el siguiente.

En la figura 6.3 se puede apreciar la configuración plateada en el capítulo VI, también se

puede observar la utilización del pin RA3 como entrada analógica del circuito. En este

esquema se observa el uso del regulador 7805 en su configuración básica para obtener una

tensión regulada de 5 V. obtenido este esquema se procedió a diseñar el circuito impreso de

este esquema (ver figura6.5).

7 4

Figura 6-2 Esquema final del circuito analógico del sistema holter.

Figura 6-3 Esquema propuesto para el funcionamiento del micro controlador PIC18F4550

7 5

Figura 6-4 Esquema final del sistema Holter

Figura

Para realizar el cálculo teórico del consumo de corriente del prototipo se tomar como valor

de referencia el valor máximo de consumo de corriente del dispositivo.

Teniendo este valor de consumo de corriente máximo para todo el circuito teórico se puede

calcular el número de baterías necesarias para que el prototipo tenga un

mayor o igual a 24 horas.

La ecuación utilizada para el cálculo del tiempo de autonomía de una batería es:

Donde Ib es la corriente por hora que puede ceder la bat

por el circuito, por lo tanto se puede calcular la corriente necesaria para obtener un tiempo de

autonomía mayor o igual de 24 horas

Figura 6-5 Circuito impreso plateado para el sistema digital


de referencia el valor máximo de consumo de corriente del dispositivo.

Dispositivo Consumo de corriente mA PIC18F4550 250.00

INA322 0.06 REF3225 0.12

MMC 75.00 2 x OP490 0.200

L7805 6 TOTAL 331.38


calcular el número de baterías necesarias para que el prototipo tenga un tiempo de autonomía


es la corriente por hora que puede ceder la batería, Ic es la corriente consumida


autonomía mayor o igual de 24 horas

7 6



tiempo de autonomía


(6-1)

es la corriente consumida


(6-2)

Esto equivale al uso de 4 baterías AA recargables configuradas para obtener 5.6 V.

Al tener todo el dispositivo ensamblado se procedió a medir la corriente consumida por el

prototipo, la corriente medida fue de 86.38 mA, utilizan

tercero se puede calcular la corriente necesaria para que el circuito tenga un tiempo de

autonomía de 24, teniéndose un valor de

Para comprobar el buen funcionamiento del prototipo proyectado se planteó

serie de pruebas a los fines de demostrar que los datos obtenidos son validos. Estas pruebas

consistieron en colocarle al paciente el sistema holter para obtener la señal

electrocardiográfica generada. El resultado de las mismas se resume en l

Nº 1 2

Paciente Nº 1: esta paciente se le colocaron los electrodos y se le pidió que se

relajada por 20 minutos, luego ese le pidió que realizara las actividades cotidianas,

obteniéndose los siguientes resultados.



prototipo, la corriente medida fue de 86.38 mA, utilizando la ecuación expuesta en el capítulo


autonomía de 24, teniéndose un valor de 2 073,12 mAh.

Para comprobar el buen funcionamiento del prototipo proyectado se planteó



electrocardiográfica generada. El resultado de las mismas se resume en la tabla

Tabla 6.1 Pacientes estudiados.

Sexo Edad Tiempo del examen (h) Ruido F 26 10 Moderado M 25 12 Mínimo

Paciente Nº 1: esta paciente se le colocaron los electrodos y se le pidió que se


obteniéndose los siguientes resultados.

7 7



do la ecuación expuesta en el capítulo


Para comprobar el buen funcionamiento del prototipo proyectado se planteó realizar una



a tabla 7.1

Paciente Nº 1: esta paciente se le colocaron los electrodos y se le pidió que se mantuviese


7 8

Figura 6-6. Vista de la señal electrocardiográfica del paciente Nº 1, en el osciloscopio digital TECTRONIC

Figura 6-7 Resultado obtenido de la señal almacenada en la memoria para el paciente Nº 1 en la interfaz grafica desarrollada.

7 9

Figura 6-8 Paciente Nº1 al momento de colocarle el sistema holter

En las figuras anteriores se puede apreciar que la información almacenada en la memoria

se corresponde con la señal vista en el osciloscopio; en esta captura de señal se puede apreciar

presencia de ruido que puede ser atribuido por la señal generada por los equipos eléctricos

que se encuentra alrededor de la paciente, la misma se encuentra invertida debido a que los

electros se colocaron en posición de contra fase.

Paciente Nº 2: este paciente se le colocaron los electrodos y se le pidió que se mantuviese

relajado por 20 minutos, luego ese le solicitó que realizara las actividades cotidianas, este

individuo realizó trabajos con el computador en la mayor parte del tiempo que duro la prueba,

al observar la señal almacenada en la memoria se aprecia que la presencia de ruido es bastante

reducido.

Figura 6-9. Vista de la señal electrocardiográfica del paciente Nº 2, en el

Figura 6-10 Sistema de adquisición y almacenamiento de datos del sistema Holter

. Vista de la señal electrocardiográfica del paciente Nº 2, en el osciloscopio digital TECTRONIC

Sistema de adquisición y almacenamiento de datos del sistema Holter

8 0

osciloscopio digital TECTRONIC

Sistema de adquisición y almacenamiento de datos del sistema Holter

CONCLUSIONES

De acuerdo a los resultados obtenidos de la investigación teórico-práctica realizada, se

diseñó prototipo funcional de un sistema holter para la adquisición de señales

electrocardiográficas, alcanzándose los objetivos propuestos en el desarrollo de la

investigación.

Para la elaboración del bioamplificador se aplicaron técnicas de diseño en las que se

comprendían premisas como: el bajo consumo de energía por los dispositivos utilizados, la

obtención de un coeficiente de rechazo de modo común bastante elevado y de un factor de

ganancia lo suficientemente alto, para así lograr visualizar la señal electrocardiográfica. Se

realizó el estudio de las características fundamentales con las que debería contar el

convertidor análogo digital para poder realizar el muestreo y la cuantificación de la señal

electrocardiográfica.

Se seleccionó el microcontrolador 18F4550, por contar con un convertidor análogo digital

de 10 bits, por poseer un puerto de comunicación SPI estándar el cual se utilizó para realizar

la comunicación entre el microcontrolador 18F4550 y la memoria multimedia o MMC, este

además cuenta con una memoria de programa lo suficientemente grande como para almacenar

el programa elaborado.

Para este microcontrolador se desarrollo un software que permitió almacenar la señal

electrocardiográfica capturada por el convertidor análogo digital en la memoria multimedia o

MMC, además se implementó un sistema FAT16 para poder observar los datos almacenados

en un computador.

Se elaboró un prototipo funcional del sistema holter, el mismo consta de dos partes, un

sistema análogo para el cual se elaboró un circuito impreso de doble cara, en este se utilizó

circuitos de montaje superficial, en cuyo diseño se implementó de forma exitosa un plano de

tierra el cual redujo las longitudes de las pistas de conexión a tierra evitando diferencias de

8 2

potenciales en la tierra del circuito. También se realizó un circuito impreso para el sistema

digital en el cual se encuentra el microcontrolador que realiza la conversión de la señal a un

sistema digital y la almacena en la memoria multimedia o MMC.

Se comprobó que el consumo de corriente del prototipo diseñado es adecuado para tener

una autonomía de 24 horas continuas de uso.

Se desarrolló un software para la visualización de los datos obtenidos por el sistema holter

intentando emular los softwares comerciales.

Recomendaciones

Implementar este sistema holter con microcontroladores de bajo consumo que posean

funciones de procesamiento digital de señales.

Elaborar utilizando el diseño ya planteado, un sistema holter que cuente con más de un

canal de captura de información.

Implementar un software en el microcontrolador que tenga la capacidad de detectar si los

electrodos están haciendo buen contacto con el paciente.

Desarrollar un software para PC que cuente con métodos de detección de complejos QRS,

cálculo de frecuencia promedio de la señal y variaciones anormales de la frecuencia cardiaca.

Diseñar otros dispositivos que permitan capturar variables como temperatura, Ph cutáneo,

presión arterial, con la misma premisa de ser un sistema holter

8 4

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programa\Microsoft\Plantillas\Normal.dotm Título: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA

TIPO HOLTER PARA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS

Asunto: Autor: Br. Juan Pablo Márquez Palabras clave: Comentarios: Fecha de creación: 29/03/2008 7:34:00 Cambio número: 17 Guardado el: 01/04/2008 11:35:00 Guardado por: Juan Pablo Márquez Tiempo de edición: 1 297 minutos Impreso el: 03/04/2008 17:56:00 Última impresión completa Número de páginas: 99 Número de palabras: 20 389 (aprox.) Número de caracteres: 112 144 (aprox.)

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