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2 8 Revista Mexicana de Ingeniería Biomédica • • • • • volumen XXIX • • • • • número 1 • • • • • Junio 2008

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ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN ORIGINALSOMIB

REVISTA MEXICANA DEINGENIERÍA BIOMÉDICA

Vol. XXIX, Núm. 1Junio 2008pp 28 - 40

RESUMENRESUMENRESUMENRESUMENRESUMEN

El desarrollo de sistemas que permitan el monitoreo ambulatorio elec-trocardiográfico en un esquema de telemedicina es una necesidadcreciente, en particular para el diagnóstico y seguimiento de arrit-mias cardiacas. Este artículo presenta el desarrollo de un esque-ma de telemonitoreo basado en la transmisión de datos sobretecnología GSM/GPRS que enfatiza en el registro y envío de even-tos electrocardiacos. En este esquema el paciente lleva un pe-queño dispositivo de monitoreo, con el cual se adquiere la señalelectrocardiográfica (ECG), se procesa utilizando algoritmos para elcálculo de la frecuencia cardiaca y detección de arritmias gravesmediante reconstrucción de espacio de fase; se almacenan los even-tos en una memoria flash extraíble; y ante la detección de una anor-malidad en la señal, el dispositivo se encarga de transmitir los datosa un Centro Especializado de Monitoreo Cardiovascular (CEMC),donde son evaluados por el especialista, el cual puede realizar undiagnóstico sin requerir el desplazamiento del paciente. Los distintoscomponentes del sistema han sido validados a través de diferentespruebas, confirmando su funcionalidad.

Palabras clave: Monitores electrocardiográficos ambulatorios, tele-medicina, telemetría biomédica, detección de arritmias cardiacas,computadoras de mano.

ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT

The development of ambulatory electrocardiography systems in atelemedicine scheme is an increasing necessity, especially for ar-rhythmia detection and monitoring. This paper describes the devel-opment of a tele-monitoring scheme based on GSM/GPRS data trans-mission technology that emphasizes in the record and transmissionof cardiac events. In this scheme the patient wear a small monitoringdevice which acquire the electrocardiographic signal (ECG), process-es the signal using algorithms for the calculation of heart rate anddetection of serious arrhythmias by means of phase space recon-struction; stores the events in a removable flash memory; and trans-mit the signals if an signal abnormality detection occur. The informa-tion is send to a Specialized Center of Cardiovascular Monitoring,where it can be evaluated by a physician, who can make a diagno-sis without requiring patient displacement. The different componentsof the system have been validated through different tests confirmingtheir functionality.

Sistema de detección, registro y telemonitoreo dearritmias cardiacas

Bustamante Osorno J.,* Sáenz Cogollo, J. F.,* Amaya Casas, A. A.*

* Grupo de Investigación en Dinámi-ca Cardiovascular, Centro deBioingeniería, Universidad PontificiaBolivariana.

Correspondencia:Bustamante Osorno J.Circular 1ª Núm. 70 -01 Bloque 7° piso 1.Medellín – Colombia.Tel: +57(4) 415 90 15 ext. 9810Fax: +57(4) 415 90 [email protected]

Artículo recibido: 30/marzo/2007Artículo aceptado: 30/octubre/2007

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2 9Bustamante OJ y cols. Sistema de detección, registro y telemonitoreo de arritmias cardiacas

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Key Words:Ambulatory electrocardiographs, telemedicine, biomedical teleme-try, arrhythmia detection, handhelds.

INTRODUCCIÓN

La elevada incidencia de patologías cardiovascu-lares que requieren el uso de sistemas ambulato-rios electrocardiográficos (AECG) ha obligado a lacontinua búsqueda de alternativas de diagnósticobasadas en nuevas plataformas de computacióny comunicaciones que ayuden a aumentar la fun-cionalidad y flexibilidad de los dispositivos AECG ypermitan mejorar su efectividad en el registro dearritmias y seguimiento de cardiopatías.

El Colegio Americano de Cardiología (ACC) y laAsociación Americana del Corazón (AHA) han clasi-ficado los dispositivos AECG en dos categorías: gra-badores continuos, que son típicamente usados porperiodos de 24 ó 48 horas de grabación para inves-tigar los síntomas y eventos en el ECG que son pro-bables que ocurran en ese intervalo de tiempo, ylos grabadores intermitentes, los cuales pueden serusados por largos periodos de tiempo (semanas omeses) con el fin de proporcionar registros cortosde eventos que ocurren de manera infrecuente1.Dentro de la primera categoría se encuentran losmonitores tipo Holter, los cuales presentan impor-tantes limitaciones al ser utilizados para el diagnós-tico y detección de arritmias, encontrándose enalgunos estudios que en el caso de los Holter de 48horas, éstos resultan diagnósticos sólo en el 35% delos casos, debido a que muchos de los síntomasde interés no aparecen en las primeras 48 horas demonitoreo2. En la segunda categoría están los mo-nitores de eventos y monitores con memoria debucle (continuous-loop recorders) de activaciónmanual, los cuales han representado una mejoraimportante en cuanto a la eficiencia diagnósticaque permiten alcanzar3-5. También dentro de la se-gunda categoría están los monitores con memoriade bucle de activación automática (autotriggeredmemory-loop recorders), los cuales resultan ser aúnmás eficaces pues no requieren de la actuaciónconsciente del paciente, permitiendo registrar lasarritmias asintomáticas y aquellas que producenpérdida de la conciencia3.

Para algunos pacientes, el retardo en el tiempode respuesta a un evento cardiaco puede signifi-car la diferencia entre la vida y la muerte, si los ser-vicios de emergencia no son alertados y no se pue-

den tomar medidas inmediatas. De ello que parasuplir amplia y efectivamente la necesidad de se-guimiento de los pacientes es importante contarcon dispositivos de monitoreo versátiles que permi-tan además del registro de señales el envío auto-mático e instantáneo de información crítica a losespecialistas, desde prácticamente cualquier mo-mento y lugar, para de esta forma poder realizaroportunos diagnósticos e indicaciones y llevar acabo conductas tempranas en el paciente.

La mayoría de los sistemas AECG de tipo inter-mitente del mercado incorporan la capacidad detransmitir los registros remotamente a un centro es-pecializado, por lo general a través de una líneatelefónica realizando una modulación en audio delas señales electrocardiográficas (ECG)5. En gene-ral estos esquemas trans-telefónicos presentancomo desventajas la necesidad de una actuaciónconsciente del paciente, la dependencia de lacercanía a un teléfono fijo para realizar la transmi-sión de las señales y la imposibilidad de disponerde información en tiempo real para diagnóstico yatención.

Una alternativa a la transmisión por la línea tele-fónica que se ha implementado consiste en com-binar dos tipos de comunicación inalámbrica parala transmisión de los datos6, de corto alcance conprotocolos como Bluetooth y Wi-Fi (IEEE 802.11b),y de largo alcance mediante redes de telefoníacelular GSM-GPRS. En este esquema la señal delECG es enviada por el monitor cardiaco a un servi-dor local, ubicado a pocos metros, a través decomunicación inalámbrica de corto alcance y lue-go es enviada por la conexión inalámbrica de lar-go alcance a un centro especializado de recep-ción y diagnóstico ubicado a varios kilómetros delpaciente.

Otros monitores han sido desarrollados para per-mitir la transmisión del ECG mediante un teléfonocelular u otro dispositivo móvil que posea un mó-dem GSM-GPRS tal como una computadora demano o Asistente Digital Personal (PDA)7-10. Bajo esteesquema se usa directamente una conexión ina-lámbrica de largo alcance permitiendo el monito-reo en cualquier sitio de cobertura de las redes ce-lulares, eliminando así la necesidad de cercanía auna estación central.


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Las aproximaciones anteriores presentan la des-ventaja de depender del funcionamiento y proce-samiento continuo del PDA, el cual, al tener quemanejar de manera continua la comunicación ina-lámbrica y la visualización en la pantalla de cristallíquido (LCD) puede agotar la batería en cuestiónde pocas horas. Por otra parte, el registro de la se-ñal depende del enlace inalámbrico entre el dispo-sitivo de adquisición y el PDA, por lo que el sistemase encuentra susceptible a pérdidas de informaciónque se puedan provocar al alejar accidentalmenteel PDA del sistema adosado al paciente.

En los últimos años se han desarrollado solucio-nes que incorporan en un solo dispositivo compactola capacidad de comunicación inalámbrica delargo alcance, incorporando en el componente dehardware un módem GSM-GPRS11-14, y de esta ma-nera sin necesidad de otro intermediario se trans-miten las señales al centro de monitoreo. Un ejem-plo de la incorporación de comunicación GPRS esel monitor MT-120 fabricado por la compañía Schi-ller12 el cual fue introducido recientemente al mer-cado europeo. Sin embargo, este desarrollo estámás orientado al funcionamiento como monitorHolter convencional simplemente transmitiendo ina-lámbricamente las señales registradas, excluyen-do las funcionalidades de grabación de eventos oanálisis de la señal.

En una implementación realizada por un con-sorcio europeo, se diseñó un dispositivo de medi-ción médica multiparamétrica que incorpora unmódem GSM para transmitir la información de pre-sión arterial, saturación de oxígeno y ECG13. El dis-positivo provee la capacidad de analizar las seña-les, pero debido al esquema de toma de la señalbioeléctrica tuvieron resultados muy pobres en elmonitoreo ECG y no ofrece un esquema de alma-cenamiento de eventos.

Otra aproximación de importancia está siendodesarrollada por la Universidad de Sevilla, asociadacon la compañía Cardioplus SL14. En ésta, se desa-rrolla un equipo portátil que permite la detecciónautomática de algunas arritmias, almacena hasta10 min de señal, posee interfaz GPS y comunica-ción GPRS embebida. Además, proponen un esque-ma de centro de atención y supervisión 24 horas. Elsistema permite, además, la configuración de va-rios modos de funcionamiento, entre los que se en-cuentra transmisión continua o transmisión automá-tica por detección de anormalidades; sin embargo,no posee un esquema de trabajo orientado a even-tos con capacidad de memoria de bucle, y no ofre-ce suficiente capacidad de memoria para la gra-

bación local de éstos, dejándolo vulnerable a la pér-dida de datos ante la ausencia de señal GPRS porlargos periodos de tiempo.

En Latinoamérica, en general, han sido pocoslos esfuerzos encaminados hacia la búsqueda desoluciones de telemonitoreo cardiaco. El InstitutoCentral de Investigación Digital de Cuba desarro-lló un sistema de monitoreo inalámbrico por GPRScon detección automática de arritmias cardia-cas15, sin embargo el prototipo no implementa unesquema de almacenamiento local de eventos yno ofrece un sistema informático de telemedicinaque lo soporte. En el caso particular se han repor-tado sólo algunas actividades académico-inves-tigativas relacionadas con la utilización de dispo-sitivos de ECG para transmitir señales cardiacasde forma inalámbrica de larga distancia, gene-ralmente apoyándose en conexiones con teléfo-nos móviles comerciales, pero en ausencia de unaplataforma de monitoreo cardiaco con las po-tencialidades que ello conlleva.

Este artículo describe el desarrollo de un esque-ma de detección, registro y monitoreo remoto dearritmias cardiacas (WHAM - Wireless Heart Arrhyth-mia Monitoring) que permite realizar las distintasacciones de asistencia; desde la detección auto-mática de arritmias, grabación local de las seña-les ECG anormales y transmisión de los datos a tra-vés de una red de telefonía celular, hasta lapresentación de la información al especialista, detal forma que pueda realizar diagnósticos y enviarindicaciones de forma remota tanto al equipocomo al paciente.

MATERIALES Y MÉTODOS

El esquema del sistema de telemedicina propues-to para monitoreo cardiaco en tiempo real semuestra en la Figura 1, en el cual los pacientesportarán un dispositivo AECG del tipo de monitorde eventos automático que denominamos CARE(Cardiac Abnormality Recorder) el cual se encar-ga de registrar las señales, detectar la presenciade anormalidades y realizar la comunicación conel servidor de un Centro Especializado de Monito-reo Cardiovascular (CEMC). La comunicación serealiza por medio de una red de telefonía celularGSM-GPRS desde la cual los equipos móviles po-drán tener acceso a la Internet y así poder conec-tarse al CEMC, en el cual una aplicación servidorpermite realizar la autenticación de los dispositi-vos, se encarga de mediar la transmisión de losdatos y almacenar la información en una base de


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datos. La visualización y análisis de los datos obte-nidos se realiza por medio de una aplicación espe-cífica que permite al especialista realizar un estudiosobre las señales y emitir reportes. Una aplicacióntipo Web permite realizar un análisis básico desdecualquier lugar con acceso a Internet.

A. DISPOSITIVO DE MONITOREO CARE

El dispositivo de monitoreo efectúa las tareas deadquisición de las señales bioeléctricas, procesa-miento digital, cálculo de la frecuencia cardiaca,reconocimiento de anormalidades, registro de se-ñales ECG, registro de la variabilidad de la frecuen-cia cardiaca (VFC), transmisión de datos al CEMC einteracción con el usuario. En la Figura 2 se muestrala estructura en bloques del CARE. Los diferentesmódulos del dispositivo están integrados en unaúnica tarjeta electrónica exceptuando el módemGSM-GPRS cuya tarjeta se acopla directamente ala primera, como se muestra en la Figura 3. El dise-ño de la tarjeta electrónica se realizó utilizando tec-nología de montaje superficial a cuatro capas paraoptimizar el espacio utilizado y proveer capas inde-

pendientes para la alimentación y tierra, reducien-do el ruido causado por interferencias electromag-néticas.

El dispositivo se puede apoyar además con unAsistente Digital Personal (PDA) para la interaccióncon el usuario, configuración y visualización de laseñal ECG. Para este efecto también se desarrollóel componente de software para computadoras demano CAREPDA.

1) Adquisición de la señal electrocardiográficaECG

Los potenciales de acción que se generan en elcorazón tienen que viajar hasta la piel, donde semiden en forma de potenciales extracelulares, dan-do así origen a la señal ECG, la cual tiene que seramplificada para su posterior tratamiento y monito-rización. Se tuvieron en cuenta factores de interfe-rencia que se presentan al trabajar con potencialesbioeléctricos, así como también los bajos nivelesde voltaje de la señal ECG. En el diseño del hard-ware se consideró el espectro de frecuencias de laseñal ECG, tanto para calcular las frecuencias de

Figura 1. Esquema funcional del sistema de telemonitoreo de arritmias WHAM. Los pacientes llevan consigo el dispositivo demonitoreo CARE que se encarga de detectar y registrar las arritmias, y transmitir las señales al CEMC donde pueden seralmacenadas en una base de datos y visualizadas por los especialistas.

Red celularGSM-GPRS

Internet

Especialista

AplicaciónWeb

Especialista

Aplicaciónservidor

Paciente

CAREPaciente

CARE


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corte de los filtros como para fijar la frecuencia mí-nima de muestreo de los conversores analógico-digitales. Para un análisis clínico se considera que elespectro de la señal ECG se extiende desde unafrecuencia aproximada de 0.01Hz hasta 150Hz, peroen el monitoreo ambulatorio de eventos cardiacosse considera de interés sólo el espectro compren-dido entre 0.5Hz hasta los 40Hz16. La configuraciónde los amplificadores utilizados para este propósitoson bioamplificadores de instrumentación, los cua-les tienen una configuración particular determina-da por la problemática asociada a la captaciónde señales extracelulares17.

Para sortear las interferencias se buscaron las si-guientes características: Amplificación diferencial,alta impedancia de entrada, alto rechazo al modocomún (CMRR), componentes con bajo ruido in-terno, electrodos de baja impedancia y buenaabrasión, tercer electrodo conectado a un poten-cial de referencia, configuración de cables conbucles mínimos, filtros pasa alto que reduzcan loscomponentes de los artefactos de movimiento sindistorsionar la señal, filtros pasa bajo que limiten elancho de banda de la señal conservando sólo lascaracterísticas importantes para el monitoreo, fil-tros elimina banda que reduzcan los componen-

tes puntuales de ruido tal como la señal de 60Hzdel fluido eléctrico.

2) Fuente de alimentación

La energía para alimentar al dispositivo puede ob-tenerse a partir de un par de baterías AA de 1.5V lascuales pueden proveer la energía suficiente paramantener operando al equipo por más de 24 horassin requerir recargas.

La alimentación para los diferentes módulos segestiona a través de convertidores de voltaje tipoDC-DC de elevación, los cuales elevan el poten-cial de las baterías hasta los 3.3V que requieren lamayoría de componentes o los 5V que necesita elmódem GSM-GPRS.

El regulador utilizado para generar 3.3V es el inte-grado de Maxim-IC MAX1674, el cual permite al-canzar eficiencias superiores al 90% en el rango decorrientes para nuestra aplicación (1-100mA). Paragenerar los 5V y manejar el consumo de potenciadel módem GSM-GPRS se utilizó el integrado deMaxim-IC MAX1687 el cual es especial para aplica-ciones con exigencias de picos de carga, comolos requeridos por los equipos que usan la tecnolo-gía celular GSM, maximizando la vida de la batería.

Figura 2. Diagrama de bloques del dispositivo de monitoreo CARE. Una Unidad de Control Central se encarga de procesarla señal del ECG de superficie para detectar la presencia de arritmias, almacenar las señales en una memoria tipo SD ytransmitirlas por medio de un módem GPRS.

SECCIÓN DETRATAMIENTOANALÓGICODE LA SEÑAL

ConversorA/D

MemoriaRAM

MemoriaFlash

MEMORIA FLASHEXTRAIBLE TIPO

SD (Security Digital)

Interfaces deUsuario

PULSADORES

Puertosde E/S

ProcesadorARM7TDMI

Unidad de ControlCentral

BATERÍA

REGULACIÓNDE POTENCIA

ComunicaciónSerial USART MÓDEM

CELULARGSM-GPRS

PDALEDS

ComunicaciónSPI


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3) Unidad de control y procesamiento central

Para implementar las funciones de digitalización dela señal ECG, procesamiento digital y control de lascomunicaciones y el almacenamiento del disposi-tivo de monitoreo CARE fue necesario considerar eluso de un microcontrolador de alto desempeñocomputacional con el menor tamaño y consumode potencia. Para ello se seleccionó el microcon-trolador de Atmel AT91SAM7S256, el cual posee unprocesador de arquitectura ARM de 32-bits, 256KBde memoria para programa, 64KB de memoria RAMy un número adecuado de periféricos para la apli-cación. Este microcontrolador posee una frecuen-cia de operación máxima de 50 MHz, obteniendoun rendimiento de hasta 49 MIPS y además permiteregular la velocidad del procesador y los periféricospara minimizar el consumo de potencia.

La conversión análogo/digital es realizada con 10bits de resolución a una frecuencia de muestreode 150 mps, la cual es suficiente para el espectrotrabajado y permite reducir los requerimientos dememoria.

4) Cálculo de la frecuencia cardiaca y detec-ción de bradiarritmias y taquiarritmias

Con el fin de calcular la frecuencia cardiaca ydetectar la presencia de alteraciones en el ritmose realizó la implementación de un algoritmo decálculo de frecuencia en tiempo real basado en latécnica de detección del segmento QRS propues-ta por Pan y Tompkins18. El algoritmo implementadopermite detectar de manera preliminar la presen-cia de eventos como bradiarritmias, taquiarritmiasy asistolias en las que el paciente no es capaz deactivar la grabación por sí mismo. La frecuenciacardiaca latido a latido obtenida es registrada en

memoria llevando así un registro de la VFC que pue-de ser enviado periódicamente al CEMC para suevaluación.

5) Detección de arritmias graves

Para detectar la presencia de anormalidades quepuedan amenazar la vida del paciente, como lo esla fibrilación ventricular (FV), se implementó un algo-ritmo que utiliza reconstrucción de espacio de fasepara identificar el comportamiento caótico de laseñal ECG19.

El algoritmo implementado se basa en una he-rramienta de análisis de señales para identificar unaley dinámica o un comportamiento aleatorio, ob-teniendo un gráfico bidimensional. Una señal caóti-ca produce una curva en el diagrama de espaciode fase que llena el área de graficación en unaforma irregular y la curva se distribuye uniformementesobre todo el diagrama. Sin embargo, si la señal noes caótica, la curva en el diagrama de espacio defase muestra una estructura regular, únicamentepequeñas partes del área del diagrama son ocu-padas y la curva se concentra en una región restrin-gida de la gráfica.

Basado en las gráficas de espacio de fase sediferencian las señales normales de las de FV, asu-miendo que una señal con FV es de naturaleza caó-tica mientras que una señal normal es más o me-nos regular. Para diferenciar las señales se infiere quétanta área en la gráfica de espacio de fase esocupada por la curva. Para realizar este cálculo sedivide el espacio en una matriz de 40x40 recuadrosy se cuenta el número de casillas visitadas por laseñal ECG19 (Figura 4). Entonces se calcula unamedida de densidad d que se define como:

Si d es mayor que cierto umbral entonces se cla-sifica el episodio de ECG correspondiente como FV.

Figura 3. Fotografía del hard-ware del dispositivo de mo-nitoreo CARE, mostrando elacople con el módem GPRS,la antena, la disposición dela memoria SD y la conexiónde los cables de ECG.


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6) Almacenamiento de datos

En el dispositivo desarrollado se implementa un bú-fer de memoria de bucle a través del cual la señalECG es grabada y continuamente es sobrescrita.Así, cuando se experimenta un evento, los datosalmacenados en el búfer se trasladan de zona dememoria para su almacenamiento permanente yposterior transmisión. Esto permite guardar un regis-tro de ECG de los periodos anteriores y posterioresal inicio de los síntomas, por lo que el CARE puedeser denominado monitor AECG de tipo presintomá-tico o grabador de eventos de bucle continuo (con-tinuous-loop event recorder1,5). El tamaño máximode la memoria de bucle depende de la cantidadde memoria RAM del sistema que se asigne; paraeste efecto se destina el espacio suficiente paraobtener 2 minutos de pregrabación, lo que signifi-can unos 35 KB de espacio en la memoria RAM.

En la memoria del dispositivo se almacenan prin-cipalmente dos tipos de información. La primeracorresponde a los diferentes eventos generados porla detección automática de arritmias o la activa-ción manual del paciente. Cada evento es alma-cenado en memoria como un archivo independien-te compuesto por un encabezado, en el que seindican los datos asociados a un evento como fe-cha, hora y motivo de activación; y la señal ECGobtenida. El tamaño de estos eventos comprendelos minutos previos a la activación (2 minutos) y de1 a 10 minutos posteriores a la activación que pue-den ser configurados remotamente. El segundo tipode información corresponde al registro de la fre-cuencia cardiaca latido a latido, la cual es alma-cenada en otro archivo independiente que puedeser enviado periódicamente al CEMC.

El almacenamiento de los eventos y el registrode la VFC se realizan en una memoria flash extraí-

ble tipo Multimedia Card (MMC) o Secure Digital (SD),por lo que la capacidad de almacenamiento de in-formación que se puede alcanzar es considerable,teniendo en cuenta que comercialmente se pue-den disponer de memorias de este tipo de hasta1GB de capacidad. La grabación y lectura de da-tos en la memoria es dirigida por el microcontrola-dor utilizando la interfaz de comunicación serial SPI(Serial Peripheral Interface), teniendo presente elprotocolo y los comandos específicos para utilizareste tipo particular de memorias en modo SPI20-22

y las consideraciones para el manejo del sistemade archivos FAT (File Allocation Table) tipo FAT1623.

El uso de memorias de gran capacidad permitemantener los registros aun cuando se pierda el en-lace con el CEMC por falta de cobertura de la redGPRS, además por el hecho de ser extraíbles éstospueden ser descargados fácilmente a un compu-tador en caso de fallo de las redes.

7.) Módulo de comunicación inalámbricaGSMGPRS

La habilidad de conexión GPRS permite al disposi-tivo de monitoreo acceder a la Internet y esta-blecer la comunicación con el servidor del CEMC.Para este efecto se trabaja con el módem GSM-GPRS MTSMC-G-F2 de la empresa MultiTech. El cuales un módulo completamente integrado en unasola tarjeta electrónica que se acopla directamen-te a nuestro diseño. Este módulo es manejadodirectamente por el microcontrolador mediantecomandos estándares AT usando comunicaciónserial asincrónica24.

Para ahorrar energía el módulo de comunicaciónse encuentra apagado la mayor parte del tiempo,sólo entrando en actividad cuando se presenta al-gún evento y/o se requiera de la conexión con el

Figura 4. Reconstrucción deespacio de fase de un seg-mento ECG normal (a) ycon fibrilación ventricular(FV) (b). El área que ocupanen la gráfica las señalesnormales o con ritmos dis-tintos a la FV es mucho me-nor que las señales de FV.


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CEMC para transmitir datos periódicos o solicitar ins-trucciones. En actividad el módulo consume alre-dedor de 30 mA. Durante el proceso de transmisiónde datos puede tener picos de consumo de co-rriente de hasta 1.3A pero el consumo promedio esde cerca de 300 mA.

8.) Interfaz de usuario

El dispositivo de monitoreo CARE se diseñó paratener una operación completamente autonómica,sin requerir expresamente de algún equipo adicio-nal para realizar las tareas básicas, ni necesitar deactuación permanente del paciente. Al nivel másbásico, la interacción con el usuario se presenta através de un par de pulsadores y un diodo emisorde luz (LED). El primer pulsador permite el encen-dido y apagado del dispositivo, mientras que elsegundo posibilita la activación de un evento porparte del paciente. El LED es un indicador de en-cendido/apagado y batería baja.

Sin embargo, es muchos casos es importantedisponer de una interacción más elaborada y gráfi-ca con el usuario, lo cual se posibilita mediante eluso de una computadora de mano que puede serutilizada en conjunto con el dispositivo y acopladaa él. Para esto se desarrolló el aplicativo CAREPDA,un componente de software para las computado-ras de mano con sistema operativo Palm OS® quepermite la visualización de la señal ECG en tiemporeal, visualización de eventos registrados, realizaciónde comentarios por parte del paciente, visualiza-ción de comentarios que provengan del médico yconfiguración de los parámetros del dispositivo.

El aplicativo para Palm OS se desarrolló utilizandolenguaje C y considerando las funciones específi-cas de este sistema operativo. Como herramientade desarrollo se utilizó el software CodeWarrior® dela empresa Metrowerks.

La interfaz gráfica desarrollada optimiza al máxi-mo el espacio en la pantalla, así como las fun-ciones que se pueden habilitar mediante estosaccesos, la cual permite que el paciente y/o elmédico sea capaz de utilizar el sistema de unamanera eficiente, intuitiva, rápida y cómoda. Lainterfaz principal cuenta con grandes botones enpantalla para las opciones más trascendentales ymás utilizadas, como son la activación de loseventos y la visualización de la señal ECG en tiem-po real, con el despliegue de alguna informaciónde interés como la frecuencia cardiaca, el tiem-po de monitoreo y el número de eventos guarda-dos, así como con un campo de texto habilitado

donde el paciente puede realizar anotacionesacerca de síntomas presentados (Figura 5).

B. Sistema de comunicación

La principal función del componente de comuni-cación del sistema WHAM es transmitir informaciónmédica sensible a través de un canal seguro desdeel dispositivo de monitoreo CARE hasta el CEMC ymanejar los requerimientos e instrucciones desde elcentro al dispositivo.

Para cumplir con los requerimientos anteriores sediseñó un protocolo de aplicación que permitegestionar el envío de alarmas al especialista encar-gado, el envío de eventos y reportes de la VFC, y larecepción de instrucciones.

El envío de los datos de un evento, el reporte dela VFC o la solicitud de instrucciones comienza conel establecimiento de la conexión a la red GPRS porparte del dispositivo. Una vez en línea y con accesoa la Internet el dispositivo procede a establecer el

Figura 5. Interfaz gráfica del software para computadora demano CAREPDA. Esta aplicación permite la visualización delECG en tiempo real y la configuración de los parámetrosdel dispositivo de monitoreo CARE.


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contacto con el servidor del CEMC mediante ladirección IP asignada y un puerto definido, parade esta manera iniciar una conexión TCP. El pro-tocolo de aplicación diseñado establece comoprimer paso en la comunicación la identificacióny autenticación del dispositivo; la asignación deuna identificación y clave de acceso única im-plementa el nivel de seguridad necesario paragarantizar la validez de la comunicación. Actoseguido, el dispositivo de monitoreo envía la tra-ma de datos en la que se encuentran las seña-les precedido por un encabezado que indica eltipo de envío (evento, VFC o solicitud de instruc-ciones), la configuración particular del dispositi-vo y el número de bytes del bloque de datos. Lacomunicación termina con un mensaje de acep-tación si la recepción de datos fue exitosa, ex-cepto en el caso de la solicitud de instruccionesen el cual el servidor envía al dispositivo la nuevaconfiguración o instrucciones pendientes en casode que existan y luego finaliza la sesión. En la

Figura 6 se muestra un diagrama detallado delos protocolos de comunicación involucrados enel sistema WHAM.

Cuando se presenta un evento, ya sea poruna arritmia detectada automáticamente o poractivación manual del usuario, el dispositivomóvil está en la capacidad de enviar un men-saje de alarma vía Short Message Service (SMS)a un número telefónico configurable que pue-de corresponder al del especialista asignado.Este mensaje de alarma se envía cuando unevento ha sido exitosamente transmit ido alCEMC de tal forma que el especialista puedarevisar y analizar el evento mediante las aplica-ciones de análisis.

C. Centro Especializado de MonitoreoCardiovascular (CEMC)

En el CEMC se encuentran la aplicación servi-dor (WHAMSERVER), la base de datos del sistema

Figura 6. Esquema de proto-colos de comunicación en elsistema WHAM donde a la iz-quierda se presenta el pa-ciente con el dispositivo demonitoreo CARE y a la dere-cha los sistemas del CEMChasta el especialista.

Paciente Especialista

Señales ECG

Adquisición,almacenamiento y

procesamiento de laseñal

Comandos ATRS-232 (TTL)

ComunicacionesProtocolo deaplicación

Datos yalarmas

Aplicación deanálisis y

visualización

Servidor

Red de acceso

TCP/IP

Enlace proveedor de servicios

Red celular

Enlace inalámbricoGPRS

Módem GSM/GPRS

Internet


www.medigraphic.comFigura 7. Ventana de visuali-zación de señales del soft-ware de análisis WHAMSA, enla cual el médico puede ob-servar los datos del pacien-te, seleccionar los eventos yanotar observaciones y diag-nósticos.

(WHAMDB) y las herramientas de análisis y visua-l ización de los datos de monitoreo (WHAMSA yWHAMWEB).

La aplicación servidor WHAMSERVER, se encargade administrar las conexiones con los dispositi-vos remotos y almacenar en la base de datosdel sistema la información que recibe de cadauno de ellos.

La base de datos WHAMDB fue diseñada usandoel lenguaje de consulta estructurado SQL. En éstase registran las señales ECG y demás datos aso-ciados a los eventos, los registros de la VFC, la con-figuración de los distintos dispositivos e informaciónrelativa a los pacientes como nombres, identifica-ción, edad, sexo, tratamiento médico, etc.

Como herramientas que permiten a los cardió-logos y electrofisiólogos realizar consultas y estu-diar las señales y datos obtenidos de los monito-reos se desarrollaron dos tipos de aplicaciones deanálisis. La primera de ellas WHAMSA permite reali-zar un análisis detallado de los eventos y señalesmediante opciones de acercamiento, uso de cur-sores de desplazamiento, ingreso de conceptosdiagnósticos y generación de reportes (Figura 7).La segunda WHAMWEB, consiste en un aplicativo tipoWeb que permite a los especialistas consultar in-formación desde cualquier lugar conectado a laInternet por medio de un navegador. Esta últimaaplicación sólo permite una visualización básica dedatos y señales.

PRUEBAS Y RESULTADOS

Posterior a los procesos de optimización realiza-dos se evaluó el funcionamiento del sistemadesarrollado mediante diferentes tipos de en-sayos que comprometían varios métodos, cadauno con el fin de validar diferentes característi-cas del sistema. Éstos incluyeron desde señalesobtenidas mediante procesos de simulación,como también señales obtenidas de pacientesy personas sanas.

En el Cuadro I se muestran algunas de las ca-racterísticas del dispositivo de monitoreo CARE.

Con el fin de evaluar el desempeño de los algo-ritmos de detección de anormalidades y cálculode la frecuencia cardiaca, se efectuaron prue-bas con bases de datos estándares de señalesECG como lo son la base de datos de arritmiadel Massachusetts Institute of Technology (MIT) yel Beth Israel Hospital (BIH), y la base de datosde Taquiarritmias Ventriculares de la Creighton Uni-versity (CU). Ambas disponibles a través del por-tal para investigación en señales fisiológicas com-plejas PhysioNet25.

Para el caso del algoritmo implementado parael cálculo de la frecuencia cardiaca y detec-ción de las arritmias se obtuvo una sensibilidaddel 99.66% con un valor de predicción positivadel 99.60% en la detección de los complejos QRSsobre todos los registros y señales de la base de


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datos de arritmias del MIT-BIH. El algoritmo im-plementado también ha sido probado con pa-cientes hospitalizados y la información obtenidaen el centro asistencial ha demostrado que elmétodo se comporta adecuadamente26.

La evaluación del algoritmo de detección de fi-brilación ventricular mediante reconstrucción del es-pacio de fase arrojó un resultado de sensibilidad del93.3% y especificidad del 92.75% sobre todos losregistros de las bases de datos del MIT-BIH y la CU.

También se realizaron pruebas con el fin de eva-luar la calidad de adquisición de las señales obteni-das con el dispositivo de monitoreo CARE frente adiferentes morfologías de la señal ECG. Éstas se lle-varon a cabo utilizando un simulador de señales ECGmarca Fluke Biomedical Ref. MPS450-FE. Las prue-bas se realizaron conectando el monitor en las ter-minales del simulador, y programando éste paraque entregara señales ECG con diferentes patolo-gías, mostrando que el algoritmo de detección delcálculo de la frecuencia cardiaca alcanza una sen-sibilidad del 100% en la detección de complejosQRS en el rango de amplitudes y frecuencias quees capaz de generar el simulador (0.5mV - 5.5mVde amplitud y de 30 - 300 latidos por minuto).

DISCUSIÓN

Existe una necesidad creciente de sistemas quepermitan monitoreo ambulatorio electrocardio-gráfico en un esquema de telemedicina. La dis-ponibilidad de nuevas tecnologías de procesa-miento, a lmacenamiento y comunicacióninalámbrica ha permitido el surgimiento de pro-puestas de telemonitoreo maduras basadas enlas redes de telefonía celular con transporte dedatos sobre GPRS. Nuestro trabajo propone unesquema de este tipo que enfatiza en el regis-tro presintomático de eventos por su compro-bada efectividad en el diagnóstico de arritmiasintermitentes.

Las características del hardware desarrolladoen cuanto a dimensiones reducidas, funcionali-dad independiente de otros dispositivos y bajoconsumo de energía facilitan la portabilidad yoperabilidad del dispositivo CARE durante largosperiodos de tiempo, lo que además constituyeuna ventaja sobre otros sistemas similares quedependen exclusivamente del uso de un PDA oun computador local. Por otro lado, la implemen-tación de algoritmos confiables de detección dearritmias cardiacas permite que sólo se transmi-tan y se registren las señales de interés, optimi-

zando de esta manera el uso de memoria y delcanal de comunicación. Es claro sin embargo,que una extensión de este trabajo es la imple-mentación de algoritmos que permitan la detec-ción de un número mayor de patologías, aspec-to en el que nuestro grupo de investigacióntrabaja actualmente.

El desarrollo de una herramienta de interac-ción con el usuario basada en una computado-ra de mano o PDA permite evaluar y configurarfácilmente el funcionamiento del dispositivo demonitoreo y el estado del paciente en un mo-mento dado. Este aspecto resulta crucial en elmomento de la entrega del monitor al pacientecuando el especialista requiere verificar el traza-do del ECG, lo cual redunda en la eliminaciónde pruebas en línea y el uso del canal de comu-nicación innecesariamente. La visualización entiempo real in situ puede actuar como una im-portante herramienta cuando un médico o per-sonal de emergencia necesite examinar al pa-ciente localmente, además de proveer unaconfirmación visual del ritmo. El uso opcional deun PDA con el dispositivo de monitoreo CAREpuede facilitar a pacientes entrenados la inte-racción en el monitoreo haciendo anotacionessobre sus síntomas y recibiendo instrucciones eindicaciones desde el CEMC.

Con el uso de la tecnología GPRS para la trans-misión de datos se logró una importante veloci-

Cuadro I. Principales características respecto a la ad-quisición del ECG, consumo de potencia, capacidadde almacenamiento y comunicaciones del prototipodel dispositivo de monitoreo CARE desarrollado.

Característica Valor

Respuesta de frecuencia 0.5 - 50 HzFrecuencia de muestreo 150 mpsResolución de muestras 10 bits

Monitoreo activo:105mW

Consumo de potencia Transmisión de datos:1W promedio3W pico

Capacidad dealmacenamiento de 99 eventos deeventos 12 minutos

Velocidad de transmisiónmedia 10 KbpsRetardo 200 msDimensiones 100 x 60 x 20 mm


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dad de transmisión y confiabilidad de la comu-nicación. El estándar GPRS ofrece un enlace ina-lámbrico seguro para la transmisión de informa-c ión médica g rac ias a la encr ip tac ión yautenticación inherente al protocolo, y ademáses una alternativa ideal para acceder sistemasde telemedicina a través de la Internet desdecualquier lugar donde haya cobertura de las re-des celulares.

El esquema planteado tiene en cuenta la im-portancia de un sistema de almacenamiento ymanejo de la información recolectada por el mo-nitoreo en una base de datos estándar. Esto faci-lita el acceso y consulta de los eventos por me-dio de las aplicaciones de análisis.

CONCLUSIÓN

Se ha presentado el desarrollo de un esquema detelemonitoreo que constituye una alternativa parael seguimiento de pacientes afectados de arritmiascardiacas. El resultado de este proyecto, relacio-nado con la detección y registro de eventos elec-trocardiacos vinculados en un monitor compactocon capacidad de comunicación inalámbrica conun CEMC, y utilizando técnicas de procesamientode señales, con la opción del uso de una platafor-ma PDA, es muy promisorio.

A partir de lo obtenido con el presente desa-rrollo, se reconoce la importancia de continuarcon una labor de pruebas sistemáticas que per-mitan realizar una validación más extensa del sis-tema desde el punto de impacto médico, don-de la principal expectativa al finalizar el proyectoes dejar al servicio de la comunidad una herra-mienta que posea la suficiente calidad y rendi-miento para ser utilizada en los centros asisten-ciales para el seguimiento de los pacientes demanera confiable y segura.

AGRADECIMIENTOS

Agradecimientos expresos por la participación yapoyo recibidos a Carlos Gómez, Sergio Marín, Ale-jandro Giraldo, Sandra Montoya, Andrés Estrada yAndrés Zapata, quienes estuvieron vinculados enalgunas fases del proyecto. Muy especiales agra-decimientos y reconocimientos a las empresas decomunicaciones Colombia Móvil S.A. E.S.P., al Cen-tro de Ciencia y Tecnología de Antioquia CTA y aDIES Ltda., empresas con la que se abordaron dife-rentes etapas del desarrollo en sistemas de monito-reo de eventos cardiacos.

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