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Dugarte Jerez Nelson Diseño y construcción de un sistema digital para la adquisición, almacenamiento y graficación de la señal electrocardiográfica Universidad de Los Andes-Facultad de Ingeniería-Postgrado en Ingeniería Biomédica. 2004. p. 131 Venezuela Disponible en: http://bdigital.ula.ve/RediCiencia/busquedas/DocumentoRedi.jsp?file=34334&type=ArchivoDocumento &view=pdf&docu=27424&col=5 ¿Cómo citar?
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Dugarte Jerez Nelson
Diseño y construcción de un sistema digital para la adquisición, almacenamiento y graficación de
la señal electrocardiográfica
Universidad de Los Andes-Facultad de Ingeniería-Postgrado en Ingeniería Biomédica. 2004. p.
131
Venezuela
Disponible en:
http://bdigital.ula.ve/RediCiencia/busquedas/DocumentoRedi.jsp?file=34334&type=ArchivoDocumento
&view=pdf&docu=27424&col=5
¿Cómo citar?
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA 1[% UNIV~:c~·~?a~~~~;~?e~:DES (¡ /1 :~ \ D • __ ¡-
4 Consejo de Estudios de Postgrados ~·
POSTGRADO EN INGENIERÍA BIOMÉDICA
Diseño y Construcción de un Sistema Digital para la Adquisición, Almacenamiento y
Graficación de la Señal Electrocardiográfica
TRABAJO DE GRADO
Presentado ante el consejo de estudios de postgrado como Requisito Parcial Para Optar al título de:
Magíster Scientiae en
Ingeniería Biomédica
Autor: lng. Nelson Dugarte. Tutor: Dr. Diego Jugo.
Mérida, noviembre de 2004.
DEDICATORIA.
Dedico este trabajo a mis Padres, mis
Hijos y a mi amada Esposa, que han
sido ejemplo, fortaleza, y fuente de
inspiración, para impulsarme a lograr
mis más anhelados sueiios.
AGRADECIMIENTO.
Dios todopoderoso, que a cada instante nos da vida, luz, memoria y
entendimiento, para que con libertad nos impongamos los retos y logremos
las metas, en un afán por la superación y en busca de la perfección.
La Universidad de Los Andes, a la que un dfa llegué optimista y con
deseos de triunfar.
El Laboratorio de Instrumentación Científica y a mis compañeros de
trabajo, que han sido fuente de conocimiento y tecnología, en el que me he
apoyado para alcanzar mis más importantes logros.
El grupo de Ingeniería Biomédica, mis amigos y compañeros, los
cuales fueron ejemplo de superación y me enseñaron que para lograr las
metas se debe trabajar con esmero y rectitud.
Todas aquellas personas que de alguna manera me brindaron su
apoyo incondicional.
Constancia de aprobación
Dedicatoria.
Agradecimientos.
lndice
Resumen
Introducción
CAPiTULO 1
EL PROBLEMA.
1.1 Formulación del problema.
1.2 Antecedentes del problema
1.3 Objetivos.
1.3.1 Objetivos generales.
1.3.2 Objetivos especfficos.
1.4 Justificación.
(N DICE.
1.5 Limitaciones de la Investigación.
CAPiTULO 11
MARCO REFERENCIAL
2.1 Reselia histórica de la electrocardiograffa.
2.2 Relaciones qufmicas para fisiologfa.
2.3 Principios del funcionamiento celular.
2.4 Mecánica del sistema cardiovascular.
2.5 Medición de las seliales eléctricas del cuerpo.
2.6 El electrocardiógrafo.
2.6.1 El electrocardiógrafo analógico.
2.6.2 El electrocardiógrafo digital.
2.71ntroducción a los microcontroladores.
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2.8 Protocolo RS232.
2.9 Requerimientos de seguridad intrfnseca.
CAPÍTULO 111
MARCO METODOLÓGICO.
3.1 Tipo de investigación.
3.2 Diseno metodológico.
3.3 Descripción general de funcionamiento.
3.3.1 Descripción del hardware del sistema.
3.3.1.1 Acondicionamiento de la senal.
3.3.1.2 Proceso de digitalización.
3.3.1.3 Etapa de interfase.
3.3.1.4 Actividad del microcontrolador.
3.3.1.5 La fuente de poder.
3.3.2 Descripción del software del sistema.
3.3.2.1 Los módulos principales.
3.3.2.2 Los módulos secundarios.
CAPÍTULO IV
PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO.
4.1 Presentación del sistema.
4.1.1 Presentación del hardware.
4.1.2 Presentación del software.
4.2 Manual del usuario.
4.2.1 Control.
4.2.2 Operación.
4.3 Requisitos para el funcionamiento del sistema.
4.4 Caracterfsticas del sistema.
4.5 Manual de fallas.
4.6 Precauciones con el empleo del instrumento.
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CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 108
Conclusiones. 1 09
Recomendaciones. 111
Referencias. 114
Anexo 1. Lista de componentes del hardware. 116
Anexo 2. Electrocardiógrafo analógico utilizado en el prototipo. 120
Anexo 3. Ejemplo de impresión de ECG del sistema. 123
(NDICE DE FIGURAS.
Figura 1.1. Mortalidad en el territorio Venezolano para 1997. 7
Figura 2.1. Primer electrocardiógrafo de Eindhoven. 21
Figura 2.2. Primer marcapasos artificial patentado. 23
Figura 2.3. Moderno 'Holter' Monitor. 24
Figura 2.4. Experimento demostrativo del efecto de osmosis. 27
Figura 2.5. Concentración iónica en la célula. 29
Figura 2.6. Curva de despolarización celular. 32
Figura 2.7. Corte transversal del corazón. 34
Figura 2.8. Senal de biopotencial en las células. 36
Figura 2.9. Obtención de la senal ECG. 37
Figura 2.10. Ancho de banda de las senales de biopotencial. 39
Figura 2.11. Amplificador de biopotencial. 40
Figura 2.12. Gráfico impreso de una parte del ECG. 43
Figura 2.13. Gráfica de un ECG digital de un equipo comercial. 46
Figura 2.14. Arquitectura interna del microcontrolador PIC16F877. 51
Figura 2.15. Transmisión serial del número 01000011b. 53
Figura 3.1. Diagrama en bloques del sistema. 59
Figura 3.2. Circuito impreso del hardware. 61
Figura 3.3. Diagrama del acondicionamiento de señal de entrada. 63
Figura 3.4. Acoplamiento de impedancias. 63
Figura 3.5. Circuito de acondicionamiento de senal. 65
Figura 3.6. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador. 70
Figura 3.7. Esquema eléctrico del circuito principal. 72
Figura 3.8. Diagrama en bloques de la fuente de poder. 74
Figura 3.9. Circuito eléctrico de la fuente de poder. 75
Figura 3.10. Secuencia de trabajo del software del sistema. 76
Figura 3.11. Diagrama en bloques del software. 79
Figura 3.12. Cuadro de mensaje. 83
Figura 4.1. Interconexión del hardware del sistema. 85
Figura 4.2. Hardware del sistema en su presentación terminada. 86
Figura 4.3. Lado frontal del chasis 86
Figura 4.4. Lado posterior del chasis. 87
Figura 4.5. Cable con conectores Plug. 88
Figura 4.6. Cables con conectores DB9. 89
Figura 4.7. Icono del ejecutable del software. 90
Figura 4.8. Cable de electrodos fabricado en el LIC-M. 91
Figura 4.9. Ventana de inicio. 92
Figura 4.10. Ventana de Historia para paciente nuevo. 93
Figura 4.11. Ventana de Historia con los datos de un paciente. 94
Figura 4.12. Ventana de Consulta médica. 94
Figura 4.13. Ventana para buscar consultas anteriores. 95
Figura 4.14. Ventana de Registros electrocardiográficos. 96
Figura 4.15. Ventana de Reporte. 99
Figura 4.16. Ventana para Abrir Registros anteriores. 100
Figura 4.17. Ventana de Edición. 101
Figura 4.18. Ventana de Abrir Historia. 1 02
Figura 4.19. Ventana Banco de Historias. 102
Figura 4.20. Ventana de Registros solo para Monitoreo. 103
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Facultad de lngenierra
Consejo de Estudios de Postgrados POSTGRADO EN INGENIER(A BIOMÉDICA
Disefio y construcción de un sistema digital para la adquisición, almacenamiento y graficación
de la seftal electrocardiográfica
Autor: lng. Nelson Dugarte. Tutor: Dr. Diego Jugo.
RESUMEN.
Este trabajo presenta el desarrollo de un sistema en el área de instrumentación biomédica, que permite la recuperación de los electrocardiógrafos analógicos de trazado en papel térmico, que por fallas mecánicas o por la falta del papel no se encuentran funcionando. El objetivo principal de este trabajo es diseñar y construir el prototipo de un sistema compuesto por un hardware y un software acoplados al electrocardiógrafo, con la finalidad de digitalizar el electrocardiograma o ECG, transmitirlo en forma serial al computador, graficar la señal captada en tiempo real sobre la pantalla del computador y almacenar los doce canales que conforman las derivaciones básicas estandarizadas del ECG, adjunto a un formato básico de historia médica destinada a cardiologla. La aplicación de este sistema permitirá contar con electrocardiógrafos digitales de bajo costo, que podrán ser utilizados en aplicaciones de diagnostico cUnico, en docencia y en telecardiologfa. Por otro lado, se generaran importantes bancos de datos en electrocardiograffa, que admitirán la realización de futuros experimentos, trayendo como consecuencia la generación de nuevos conocimientos cientrficos. El prototipo de este diseño será implementado y puesto a prueba en el área de cardiologfa del Hospital Universitario de Los Andes "HULA" bajo la supervisión del Laboratorio de Instrumentación Cientrfica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Los Andes "LIC - M" y el Grupo de lngenierfa Biomédica de la Universidad de Los Andes "GIBULA".
INTRODUCCIÓN.
El humano, que ha evolucionado entre las especies como un ser
racional, intenta constantemente comprender los misterios que encierra la
vida, y en su afán por adquirir mas conocimientos, surge la manera como él
aplica lo que aprende de sí mismo en la forma de curar las dolencias que lo
afectan, en busca de alargar su existencia física.
Desde la antigüedad, el ser humano ha dedicado gran parte de su
existencia al estudio del cuerpo para tratar las enfermedades, generando Jo
que hoy se conoce como la medicina. En la época moderna y con los
constantes avances tecnológicos, esta rama de la ciencia se ha vuelto más
eficiente en el diagnostico y el tratamiento de las enfermedades, al mismo
tiempo aprovecha este conocimiento científico para el desarrollo de nuevas
tecnologías, que le permitan mejorar los sistemas e instrumentación que
utiliza. Cabe destacar la implementación de la electrónica y la computación
como elementos fundamentales del instrumental que hoy día son
indispensables en la aplicación de la medicina.
En el tratamiento moderno de las enfermedades y en la investigación
médica, la mayoría de los diagnósticos realizados por los expertos están
basados en un examen previo donde, por lo general, se utilizan equipos
médicos, que son producto de la inventiva y el ingenio del hombre y que
permiten la expansión de sus sentidos. De esta manera es posible hablar hoy
en día de "Ingeniería Biomédica" aunque el vocablo sea relativamente nuevo.
Se trata de conocer las diferentes relaciones que se pueden hacer
entre las señales medidas por Jos instrumentos diseñados para cada
aplicación y el funcionamiento mecánico de los diferentes sistemas que
conforman el individuo, en todo caso, la ingeniería biomédica trata de enlazar
la ñsica con la fisiología animal en busca de soluciones técnicas para
mantener y/o reparar la maquinaria que soporta la vida [1 ].
Algunas medidas fisiológicas se pueden obtener de forma pasiva por
cuanto no se necesita energía externa para captar la información deseada.
Tales medidas incluyen Jos potenciales bioeléctricos que constituyen el
electrocardiograma, el electroencefalograma, el electromiograma y otros.
Otras señales requieren de fuentes de poder externa y por lo tanto debe
dársela un especial acondicionamiento de señal.
La cardiología es una rama de la medicina moderna, que se encarga
de estudiar el sistema cardiovascular de los seres vivos. Una de las
herramientas básicas con que cuenta el cardiólogo es el electrocardiógrafo,
el cual le permite visualizar los gráficos generados por las señales eléctricas
que recoge de Jos individuos. El electrocardiógrafo muestra el funcionamiento
del corazón, en un registro grabado de las señales eléctricas tomadas con
electrodos de superficie colocados sobre la piel, el cual se llama
electrocardiograma o ECG [2].
En épocas recientes, el hombre se ha visto afectado enormemente
por las enfermedades cardiovasculares, llegando a constituir una de las
primeras causas de muerte en la población mundial, por consiguiente, es de
suma importancia el estudio de las patologías cardiacas. De tal forma, el
electrocardiógrafo es un instrumento que viene a constituir una herramienta
indispensable del cardiólogo y del investigador que centra sus estudios en
este campo.
Ya en el mundo antiguo era observado el funcionamiento del
corazón. Antiguos filósofos y pensadores como Arquímedes de Siracusa,
Erasístrato de Ceos, e Hipócrates de Grecia sentaron las bases de la
medicina moderna, pero fue solo hasta finales del siglo XVI cuando se
empezó a conocer el funcionamiento del sistema cardiovascular.
Inicialmente la valoración de las señales cardiacas se lograba solo
con sistemas mecánicos. Fue solo hasta que se utilizó la electrónica que se
obtuvieron los mejores resultados. El aporte más importante de la electrónica
en el desarrollo de la medicina fue el Electrocardiógrafo.
2
Los trabajos que aportaron la mayor contribución al desarrollo de
este invento fueron del danés Willem Einthoven Ueber, éste se dio cuenta
que podía medir las señales eléctricas, generadas por el movimiento de
cargas que se producen en el cuerpo como consecuencia de la contracción
del corazón.
Por Jos años cuarenta, con los avances en la electrónica, se logra
amplificar la señal obteniendo una respuesta bien definida, poco después se
incorporó el registrador de papel, pennitiendo leer y analizar el
electrocardiograma después de que el médico realizara la valoración del
paciente, logrando detallar pequeñas aberraciones que podrían ser síntoma
de alguna patología.
En la actualidad se utilizan sistemas computarizados que permiten
utilizar técnicas de análisis avanzados para realizar diagnósticos más
precisos, reducir el tiempo de trabajo de los cardiólogos y comprender mejor
algunos fenómenos cardiovasculares que incrementan constantemente los
conocimientos científicos involucrados en esta área de la medicina [3].
Pero el incremento del desarrollo tecnológico ha traído como
consecuencia un incremento en la complejidad de los instrumentos médicos,
haciendo que el desarrollo científico en este campo este en manos de las
Naciones mas desarrolladas.
Esto ha generado que países como el nuestro, estén bajo una
dependencia tecnológica que incluye la adquisición y posterior
mantenimiento de los equipos requeridos en el área de la salud, produciendo
un gran número de electrocardiógrafos analógicos que se encuentran fuera
de uso, bien sea porque tienen fallas mecánicas o porque no aportan los
requerimientos técnicos que el médico o el investigador requieren en las
sofisticadas aplicaciones modernas.
El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de un equipo de
instrumentación médica. Se trata del diseño y construcción de un sistema
que permite convertir un electrocardiógrafo analógico en uno digital, con las
3
características de los equipos modernos pero aplicado a nuestros
requerimientos médicos y de investigación.
La elaboración de este proyecto es importante para el desarrollo de
una tecnología propia, sobretodo en el desarrollo de hardware en el campo
de la ingeniería biomédica, y con el propósito de formar parte de otros
proyectos de investigación de mayor envergadura como servir de
herramienta en la aplicación de telemedicina.
Este proyecto se hace teniendo en cuenta que la mejor forma de
solucionar un problema es la manera mas simple, por lo tanto se pretende
diseñar con los elementos y las técnicas que resulten mas practicas para
cada caso, y de esta forma minimizar los costos y presentar un sistema de
fácil mantenimiento, que a la larga contribuirá con la implementación de
telemedicina en el territorio nacional.
En este diseño se deben tomar en cuenta una serie de
características de funcionamiento, tales como utilidad practica para el
cardiólogo, comodidad para el usuario, seguridad para el paciente en el cual
se utilice, y la implementación de características técnicas novedosas que
permitan el desarrollo científico en el campo de la electrocardiografía.
4
CAPÍTULO 1
EL PROBLEMA.
Capítulo 1
1.1 Formulación del problema.
Para analizar el funcionamiento del cuerpo y de las diferentes
patologras que lo afectan, se requieren conocer las seliales eléctricas que
reflejan el comportamiento fisiológico del organismo, para esto, el
especialista utiliza el instrumental médico adecuado.
Uno de los instrumentos médicos mas importantes, por su constante
utilización y los datos imprescindibles que aporta para la valoración del
paciente, es el electrocardiógrafo. El electrocardiógrafo es el instrumento que
muestra el funcionamiento del corazón, haciendo un registro de las seliales
eléctricas tomadas con electrodos de superficie colocados en las
extremidades y sobre la caja torácica del organismo, el cual se llama
electrocardiograma o ECG.
La importancia del uso del electrocardiógrafo radica en que en
épocas recientes, el hombre moderno se ha visto afectado enormemente por
las enfermedades cardiovasculares, llegando a constituir una de las primeras
causas de muerte en la población mundial.
6
Capítulo 1
A escala regional, en Venezuela, los problemas cardiovasculares
también ocupan uno de los primeros lugares en las causas de muerte de la
población, figura 1.1 [4], por lo que es indispensable mejorar los recursos
disponibles en diagnostico y tratamiento de las enfermedades del sistema
cardiovascular.
O Enfermedades transmisibles
O Enfermedades del sistema circulatorio
O Neoplasias de todo tipo
o Causas externas
Figura 1.1 . Mortalidad en el territorio Venezolano para 1997.
Para reducir el riesgo de muerte por enfermedades cardiacas es
importante que los médicos que laboran en los centros asistenciales, cuenten
con un eficiente equipamiento que les permita hacer un acertado diagnostico.
Un buen diagnóstico cardiovascular solo se logra con una efectiva valoración
médica, para lo cual es indispensable:
• La auscultación, en la cual el médico revisa los sonidos del sistema
cardiovascular para detectar problemas mecánicos.
• La radiografía de tórax, que le sirve al médico para observar los
contornos internos de los órganos contenidos en la caja toráxica.
• El electrocardiograma o ECG, por medio del cual el médico evalúa el
funcionamiento del corazón.
De estos tres elementos requeridos para una buena valoración, el
ECG es el que mas datos aporta al médico sobre el estado fisiológico del
sistema cardiovascular del paciente, y para esto se requiere contar con un
buen electrocardiógrafo y un mantenimiento eficiente que garantice su
constante y correcto funcionamiento.
7
Capítulo 1
El verdadero problema se centra en la dependencia tecnológica que
tiene nuestro pafs, en donde prácticamente todos los instrumentos médicos
son elaborados por empresas extranjeras, con caracteristicas técnicas que
en algunas de sus partes fundamentales no están estandarizadas. Tal es el
caso del papel que se emplea para el trazado del ECG, el cual tiene un
formato único para cada modelo de electrocardiógrafo diseñado por las
diferentes empresas fabricantes, haciendo que este costoso instrumento sea
obsoleto después de poco tiempo de uso.
De manera inmediata, se puede observar como un problema que
aparentemente es tan simple como el papel de repuesto ha generado una
gran cantidad de electrocardiógrafos fuera de funcionamiento en el Hospital
Universitario de Los Andes "HULA".
Por otro lado se debe tener en cuenta que el trazado del ECG
normalmente se realiza en papel termo-sensible, el cual se deteriora con la
exposición al calor, a fuentes de luz intensa o solamente con el pasar del
tiempo, lo que conlleva a una perdida parcial o total de la información
recopilada en un plazo no mayor a diez anos, imposibilitando un estudio
analítico de un banco de datos cardiológico almacenado de esa forma.
Actualmente existen en el comercio una gran variedad de modelos
de electrocardiógrafos digitales con la facultad de presentar los resultados en
el computador, pero son muy costosos y están diseñados con una tecnologia
celosamente guardada por las empresas que los producen, lo que mantiene
una constante y costosa dependencia en el mantenimiento del equipo.
También se debe destacar que con los electrocardiógrafos digitales
comerciales, se cierra la posibilidad de usar los datos recopilados, ya que en
estos instrumentos los archivos de datos son encriptados para proteger el
software. Por consiguiente se hace imposible c~alquier tratamiento
sistemático de la información recopilada, diferente al que es asignado en el
diseño original, por lo tanto no se cuenta con los archivos para posteriores
análisis y futuras investigaciones cientificas.
8
Capítulo 1
1.2 Antecedentes del problema.
Desde la antigOedad las personas han tratado comprender los
misterios que encierra el funcionamiento mecánico del sistema
cardiovascular. Con el pasar de los tiempos y el desarrollo de la tecnologfa,
se fueron descubriendo formas y métodos para visualizar el trabajo del
corazón, pero aún hoy dfa no se han respondido todas las preguntas sobre
este tópico, sino que con cada avance cientrfico surgen nuevas cuestiones e
intrigantes misterios que requieren la aplicación de mejores tecnologras.
Los primeros equipos electrocardiográficos eran muy simples y
basaban su funcionamiento en la observación de los efectos que producfan
las pequelias corrientes que generaba la selial electrocardiográfica, mas
adelante en la historia se logra amplificar y graficar sobre papel, hecho que
contribuyó a poder realizar comparaciones y análisis posteriores de los
registros ECG, asl como también a realizar los primeros intentos por
transmitir el ECG por el cable telefónico.
En la época moderna, se han desarrollado equipos que digitalizan el
ECG para su graficación y posterior almacenamiento, permitiendo que se
pueda dar tratamiento anaUtico a las seliales grabadas y además, facilitando
la transmisión de la señal por las redes de comunicación, con fines de
aplicación en telemedicina.
En la actualidad existe gran variedad de aparatos y sistemas que
permiten tomar la selial ECG y mostrar los resultados en papel, en un
computador o por la red, pero todos los equipos disponibles en el comercio
son de elevado costo, y codifican los datos almacenados para ampliar el /
mercado que comercializan, elaborando instrumentos con aplicaciones
específicas de docencia, diagnostico o para investigación, que mantienen a
los usuarios bajo una dependencia técnica de consumo.
9
Capítulo 1
De tal manera que si se desea un banco de datos para realizar una
investigación y además se requiere atender pacientes, se deben comprar dos
costosos instrumentos.
Por otro lado se debe señalar que la tecnologla de los equipos
comerciales, generalmente solo se conoce como una caja negra funcional de
software y hardware cerrados, es decir que el diseño técnico de estos
aparatos es inflexible a las modificaciones, ajustes o ampliaciones que el
usuario desee realizar, por lo que al pasar del tiempo y con pocos cambios
tecnológicos, se corre el riesgo de que el modelo de electrocardiógrafo
adquirido se haga obsoleto.
Esta dependencia tecnológica ha contribuido a que un gran número
de electrocardiógrafos analógicos se encuentren fuera de funcionamiento [5],
algunos por fallas mecánicas o daños en la plumilla térmica, otros porque no
se consigue el papel térmico especifico para su modelo y otros simplemente
porque no se apegan a los requerimientos del médico o el investigador, pero
que en todo caso, tienen , en buen estado de funcionamiento los circuitos
electrónicos de adquisición y amplificación de la selial ECG.
Por otra parte, en estos momentos el personal adscrito al Postgrado
de lngenierfa Biomédica está implementando un proyecto de telemedicina,
que busca enlazar los principales hospitales y ambulatorios de las diferentes
zonas rurales del estado Mérida en Venezuela, lo que establece como una
necesidad el empleo de un electrocardiógrafo con las prestaciones
adecuadas para su aplicación en telecardiologfa, que sea económico, y cuya
etapa digital sea diseliada con tecnologfa propia, lo que además permita un
rápido y eficiente mantenimiento.
Dicho aparato debe funcionar dentro de los lineamientos requeridos
por los médicos pero teniendo en cuenta que el diseño sea flexible para que
permita futuros ajustes y modificaciones en función de las necesidades de los
investigadores. Además se debe generar una base de datos que permita su
aplicación en futuras investigaciones.
JO
Capítulo 1
1.3 Objetivos.
1.3.1 Objetivo general.
• Disefiar y construir un sistema de adquisición de datos que
permita digitalizar y almacenar la sefial de un electrocardiógrafo
analógico.
1.3.2 Objetivos especificos.
1.3.2.1 Estudiar la estructura interna de equipos de electrocardiografia.
1.3.2.2 Disefiar el hardware del sistema con las siguientes características:
• Tomar la senal analógica derivada de un electrocardiógrafo sin
causar alteraciones a la forma de onda original.
• Ajustar el sistema de digitalización y transmisión de información
al ancho de banda adecuado para el ECG.
• Disefiar la Interfase con el computador personal, en protocolo
de transmisión RS232.
1.3.2.3 Desarrollar un software para el almacenamiento manejo y
visualización del ECG, con las siguientes caracterrsticas:
• Diseno la base de datos adecuada al almacenamiento de Jos
valores digitalizados de la sefial ECG.
• Organizar la base de datos para que adjunte los valores
adquiridos de la senal ECG a un formato de historia médica
básica, aplicada a la cardiologfa.
• Estructurar el modelo básico de la base de datos con módulos
programas que permitan la visualización de la información
manejada y la correcta utilización de este software.
1.3.2.4 Realizar las pruebas correspondientes a la validación médica del
funcionamiento.
11
Capitulo 1
1.4 Justificación.
La principal motivación que conlleva al desarrollo de un sistema
digital para la adquisición de datos en electrocardiograffa se basa en las
ventajas que representa el dominio de esta tecnología.
Además, el desarrollo de este equipo tiene una aplicación importante
al recuperar y repotenciar a tantos electrocardiógrafos analógicos que hoy
día se consideran inservibles. Se debe tener en cuenta que no solo se
podrán recuperar los equipos que están parados por falta de papel, sino que
también se devolverá al funcionamiento aquellos aparatos cuya falla es de
origen mecánica. Una de las fallas trpicas de los electrocardiógrafos
analógicos, en su mayoría irrecuperable, está en el deterioro del
galvanómetro y la plumilla térmica que permiten el trazado en papel del ECG.
Por otro lado, con la implementación de este diseno se contribuye
con un banco de datos perdurable y abierto que puede tener una gran
repercusión en el desarrollo de nuevos conocimientos cientiflcos.
Este proyecto representa un avance tecnológico en el campo de la
medicina, que causa tres impactos relevantes, uno en la importancia que
representa como elemento de recuperación y repotenciación de un
instrumento de diagnóstico imprescindible para el tratamiento de las
patologías cardiacas, en segundo lugar como herramienta de investigación
en el ámbito cientifico, al permitir y precisar experimentos que generen
nuevos descubrimientos, y en tercer lugar, en el logro de tecnologra propia
que contribuirá a enaltecer los valores técnicos y científicos de nuestro País.
Cabe destacar la importancia que representa el desarrollo del
sistema que se plantea, pues los recursos que se ahorran y el mejoramiento
impHcito que se realiza a los electrocardiógrafos comerciales, repercute
incrementando la posibilidad de salvar o mejorar la vida de las personas que
dependan de las instituciones de salud en donde se utilice, y facilita la
aplicación de nuevas tecnologfas médicas, tales como la telemedicina.
12
Capítulo 1
1.5 Limitaciones de la investigación
Los problemas que se plantean cuando se realiza un proyecto de
este tipo son debidos principalmente al tipo del trabajo implicito y las
dificultades de conseguir los componentes y materiales en el mercado local.
Está claro que no se pretende competir con los diseños de
electrocardiógrafos digitales que actualmente ofertan las grandes empresas
internacionales, lo que se proyecta es solucionar el problema de los
electrocardiógrafos analógicos que están parados por fallas mecánicas y de
paso convertirlos en instrumentos digitales modernos, con características
diset'\adas en función de los requerimientos de nuestros investigadores.
Es importante recalcar las dificultades presentes al desarrollar un
proyecto de esta envergadura, principalmente porque se trabaja con un
sistema que es multidisciplinario, ya que se trata de diseñar un equipo que
requiere conocimientos de Electrónica, Medicina y de Programación, por lo
tanto se debe estar en un constante trabajo de investigación en diferentes
áreas del desarrollo cientrfico, que permitan recopilar la información técnica
requerida.
Hoy dia uno de los problemas que se le presenta a la ingeniarla
clfnica, es la forma de almacenamiento de información en las bases de datos
generados como archivos de historias médicas, pues la información
manejada es tan densa y variada que se hace muy dificil disenar un formato
de historia médica estándar para todas las especialidades. Solo para
cardiologfa, la información que podrfa anexarse al expediente médico es muy
densa, lo que aumenta las dificultades técnicas al diseñar el formato utilizable
que además deberá contener la información recopilada de todos y cada uno
de los registros ECG que se tomen.
Otro problema en el diseno de este sistema son los parámetros de
funcionamiento, pues un equipo médico requiere un alto grado de
confiabilidad y precisión.
13
Capítulo 1
Tanto el sistema de acondicionamiento de la set'ial analógica del
ECG, como el manejo de información del software deben contar con
parámetros de ajuste y compensación que permitan obtener una
representación real de los datos en función de un patrón confiable y como no
se cuenta con una base de datos que pueda ser usada como modelo de
calibración estandarizado, se deben realizar múltiples pruebas supervisadas
por cardiólogos profesionales, hasta asegurar el correcto funcionamiento del
sistema.
El desarrollo de la base de datos del historial médico, el
ordenamiento de los módulos programados para el control y utilización del
sistema y el manejo en pantalla de los resultados gráficos confiables dentro
de las normas estandarizadas, que permitan visualizar la señal en tiempo
real y después de almacenada, complican enormemente el software en
desarrollo. Todo este manejo de programación solo puede obtenerse con una
destacada dedicación y un buen dominio del lenguaje de programación
implementado en el computador.
Los problemas del manejo de set'iales analógicas repercuten en
complicaciones con el ruido e interferencias electromagnéticas que pueden
alterar la confiabilidad de los datos recopilados, Jo que implica un trabajo
extra en la aplicación de técnicas de eliminación de ruidos, tales como
blindajes y filtros.
Aparte de todos estos problemas se presenta el hecho de que este
instrumento debe trabajar en contacto frsico con seres humanos, por Jo tanto
se requieren elevados niveles de seguridad intrrnseca, determinando un
esfuerzo especial en el cuidado del ensamblaje del prototipo y de las copias
del proyecto que en el futuro se implementen.
14
CAPÍTULO 11
MARCO REFERENCIAL.
Capítulo JI
2.1 Reseña histórica de la electrocardiografía.
La investigación médica es casi tan antigua como el hombre mismo.
Desde la antigQedad, el ser humano ha tratado de comprender el
funcionamiento del organismo, relacionando el producto de las señales
ffsicas y fisiológicas que lo forman con el comportamiento del individuo.
Desde tiempos muy remotos se sabra de la existencia de una
energra invisible que cargaba los objetos con fuerzas de atracción y
modificaba la orientación de ciertos materiales sobre fuentes móviles.
También existía la intriga por entender como trabajaba cada parte del cuerpo,
en especial el fenómeno causante de esos ruidos extralios en el interior del
cuerpo, y que fue la causa de inspiración de poetas, pensadores y hasta
hechiceros.
Las primeras observaciones sobre el comportamiento ffsico del
corazón datan del mundo antiguo, en Egipto se consideraba a esta vfscera
como parte fundamental de la vida terrenal y espiritual, tal es el caso que se
han encontrado momias donde este era el único órgano que se dejaba
intacto en el cuerpo.
16
Capítulo JI
Ya en el ano 400 a.C. en la era Helenfstica, pensadores y filósofos
tales como Arqufmedes de Siracusa, Erasfstrato de Ceas, e Hipócrates de
Grecia sentaron las bases de la medicina moderna. Para el ano 420 AC
Hipócrates, considerado hoy dia como el padre de la medicina, en busca de
causas naturales para las enfermedades, creía que la salud dependfa de los
cuatro fluidos del cuerpo: sangre, flema, bilis y atrabilis o bilis negra. Hoy dfa
se sabe que el cuerpo humano es mucho más complejo, pero los fluidos son
vitales y están presentes en todos los sistemas del organismo.
En el ano de 1600 William Gilbert, médico de la reina Elizabeth 1,
presidente de la Real Universidad de Médicos y creador de la filosoffa
magnética, introduce el término "eléctrica" para describir el efecto que se
producfa cuando objetos aislados se cargaban de electricidad estática al ser
frotados. Él derivó esta palabra del griego ámbar (Eiectra).
En 1646 el Senor Thomas Browne, Médico, fue el primero en usar la
palabra "electricidad", también fue el primero en usar la palabra
"computadora". Por el ano de 1662 el trabajo de René Descartes, Filósofo
francés, se publica (después de su muerte) y explica el movimiento humano
por lo que se refiere a la interacción mecánica compleja de los tejidos, los
poros, los conductos y "el espfritu animal".
En 1664 Ene Swammerdam, un holandés, refuta la teorfa mecánica
de Descartes del movimiento animal quitando el corazón de una rana viviente
y mostrando que todavfa pudo nadar. Al quitar el cerebro todo el movimiento
se detuvo (lo qué estarfa siguiendo la teoría de Descarte) pero entonces,
cuando la rana fue disecada y al estimular el terminal de un nervio desunido
con un escalpelo los músculos tiraron bruscamente. Demostrando que el
movimiento de un músculo podrla ocurrir sin cualquier conexión al cerebro y
por consiguiente la transmisión del "espiritu animal" no era necesaria.
Para 1729 Stephen Gray, cientifico inglés, distingue entre
conductores y aisladores de electricidad. Él demuestra el traslado de carga
eléctrica estática a una pelota de corcho por 150 metros de hilo del cánamo
17
Capítulo JI
mojado. Después él encontró que el traslado pudiera lograrse a distancias
mayores usando un alambre de latón.
En 1769 Edward Bancroft, un Cientifico americano, sugiere que "el
susto" del Pez Torpedo es eléctrico en lugar de naturaleza mecánica. Él
mostró que las propiedades del susto eran similares a aquéllas dadas por un
primitivo acumulador llamado frasco de Leyden, inventado por el ftsico
holandés Pieter Van Musschenbroek en 1745, además demostró que aquel
fenómeno podria conducirse o aislarse con los materiales apropiados.
En 1780 Luigi Galvani, Anatomista italiano, notó que la pierna de una
rana disecada tira bruscamente cuando es tocada con un escalpelo de metal.
Él mostró con ese contacto directo y después con un generador eléctrico que
se podria causar una contracción del músculo.
Galvani también usó ganchos de latón que ató al cordón espinal de
una rana suspendida de una barandilla metálica en una parte de su jardin. Él
notó que las piernas de la rana tiraron bruscamente con los relámpagos de
las tormentas. Él interpretó estos resultados refiriéndose a "electricidad
animal", o la preservación del flujo "nerveo-eléctrico" en el animal, similar al
~e una anguila eléctrica. En 1791 Galvani descubre que un estimulo eléctrico
en el corazón de una rana lleva a la reducción muscular cardiaca.
En 1792 Alessandro Volta, cientlfico italiano e inventor, intenta
refutar la teoria de Galvani de "electricidad animal" mostrando que la
corriente eléctrica se genera por la combinación de dos metales. Su aserción
era que la corriente eléctrica vino de los metales y no los tejidos animales
(ahora sabemos que Galvani y Volta tenían razón).
Para 1819, mientras demostraba a los estudiantes la calefacción de
un alambre de platino con electricidad de una pila voltaica, el fisico
dinamarqués Hans Oersted observó que la aguja magnetizada de un compás
cercano se mueve proporcional a la corriente eléctrica, descubriendo el
electromagnetismo, al cual André Marie Ampare, muy eficientemente le da
una base teórica.
18
Capítulo JI
Un ano mas tarde, en 1820 Johann (Johan) Schweigger de
Nuremberg, incrementa el movimiento de agujas magnetizadas en los
campos electromagnéticos, envolviendo el alambre eléctrico en un rollo de
1 00 giros, el efecto en la aguja se multiplicó. Él propuso que el campo
magnético alrededor del alambre era consecuencia de la corriente que
circulaba, lo cual era probado después por Michael Faraday. Schweigger
habla inventado el primer galvanómetro.
Para el ano de 1842 Cario Matteucci, profesor de Ffsica en la
Universidad de Pisa, muestra que una corriente eléctrica acompana cada
latido del corazón. Él usó una preparación conocida como "rheoscopic de
rana" en la que el nervio cortado de la pierna de una rana se usó como un
sensor ecléctico, tirando bruscamente del músculo se usó como una senal
visual de la actividad eléctrica.
El fisiólogo alemán Emil Dubois-Reymond, en el ano de 1843,
describe un "potencial de acción" que acompana cada reducción muscular. Él
descubrió que un pequeno voltaje se encuentra presente cuando el músculo
está en reposo y notó cambios en este con la contracción muscular. Para
lograr esto él habla desarrollado uno de los galvanómetros más sensibles de
su tiempo. Su dispositivo tenfa un rollo del alambre con casi 24,000 giros- 5
km de conductor.
En 1850, Ludwig C. Hoffa, describe las acciones irregulares de los
ventrlculos, que después se llamó fibrilación ventricular. Hoffa, descubre este
comportamiento cardiaco experimentando con corrientes eléctricas fuertes
por corazones de perros y gatos. Él demostró que un solo pulso eléctrico
puede inducir la fibrilación.
Para el ano de 1856, Rudolph von Koelliker y Heinrich Muller
confirman que una corriente eléctrica acompana cada latido del corazón,
utilizando un galvanómetro conectado a la base y ápice de un ventriculo
expuesto. Las observaciones de las señales eléctricas se reconocerfan
después como el complejo QRS y las ondas T del registro ECG.
19
Capítulo II
A finales del ano 1869 Alejandro Muirhead, un ingeniero eléctrico,
grabó un electrocardiograma humano en el Hospital de St Bartholomew,
Londres pero esto aún se discute por falta de evidencia concluyente.
En 1872 el Fisico francés Gabriel Lippmann inventa el electrómetro
capilar. Es un tubo de ensayo delgado con una columna de mercurio bajo
ácido sulfúrico. El menisco del mercurio se mueve con el potencial eléctrico y
se observa a través de un microscopio. Este sistema fue usado en 1878 por
Los fisiólogos británicos John Burden Sanderson y Frederick Page para
registrar la corriente eléctrica del corazón y demostrar que la sefial cardiaca
consiste en dos fases, lo que después se llamó QRS y T.
En 1880 el fisico francés Arsene d'Arsonval en la asociación con
Marcel Deprez, mejora el galvanómetro. En lugar de una aguja magnetizada
que se mueve cuando los flujos eléctricos pasan a través del rollo de alambre
circundante, el galvanómetro de Deprez-d'Arsonval tiene un imán fijo y el
rollo móvil. Con un indicador atado a la bobina móvil se puede medir la
corriente sobre una escala adecuadamente calibrada.
El Fisiólogo británico Augusto D. Waller de la escuela de medicina
St. Mary en Londres, publica en 1887 el primer electrocardiograma humano.
Se graba con un electrometer capilar. Waller hizo una demostración de
cambios electromotrices en el hombre que acampanan el golpe del corazón.
Para 1890 G. J. Burch de Oxford hace una corrección aritmética
para las observaciones fluctuantes del electrometer. Esto permite ver la
verdadera forma de onda pero sólo después de los cálculos tediosos. El
método de Burch permite determinar un valor aproximado de las variaciones
rápidas en la diferencia potencial por medio de un electrometer capilar.
En 1891 los fisiólogos británicos William Bayliss y Edward Starling
. de la Universidad de Londres mejoran el electrómetro capilar. Ellos conectan
los terminales a la mano derecha y a la piel sobre el ápice y muestran una
variación de tres fases acampanando (o mas bien precediendo) cada golpe
del corazón. Llaman a estas variaciones P, QRS y T.
20
Capítulo JI
Bayliss y Starling también demuestran un retraso de
aproximadamente 0.13 segundos entre el estimulo sobre la aurlcula y la
despolarización ventricular, lo que después se llamó el intervalo de PR, en
los fenómenos electromotrices del corazón mamifero.
Apenas tres afíos después, en 1893, Willem Einthoven Ueber
introduce el término "electrocardiograma" en una reunión de la Asociación
Médica holandesa. Después Waller exige ser el primero en usar el término.
Ya en 1895 Eindhoven, usando un electrometer mejorado y una fórmula de
corrección desarrollada independientemente de Burch, distingue cinco
desviaciones en la sefíal cardiaca que nombra P, Q, R, S, T.
En 1899 Jean-Louis Prevost, Profesor de Bioquimica, y Frédéric
Batelli, Profesor de Fisiologia, ambos de Ginebra, descubren que un voltaje
eléctrico grande aplicado sobre el corazón de un animal puede detener la
fibrilación ventricular.
En 1901 Einthoven inventa un nuevo galvanómetro para
electrocardiogramas que usa un cordón de cuarzo fino cubierto de plata,
figura 2.1, basándose en las ideas de Deprez y d'Arsonval, quienes usaron
una bobina de alambre. Su "galvanómetro de cordón" pesa 600 libras. En
1902 Einthoven publica el primer electrocardiograma grabado con un
galvanómetro de cordón.
' . , Escala
,'~ Espejo
Figura 2.1. Primer electrocardiógrafo de Eindhoven.
21
Capítulo II
Para 1905 Einthoven empieza a transmitir los electrocardiogramas
del hospital a su laboratorio, 1.5 km vía el cable del teléfono. El 22 de marzo
se graba el primer "teJe cardiograma' de un hombre saludable. En 1906
Einthoven publica la primera presentación organizada de los
electrocardiogramas normales y anormales grabados con un galvanómetro
de cordón.
En el ano de 1906, Cremer graba el primer electrocardiograma
esofágico. La electrocardiografía esofágica es desarrollada en los años
setenta para ayudar a diferenciar las arritmias auriculares. Él también graba
el primer electrocardiograma fetal en la superficie abdominal de una mujer
embarazada. Dos anos mas tarde, en 1908 Edward Schafer de la
Universidad de Edimburgo, es el primero en comprar un galvanómetro de
cordón para el uso clínico.
Para 1912 Eindhoven se dirige la Sociedad Cltnica de Chelsea en
Londres, y describe un triángulo equilátero formado por sus derivaciones
normales 1, 11 y 111 que llamaron después "el triángulo de Einthoven". En 1918
Bousfield describe los cambios en el electrocardiograma durante la angina.
En 1920 Hubert Mann del Laboratorio de Cardiografía, del Hospital
de la Montana del Sinai, describe un método de analizar el
electrocardiograma como la derivación de un 'monocardiograma' que
después fue llamado 'vectorcardiograma'. En ese mismo ano Harold Pardee,
de Nueva York, publica el primer electrocardiograma de un infarto del
miocardio agudo en un humano, describiendo como causa de esto la
obstrucción de la arteria coronaria.
Para el año de 1928 Ernstine y Levine informan del uso de tubos al
vacío para amplificar el electrocardiograma en lugar de la amplificación
mecánica del galvanómetro del cordón. Para este mismo ano la compañia de
Sanborn Franco (fundada en 1917, adquirida por Hewlett-Packard en 1961, y
desde 1999 propiedad de los Sistemas Médicos Philips) convirtió el
22
Capítulo JI
electrocardiograma de mesa en un ejemplar portátil, pesando en su primera
versión 50 libras y alimentado por una batería de 6 voltios.
En 1929 El doctor Mark Lidwill y el físico Edgar Booth, de Sydney,
informan sobre la resurrección eléctrica del corazón. Su dispositivo portátil
usa un electrodo en la piel y un catéter transtorácico. La primera prueba de
Booth fue aplicando un voltaje no regulado 16 voltios a los ventrículos de un
infante nacido muerto.
En 1931 el Dr. Alberto Hyman patenta el primer "marcapasos
cardíaco artificial", figura 2.2, qué estimula el corazón usando una aguja
transtorácica. Su objetivo era producir un dispositivo que fuera lo bastante
pequeño para encajar en la bolsa de un doctor y estimular el área auricular
correcta del corazón con una aguja adecuadamente aislada. Su máquina
original se alimentaba con un generador movido por un cigüeñal (poco
después una compañía alemana ofreció un prototipo pero nunca tuvo éxito).
Figura 2.2. Primer marcapasos artificial patentado.
El 1 de marzo de 1932 los marcapasos artificiales se habían usado
aproximadamente 43 veces, con un resultado exitoso en 14 casos. No fue
sino hasta 1942 que se presento un informe exitoso de su aplicación, al tratar
un paciente cuando se le presentaron los ataques. Para 1932 Goldhammer y
Scherf proponen el uso del electrocardiograma después del ejercicio
moderado como una ayuda al diagnóstico de insuficiencia coronaria.
23
Capítulo II
En el año de 1938 la Asociación Americana del Corazón y la
Sociedad Cardiaca de Gran Bretaña estandarizan las posiciones normales y
el cableado de los electrodos que son colocados en el pecho del paciente,
como derivaciones del V1 al V6.
En 1939, Langendorf R. informa de un caso de infarto auricular
descubierto en la autopsia, que podría haberse diagnosticado por los
cambios en el ECG. Luego, en 1944, EW Young y Koenig BS informan sobre
la desviación del segmento P-R en pacientes con infarto auricular.
Para 1949 un médico rural, Norman Jeff Holter desarrolla un equipo
portátil de 75 libras colocado en un morral, que puede grabar el ECG del
paciente durante su actividad cotidiana. Con el tiempo, su sistema, el Holter
Monitor, se reduce considerablemente de tamaño, y se implementa la
grabación digital ECG ambulante, figura 2.3.
Figura 2.3. Moderno 'Holter' Monitor.
En 1963 Baule G. M. y McFee R. son los primeros en descubrir el
magneto cardiograma que es el ECG tomado aprovechando el campo
electromagnético producido por la actividad eléctrica del corazón. Es un
método que puede descubrir el ECG sin el uso de electrodos superficiales.
Aunque potencialmente es una técnica útil, nunca ha ganado aceptación
clínica, en parte debido a su elevado costo [6].
24
Capítulo Il
En la actualidad se han hecho muchas mejoras al sistema
electrocardiográfico, como la implementación del computador en el ECG
digital, el uso de complejos cálculos de correlación, y otros que permiten un
análisis detallado del ECG. En todo caso los adelantos tecnológicos
dependen de las bases cientfficas y de los conocimientos técnicos previos
que se tienen sobre los sistemas empleados para captar la señal ECG y del
ingenio de los investigadores en aplicar lo que se conoce en el desarrollo de
nuevas investigaciones.
2.2 Relaciones químicas para fisiología.
Todas las cosas que conforman el universo tangible que conocemos
están formadas por átomos, que a su vez se enlazan para formar moléculas
y estas a su vez se unen para formar diferentes sustancias qufmicas .. El
átomo está formado por un grupo de electrones contenidos en capas con
diferentes niveles de energfa alrededor de un núcleo. El núcleo contiene un
número determinado de protones, neutrones y una cantidad de particulas
subatómicas llamadas quantum.
Los electrones tienen carga eléctrica negativa. La estructura en la
cual se ordenan los electrones en los átomos determina su afinidad por los
enlaces con otros átomos. Un átomo con exceso o deficiencia de electrones
tiene una carga eléctrica y se le llama ión. En un circuito eléctrico, el ión con
deficiencia de electrones es positivo, y se dirige al cátodo, por lo tanto se
llama catión. Los cationes más comunes en los organismos vivos son de
sodio Na+, potasio~. hidrógeno H2+, calcio ca++ y de aluminio Al+++. El ión
con exceso de electrones se llama anión, tiene carga negativa y en
electrólisis se dirige al ánodo. Los aniones más comunes en los organismos
vivos son de cloro Cl-, flúor F-, Bromo er·, oxigeno 02- y de nitrógeno N-.
25
Capítulo JI
Los átomos qulmicamente estables son los que tienen en su última
capa 8 electrones y son los gases nobles, por lo tanto, no reaccionan con
nada. Los átomos intentan completar su última capa con ocho electrones,
esto hace que traten de expulsar o atraer otros electrones. Si se encuentran
dos átomos con carga eléctrica diferente, se atraen y forman un enlace para
estabilizarse qulmicamente [7]. Como ejemplo la mostrada en la ecuación 1.
Na• + cr catión + anión
~ NaCI
~ cloruro de Sodio
(1)
Los elementos formados por enlace iónico se reconocen fácilmente
porque son solubles al agua, y cuando se le aplica electricidad presentan una
resistencia relativamente baja al paso de la corriente eléctrica. Un cuerpo es
insoluble cuando no se puede disolver en otro, ejemplo: arena en agua. La
concentración es la cantidad de soluto (material que se disuelve) contenido
en una solución. Solución saturada es cuando el soluto no se disuelve mas y
está a punto de precipitar. Sobresaturada es cuando comienza a precipitar.
En medicina la concentración normalmente se da en moles, donde un mol
son 3x1 ~3 moléculas de sustancia.
La conductividad eléctrica en las soluciones, depende de la
concentración y de la temperatura de los elementos que la forman. Conduce
mas a mayor concentración y a menor temperatura. También influye el
porcentaje de ionización del soluto. Al agregar una gota de sustancia a una
solución, éstas comienzan a moverse hasta cubrir todo el área de la solución
que las recibió, esto se debe al rechazo molecular entre los elementos de la
misma especie, este efecto se conoce como Difusión. De tal forma se dice
que la difusión es el movimiento molecular de una sustancia de un punto de
mayor concentración hacia otros de menor concentración. El tiempo de
difusión es dado por el cuadrado de la distancia que abarca y el gradiente de
concentración de la solución donde se realiza.
26
Capítulo JI
La difusión es la causa de que dos soluciones separadas por algún
tipo de membrana semipermeable, generen una diferencia de presión. A esta
diferencia de presión se le conoce como presión osmótica (8].
El efecto de osmosis se puede ilustrar en un experimento simple: un
envase con agua azucarada, cuyas paredes son permeables al agua pero no
al azúcar, se mete en un tanque con agua pura, figura 2.4. Como
consecuencia del efecto de difusión, parte del agua pura pasa al envase con
la concentración azucarada, generando un aumento en la presión "P" del
mismo.
A p
L.-----......,..-. B
Figura 2.4. Experimento demostrativo del efecto de osmosis.
La presión osmótica "P", vista en la figura 13 como la diferencia de
altura dada en la columna por los niveles A y B, viene expresada por la
ecuación 2.
C*R*T P=--
M
Donde: C =Concentración de la solución.
M = Peso molecular del soluto
T =Temperatura en O oK
(2)
R =Constante de los gases perfectos 8,316x10"7 ergios.
27
Capítulo II
2.3 Principios del funcionamiento celular.
La célula es una masa de protoplasma pequena, microscópica,
envuelta por una membrana semipermeable y con actividad biológica propia.
Es capaz por si misma o en conjunto con otras células de realizar funciones
fundamentales para la vida. Para que la célula viva, debe estar rodeada de
un medio Uquido en donde pueda descargan los desechos que produce y por
el efecto de difusión, pueda obtener los nutrientes y el oxigeno "02" que
requieren para vivir.
Vivir implica una acción y esto causa la utilización de energia que, a
nivel celular, debe reponerse de los enlaces quimicos (carbohidratos,
proteinas, lípidos, etc.) en forma de una molécula llamada adenosin trifosfato
o ATP. El ATP libera gran cantidad de energia cuando se rompe, este
proceso se conoce como metabolismo y se describe en el ciclo de Creps, el
cual consiste en usar el NADP en el proceso final de los ácidos grasos para
producir NADPH2, que con el oxigeno 02 completa el ATP y libera C02.
Pero la célula no puede almacenar ATP, sino que lo produce en la
medida en que se utiliza, por lo tanto requiere de un suministro constante de
0 2 que obtiene del medio Uquido que la rodea. Esto es posible por el efecto
de osmosis causado por la diferencia de concentración de las soluciones a
ambos lados de la membrana celular, permitiendo el intercambio de 02 y .
sustancias nutritivas hacia dentro de la célula, por co2 y elementos de
desecho que son expulsados.
Para evolucionar e incrementar su actividad, la célula requiere
aumentar de tamano, pero esto es limitado por los requerimientos de
consumo que se obtienen por la membrana, debido a que Jos incrementos de
volumen se suceden en una proporción de r, donde "r" es el radio de la
célula, mientras que los incrementos de la superficie de la membrana se
hacen en una proporción de r2, lo cual es insuficiente para un incremento a
partir de un determinado tamano limite.
28
Capítulo JI
Para desarrollar labores mas complejas de las que una sola célula
podria realizar, la evolución de las especies asintió que se reunieran grupos
de ellas que compartian las actividades aumentando su expectativa de vida,
pero esto creo otros problemas como la acumulación de desechos en los
fluidos aledanos a cada célula y un incremento en los requerimientos de
transportar oxigeno y nutrientes a las células que se encuentran mas
alejadas del fluido exterior.
El problema de compensación con el medio externo se solucionó con
la especialización en las actividades de subgrupos de células, asi se
desarrollaron diferentes sistemas como el respiratorio que permite el
intercambio de gases con el medio externo, el circulatorio que permite
equilibrar la concentración de los gases en el medio interno y lleva los
nutrientes que se obtienen del sistema digestivo a todos los tejidos celulares
del organismo, el sistema renal que se encarga de limpiar los desechos que
son arrastrados en el fluido sanguineo, etc.
Todos los sistemas en el organismo pluricelular funcionan al unísono
con el propósito de preservar la vida, pero esto solo se puede lograr si todo el
conjunto se adapta a los cambios de concentración de los elementos del
medio interno, en función de los niveles de metabolismo que se presenten en
el tiempo, para esto se especializo una red de administración y control
llamado sistema nervioso. El sistema nervioso controla el organismo por
medio de impulsos eléctricos llamados estímulos de biopotencial, que
generan una reacción en la célula que se conoce como despolarización
celular.
En condiciones normales, los fluidos en el interior de la membrana
celular y el liquido extracelular contienen una cantidad de elementos
químicos en forma de iones. La diferencia de concentración de estos iones
dentro y fuera de la célula establecen una diferencia de potencial eléctrico
determinado entre la parte exterior e interior de la membrana, el cual es
llamado potencial de acción o potencial de membrana, figura 2.5.
29
Capítulo II
Figura 2.5. Concentración i6nica en la célula.
Si consideramos la parte externa de la célula como referencia
eléctrica o nivel de potencial cero, se puede referir al potencial como el
voltaje medido en el interior celular, que en condiciones normales y sin
excitación, se le conoce como potencial de reposo.
Las bases iónicas del potencial de acción en la mayoria de las
células del cuerpo, la establece la concentración del K+ y del Na+. En un
individuo sano y en condiciones de reposo celular, el K+ es 30 veces mayor
en el interior de la célula que fuera de ella, y el Na+, está 1 O veces más
concentrado fuera de la célula que dentro.
En condiciones de reposo, la membrana celular es permeable al K+
pero no al sodio, por el efecto de osmosis las cargas positivas que salen
(iones de potasio) generan una diferencia negativa interna respecto a la
externa, hasta que la fuerza de atracción de cargas se equilibre con la fuerza
quimica de difusión deteniendo el movimiento de iones.
Cuando la difusión se realiza entre elementos de carga eléctrica
neutra el desplazamiento molecular es motivado solo por fuerzas quimicas y
se hace hasta homogenizar la sustancia. Si las partrculas que se difunden
son iones se está produciendo· un movimiento de cargas eléctricas
generando una diferencia de potencial, que a su vez crea una fuerza de
campo eléctrico que trata de evitar el desplazamiento de estas cargas.
30
Capítulo II
Ambas, la fuerza qufmica que trata de difundir la sustancia, y la
fuerza eléctrica que trata de frenar la difusión, buscan un punto de equilibrio
hasta encontrar que las cargas no se muevan. La diferencia de potencial
(EX+) que se establece entre dos medios separados por una membrana
permeable (XA+ y XB+), en el punto de equilibrio entre las fuerzas qufmica y
eléctrica, puede ser determinada por la ecuación 3, llamada ecuación de
Nernst.
Donde: R = 8.31451 J*mol*oK
T = temperatura en el medio en que se difunde.
F = constante de Faraday = 96 500 Coulom/mol
Z = valencia del ion que se difunde
(3)
R y F son constantes, la temperatura del medio se conoce, siendo en
los mamfferos de 37 oc y haciendo una conversión matemática simple del
logaritmo neperiano a logaritmo base diez, la ecuación de Nernst queda
expresada por la ecuación 4.
E _ 61.5 *I [xB+] X+ ___ og~
z tXA+J (4)
En la Tabla 1 se muestran tos valores del potencial de equilibrio para
la diferencia de concentración en algunos de tos iones que se encuentran
entre tos fluidos intracelular y extracelutar.
31
Capítulo JI
Elemento Interior celular Exterior celular Pot. de equil.
Tipo de ión XA+ (mmol/lt) XB+ (mmol/lt) EX+ (mV)
K+ 150 4.5 -93.66
Na+ 10 145 71.42
Cl+ 4 110 -88.5
Ca++ 0.0001 2 132.26
Tabla 1. Potencial de equilibrio celular en función de la concentración iónica.
Experimentalmente se sabe que el K+ es el principal responsable por
el potencial de reposo, el cual se establece en mas o menos unos -70 mV.
Cuando la célula se estimula, en la membrana se activan una serie de
canales que la hacen permeable al sodio, entrando precipitadamente, y
sacando gran cantidad de potasio, haciendo que la parte interna se haga
positiva, a este proceso se le llama despolarización, figura 2.6.
m V
Pr = -70t------'
Tr ~-------JIIol
E e
Figura 2.6. Curva de despolarización celular.
Donde: Tr = Periodo refractario.
Pr = Potencial de reposo.
Ee = Estímulo eléctrico.
32
Tiempo
Capítulo II
Después del estimulo, la membrana celular solo es permeable al
sodio por medio milisegundo (0,5 ms). Luego se cierran los canales y se
vuelve impermeable, comenzando el proceso para restablecer el potencial de
reposo, para esto, el Na+ que entro debe ser sacado en lo que se conoce
como transporte activo de la membrana celular.
Al transporte activo de la membrana celular se le da el nombre de
bomba sodio potasio, en el proceso se extraen 3 moléculas de Na+ por cada
2 moléculas de K+ que se meten, hasta alcanzar el potencial de reposo.
Cuando una célula esta despolarizada no admite otro estimulo eléctrico, pues
los canales voltaje dependientes no responden hasta después de alcanzar un
nivel próximo al potencial de reposo, durante este tiempo se dice que la
célula está en periodo refractario o Tr.
La célula muscular se contrae cuando le llega un estimulo eléctrico,
esto se debe a que entran iones de calcio los cuales hacen que se libere el
calcio que se encuentra acumulado en el interior celular causando la
contracción. Para mantener una contracción sostenida, Jos estrmulos son
aplicados en forma repetitiva, Incrementando el esfuerzo en la medida en que
se incrementa el número de impulsos en el tiempo, hasta un lfmite
determinado por la refractariedad y/o el agotamiento de la fibra muscular. La
contracción sostenida que no deja relajar el músculo se llama tétano
muscular, y es una condición que se evita en el corazón [9].
2.4 Mecánica del sistema cardiovascular.
El sistema circulatorio está formado por tres elementos esenciales, la
sangre, el corazón, y una red de conductos formados por las arterias y las
venas. La sangre es un fluido que circula por todo el organismo, está
compuesto por plasma sanguíneo y 2 tipos de células sangufneas, los
eritrocitos o glóbulos rojos y los leucocitos o glóbulos blancos.
33
Capítulo JI
El corazón, figura 2.7, es uno de los órganos mas importantes del
cuerpo, debido a que constituye la bomba que impulsa la sangra a moverse,
está ubicado en la caja torácica, ligeramente a la izquierda del organismo y
delante del espacio pulmonar [1 0].
Vena cava superior
Arteria pulmonar
Aurlcula derecha
V.álvula mitral
Vena cava inferior --:>t!~i
Figura 2.7. Corte transversal del corazón.
La estructura del corazón está formada por un conjunto muscular
llamado miocardio, el cual contiene cuatro cámaras independientes, dos
superiores llamadas aurículas y dos inferiores o ventrículos. El corazón
cuenta con 4 válvulas que evitan el reflujo de la sangre y en conjunto con la
contracción coordinada, permite generar el movimiento de la sangre en un
solo sentido.
La red de conductos por donde pasa la sangre está formado por
venas y arterias. Las arterias, que es por donde sale la sangre del corazón, y
las venas que es por donde retorna. Todo el sistema circulatorio se compone
por dos circuitos, el circuito vascular principal, y el circuito pulmonar.
El circuito vascular principal es el más grande, se inicia en la arteria
aorta y se ramifica en múltiples conductos cada vez mas finos llamados
arteriolas, hasta los vasos capilares en donde se produce el intercambio, que
es en esencia la función principal del sistema circulatorio.
34
Capítulo JI
Después que la sangre ha entregado las sustancias requeridas por
los tejidos y arrastrado los desechos, pasa a la red venosa que se inicia en
las vénulas, que después se unen en venas cada vez mas gruesas hasta
retornar por la vena cava, la cual lleva la sangre a la aurícula derecha, para
luego pasarla por medio de la válvula tricúspide al ventrículo derecho.
Cuando el corazón se contrae, la sangre es bombeada a la arteria pulmonar
a través de la válvula sinoidea pulmonar, en donde comienza el segundo
circuito.
El circuito pulmonar es mas corto, solo lleva la sangre por las arterias
pulmonares, ramificándose hasta los capilares que están en contacto con los
alvéolos, luego se recoge en la red venosa que la retorna a la aurícula
izquierda, que luego la pasa al ventrículo izquierdo por medio de la válvula
mitral o bicúspide, para luego ser bombeada de nuevo a la aorta por el
ventrículo izquierdo a través de la válvula sinoidea aórtica, iniciando un
nuevo ciclo [11].
El trabajo cardiaco se divide en dos etapas, una etapa de contracción
llamada sístole, en la cual el miocardio se despolariza y se contrae para
bombear la sangre y una de relajación llamada diástole, en la cual el músculo
cardiaco se repolariza, dilatando las cavidades internas para que se llenen de
sangre. Para que la contracción cardiaca sea eficiente debe seguir una
secuencia coordinada. Primero se contraen las aurículas, contribuyendo
hasta con un 30% del llenado total de los ventrículos, luego los ventrículos
que son efectivamente los que generan el diferencial de presión que es
transmitido a la red arterial.
Toda la secuencia de contracción se inicia el nodo signo auricular (o
nodo SA) en donde se genera de manera autónoma el impulso de
biopotencial. La demora para la repolarización celular en el miocardio tiene
una duración mayor que en las demás células del cuerpo, figura 2.8,
alargando el periodo refractario y por lo tanto haciendo mas lenta la
conducción del impulso.
35
Capítulo JI
m V De la célula can::liaca mv Del resto de las células
-90 t ~-----------------Pt
Figura 2.8. Sef\al de biopotencial en las células.
Como las aurículas y los ventrículos están separados por un cuerpo
calloso que Jos aísla eléctricamente, la señal de biopotencial solo puede ser
llevada a los ventrículos, por una ramificación llamada haz de Hiz. El haz de
Hiz parte del nodo aurículo ventricular o nodo AV y termina en el sistema de
Purkinje en cada uno de los ventrículos, esta red aurículo ventricular conduce
mas lentamente el impulso de biopotencial generando la demora requerida
entre la contracción auricular y la ventricular.
La señal de biopotencial que se desplaza por todo el músculo
miocardio, es conducida hasta la piel en la superficie del cuerpo, en donde se
puede obtener una señal eléctrica que refleja el funcionamiento mecánico del
corazón, figura 2.9. A esta señal se le conoce como ECG y se presenta como
resultado del movimiento de cargas eléctricas dadas por los dipolos que se
forman como consecuencia de la despolarización en etapas del miocardio.
La señal originada en el nodo SA y la despolarización de la aurícula
generan la primera protuberancia en el intervalo P, luego el desplazamiento
de la señal por las ramas del haz de Hiz y la contracción ventricular producen
la forma mas elevada de la señal en el intervalo QRS. La protuberancia en la
última etapa de la curva de la señal ECG es dada como consecuencia del
final de la despolarización y el comienzo de la repolarización de los
ventrículos y marca el inicio de la diástole en el ciclo cardiaco [12].
36
Capítulo II
NodoSA --- -·-- -- --------- .. ~
Nodo slnoouricular
fosdculo posterior izquierdo 0.2 0.4 0.6
Tiempo (seg)
Figura 2.9. Obtención de la sef'lal ECG.
La senal ECG no es fácil de adquirir sino que, al igual que el resto de
las senales biológicas, tiene características que dificultan su captación, tales
como una pequena amplitud que requiere de gran amplificación y una
frecuencia de trabajo que cubre a otras senales que se mezclan con esta y
que generalmente son de mayor amplitud, conocidas como ruido.
2.5 Medición de las señales eléctricas del cuerpo.
Las senales del cuerpo, recogidas por los electrodos, normalmente
son muy pequenas y provienen de fuentes de alta impedancia. Los equipos
utilizados para medir estas senales requieren de una impedancia de entrada
aún mayor que la del cuerpo para amplificar la sen al manteniendo fidelidad.
Se buscan impedancias de entrada que estén ente 2 y 10 megohmios (MQ),
mientras que la salida debe ser de baja impedancia para que el acoplamiento
con otros circuitos no sea un problema.
37
Capítulo JI
El electrodo es la interfase de iones metálicos en disolución con sus
metales asociados, el cual da lugar a un potencial eléctrico que se denomina
potencial del electrodo, este potencial es un resultado de la diferencia de
ritmos de difusión de iones hacia adentro y hacia afuera del metal. los
electrodos pueden ser superficiales o no invasivos y de penetración o
invasivos. los superficiales generalmente son unas placas metálicas
colocadas sobre la piel. También pueden ser elementos transductores, como
por ejemplo los sensores de presión como el "straingage" y el piezoeléctrico.
los electrodos de superficie se utilizan con gelatina o pasta
conductora, también se suele usar o un algodón impregnado en una solución
salina. En estos electrodos se recogen la sumatoria de las señales que llegan
a la zona, por lo que se utilizan para regiones grandes y no son
recomendados para puntos especfficos. Los electrodos de superficie
normalmente se usan en el electromiograma "EMG", en el
electroencefalograma "EEG" y en el electrocardiograma "ECG".
Los electrodos pueden ser permanentes o desechables, se
recomienda que el acoplamiento sea lo mejor posible, raspando la piel,
limpiando los electrodos, etc. Existen electrodos duros, flexibles y los más
costosos que tienen un preamplificador en el mismo y son llamados
electrodos activos.
los electrodos invasivos son los que penetran en el cuerpo, con
agujas o conexiones internas bajo la piel. Son fijos y se usan para medir
señales puntuales de porciones pequeñas de tejidos, o como terminales
eléctricas en equipos biónicos, como el marcapasos. Son de uso común en el
quirófano y en áreas de cuidados intensivos. Se construyen de zinc
tungsteno, aleaciones de platino o acero inoxidable. No se puede usar cobre,
plata, o materiales con algún contenido de plomo o mercurio, porque son
metales tóxicos para la célula.
Los electrodos generalmente son monopolares, porque tienen un
solo contacto eléctrico con la piel, por lo tanto con cada uno de estos se toma
38
Capítulo JI
una diferencia de potencial con respecto a un punto común. Si se tienen dos
contactos o terminales en cada electrodo, se les llama bipolares [13].
Una vez que se toma la señal el problema se centra en amplificar
estos potenciales tan bajos, inclusive en el orden de los micro voltios, que se
encuentran mezclados con señales de ruido que pueden tener una amplitud
100 veces mayor. Los amplificadores son circuitos electrónicos utilizados
para magnificar las señales registradas por los transductores corporales,
permitiendo de esta manera que puedan ser manipuladas para los propósitos
finales.
El amplificador de un electrocardiógrafo debe trabajar en un ancho
de banda que cubra el rango de frecuencias en las cuales opera la señal que
se desea medir, esto es importante para no perder información y para que,
en lo posible, no se amplifiquen las señales que no interesan, mejorando la
relación señal-ruido.
En la figura 2.10 se observa un estimado del rango de trabajo de
cinco tipos de amplificadores de biopotencial, donde el eje vertical señala la
amplitud de la señal que se desea medir, y el eje horizontal indica el ancho
de banda requerido para el amplificador.
m IJ •
10 o
o AAP
EMG 1 ECG
o. 1 EEG
EOG
1 .. .. 10 100 1k 10k 100k Hz
Figura 2.1 O. Ancho de banda de las seflales de biopotencial.
39
Capítulo Il
Donde: EOG = Electro oculógrafo, que mide la señal de los
músculos del ojo.
EEG = Electroencefalógrafo, para medir las señales del
cerebro.
ECG = Electrocardiógrafo, para las señales del corazón.
EMG = Electromiógrafo, mide las señales de las
contracciones musculares.
AAP = Potencial eléctrico del axón de las neuronas.
La dificultad principal de amplificar señales tomadas de un organismo
viviente es que el mismo interactúa con el medio sirviendo de antena para
infinidad de ruidos eléctricos. Para minimizar el problema de ruidos, se
utilizan los amplificadores diferenciales.
El amplificador diferencial, figura 2.11, trabaja con tres tomas de
entrada. La señal tomada del ser vivo, compuesta por los valores de
biopotencial y los ruidos de interferencia electromagnética, es aplicada a la
entrada del amplificador como la diferencia de potencial entre las señales
indicadas en el circuito como "V1 +n'' y 'V2+n" con referencia a la toma
común o tierra.
Al Vl'
Vl+n Rl R lOR
Rg 6,8k A3
V2+n Rl R
A2
comun V2'
~ Figura 2.11. Amplificador de biopotencial.
40
Capítulo JI
Si se hace una operación matemática de resta entre las dos señales
se tiene una eliminación de los valores comunes entre ellas. El resultado de
la resta continua entre las señales de entrada deja solo la diferencia de
tensión del biopotencial dada entre "V1" y "V2", discriminando el ruido "n" y
amplificando solo la señal que se desea medir [14], esto puede demostrarse
con la solución de la ecuación 5.
V o = Ad *[ ( V1 +n) - ( V2+n) ] ~ V o = Ad * ( V1 - V2) (5)
Donde: Vo = Voltaje de salida del amplificador
Ad = Ganancia diferencial del amplificador.
V1 = Voltaje de entrada 1.
V2 = Voltaje de entrada 2.
n = Ruido electromagnético.
Normalmente estos amplificadores son de baja ganancia por lo que
la amplificación total se logra en etapas sucesivas A 1, A2, ... An, para lo cual
se usa el amplificador en cascada, donde la ganancia se multiplica de una
etapa a otra [15], tal como se demuestra en la ecuación 6. ,
Vo = Vin * (A1 * A2 * ... * An). (6)
2.6 El electrocardiógrafo.
Los conocimientos sobre la fisiología del sistema cardiovascular han
establecido las pautas que indican a los médicos el origen y el significado de
las señales eléctricas que se originan en el cuerpo, dando pie a la aplicación
de la electrocardiografía en el tratamiento de pacientes.
La electrocardiografía, es el procedimiento que permite geherar un
diagnóstico sobre el estado de funcionamiento del corazón, utilizando el
41
Capítulo II
registro de la actividad eléctrica del mismo. El electrocardiógrafo es el
instrumento utilizado para realizar los registros de las señales eléctricas
provenientes del corazón, en el formato estandarizado del ECG.
Los primeros estudios sobre la corriente eléctrica que se origina en
el corazón datan de finales del siglo XIX y se basaban en la utilización de un
electrómetro capilar. Fue solo hasta principios del siglo XX, con el diseño del
galvanómetro de alambre, que se impulsó la electrocardiografía.
Willem Einthoven (1860-1927), médico holandés. Recibió el Premio
Nóbel de Fisiología y Medicina en 1924 por la invención del
electrocardiógrafo. Fue el primer investigador en desarrollar procedimientos
de diagnóstico basados en la electricidad generada por órganos y tejidos.
En la ciudad de Holanda, Einthoven se interesó por los
procedimientos de diagnóstico y en 1903 construyó un galvanómetro de
alambre para medir la corriente producida por la actividad del corazón. El
mecanismo básico de ese instrumento consiste en el uso de una cantidad
muy pequeña de la corriente eléctrica producida por el latido del corazón
para desviar un conductor metálico situado en un campo electromagnético.
Midiendo la magnitud de ese desvío se calcula la magnitud de la corriente
eléctrica. Einthoven siguió mejorando el galvanómetro y consiguió fabricar
uno que ampliaba la desviación del alambre y permitía registrarla en una
cinta de papel continuo, produciendo un electrocardiograma, es decir, un
trazo gráfico de la actividad del corazón.
En el electrocardiograma, la aguja del galvanómetro sólo se
desplaza hacia arriba o hacia abajo. Cuando la corriente eléctrica que está
registrando un electrodo va en la dirección del mismo, lo que se registra en el
electrocardiograma es una onda positiva, es decir un desplazamiento de la
aguja del galvanómetro hacia arriba; por el contrario, si lo que está
registrando el electrodo es una corriente eléctrica que se aleja de él, lo que
se obtendrá en el registro es una onda negativa, por el trazado que origina la
aguja del galvanómetro al desplazarse hacia abajo.
42
Capítulo JI
Las principales partes de un ECG son: la onda P, una onda más o
menos sinusoidal que refleja la descarga eléctrica que se origina y propaga
por las aurículas; el complejo QRS, que muestra el paso de la onda eléctrica
a los ventrículos y la activación de éstos; y la onda T, señal de la
repolarización de los ventrículos, figura 2.12. El electrocardiograma es
extremadamente útil para el diagnóstico y control de las arritmias cardiacas,
de la angina de pecho y del infarto agudo de miocardio [16].
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Figura 2.12. Gráfico impreso de una parte del ECG.
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El electrocardiógrafo moderno está compuesto por muchos
elementos implementados para mejorar las características de su
funcionamiento, pero básicamente este instrumento consta de tres partes: un
sistema de amplificación, una etapa de graficación y un mecanismo de
registro o grabación de la información. La diferencia principal que se puede
establecer entre los equipos que son ofrecidos en el comercio recae en las
características de los elementos que utiliza para cumplir su propósito, de tal
forma los electrocardiógrafos modernos pueden clasificarse en dos tipos, los
analógicos y los digitales.
43
Capítulo JI
2.6.1 El electrocardiógrafo analógico.
El electrocardiógrafo analógico es el instrumento básico, que fue
desarrollado desde un principio y su característica principal radica en que
todos sus elementos manejan señales analógicas. En los equipos analógicos
la amplitud de la señal eléctrica está dada por una función continua en el
tiempo. Los elementos de un equipo analógico son asíncronos, es decir que
no dependen de un patrón de sincronismo y están diseñados para responder
en forma autónoma a los cambios del sistema. Las partes que componen a
los electrocardiógrafos analógicos consisten en:
• Una etapa de amplificación, que discrimina el ruido y aumenta
la amplitud de la señal de biopotencial tomada del paciente.
• Un galvanómetro, que indica la magnitud de la señal.
• Un sistema de registro, que consiste en un mecanismo
compuesto por una aguja calefactor fijada al galvanómetro,
que permite dibujar la gráfica de la señal ECG sobre un papel
cuadriculado, que se desplaza a una velocidad constante.
La principal ventaja de los electrocardiógrafos analógicos radica en la
sencillez de su sistema. Se trata de un instrumento de aprobada
trascendencia, cuya elaboración es económica, que pueden ser portátiles y
su utilización es de fácil manejo, es por consiguiente, un equipo médico que
puede estar en disposición de quien lo requiera.
Los problemas mas relevantes que afectan el funcionamiento del
electrocardiógrafo analógico son las fallas que se presentan sobre el
mecanismo de registro y la poca versatilidad que representa la información
registrada en papel. las fallas sobre el sistema mecánico radican en que se
presenta un desgaste físico constante que depende del número de veces que
se utilice el instrumento y que a la larga puede desencadenar fallas en el
arrastre del papel, daños en la aguja calefactor o roces mecánicos en el
galvanómetro.
44
Capítulo 11
Los problemas que se presentan con la información registrada en
papel radican en que no es posible realizar análisis matemáticos automáticos
de los registros realizados con anterioridad y lo que es mas grabe es que la
información se pierde con el deterioro del papel.
2.6.2 El electrocardiógrafo Digital.
En Jos equipos digitales la señal es representada por un conjunto de
valores que indican la amplitud en intervalos constantes de tiempo dados por
el periodo de muestreo. Los electrocardiógrafos digitales realizan la misma
función que los analógicos pero se diferencian en que el manejo de
información se realiza en forma digital. El sistema de amplificación de los
electrocardiógrafos digitales funciona igual que en los analógicos, de hecho
las características de amplificación, acoplamiento de impedancias y rechazo
en modo común son idénticas. Las etapas de graficación y registro de
información de los electrocardiógrafos digitales son electrónicas, por lo tanto
no requiere de componentes mecánicos.
La digitalización de la señal del ECG se realiza después que ha sido
amplificada y consiste en convertir el valor instantáneo de la amplitud en una
información numérica, en periodos sucesivos de tiempo.
La etapa electrónica que se encarga de la conversión del valor de la
amplitud en un número, es conocida como convertidor de analógico a digital,
la rapidez con que realiza la operación con una muestra se llama velocidad
de conversión y el numero de veces que se realiza la conversión por unidad
de tiempo se le conoce como frecuencia de muestreo.
En los electrocardiógrafos digitales, la señal digitalizada del ECG
normalmente se transmite a un computador, donde se puede almacenar,
analizar matemáticamente, graficar en una presentación visual en pantalla,
figura 2.13, o realizar una impresión en un papel normal [17].
45
Capítulo 11
Figura 2.13. Gráfica de un ECG digital de un equipo comercial.
Las ventajas del electrocardiógrafo digital radican principalmente en
la versatilidad del manejo de información en el computador. La posibilidad de
utilizar las herramientas de Zoom para visualizar hasta los mas pequeños
detalles en la presentación gráfica en pantalla, la generación de un banco de
datos que puede ser archivado de manera perenne sin riesgo de perdida de
la información recopilada y la capacidad para realizar análisis matemáticos
sobre los datos almacenados en los registros electrocardiográficos,
representan grandes e inalcanzables ventajas que solo puede proporcionar el
electrocardiógrafo digital.
Las desventajas de los electrocardiógrafos digitales se hacen
presentes en el elevado costo de los equipos y en un incremento de
complejidad en la utilización del sistema.
En la actualidad la manera mas práctica y eficiente de manejar el
proceso de digitalización y establecer la transmisión de la información al
computador es con el empleo del microcontrolador.
46
Capitulo II
2. 7 Introducción a los microcontroladores.
El microcontrolador (J.LC) es una evolución del microprocesador
moderno. Se trata de la unidad central de procesamiento integrada con los
elementos básicos que requiere para funcionar como un circuito
independiente, así un J.LC es prácticamente una unidad autónoma de
procesamiento y control.
La utilización del microprocesador viene determinada por el elevado
nivel de complejidad que han alcanzado los disefíos de autómatas
secuenciales, en los que las salidas no solo dependen de las entradas sino
también de los datos proporcionados durante el proceso, del estado anterior
de las salidas, o bien de un programa interno almacenado.
Un J.LC es una maquina de operación general que en un momento
dado se destina para algo en especial. El trabajo del J.LC es regido por un
listado de instrucciones elaboradas con códigos que sean entendibles por el
operador de la misma, pero ordenados en una secuencia lógica de forma que
el J.LC pueda procesarlos en el cumplimiento del objetivo asignado. A este
conjunto o listado de instrucciones se le conoce como instrucciones de
maquina o rutina de programa.
Cuando el J.LC ejecuta las instrucciones programadas, se comunica
con los elementos básicos interconectados en el mismo circuito integrado, los
cuales responden a la secuencia de acciones que conllevan al cumplimiento
del objetivo de control. Estos elementos sirven para el manejo de datos,
generar tiempos de retardo y otras funciones.
Todos los datos dentro del J.LC y la comunicación con él, están en
binario. Las instrucciones para trabajar con este dispositivo, las dispone el
fabricante, en arreglos de uno o mas byte llamadas palabras de máquina.
Dependiendo del fabricante algunos J.LC usan 16, 32 y hasta 64 bits para una
misma palabra de máquina (18].
47
Capítulo II
El f.LC está compuesto por los elementos básicos del
microprocesador y una serie de bloques de trabajo con funciones
especificas. Los elementos básicos en la arquitectura del f.LC están
conformados por: el reloj, el acumulador o registro de trabajo, la unidad
aritmética lógica o ALU, el contador de programa, la pila o apuntador, el
registro de instrucciones o IR, el decodificador de instrucciones, los registros
especfficos y Jos registros de propósito general.
El registro de trabajo o acumulador, también conocido como registro
W, es una localidad de memoria destinada a almacenar por lo menos una de
las variables que interviene en cada manipulación de la unidad aritmética
lógica, conteniendo el resultado después de la operación. Por ejemplo, para
ejecutar la suma de dos números, uno de los sumandos puede estar en
cualquier registro o en una memoria externa, pero el otro siempre debe estar
en el acumulador, para que una vez ejecutada la operación, el resultado
quede en el acumulador.
La unidad aritmética lógica, es el bloque de trabajo encargado de
realizar todas las operaciones matemáticas relacionadas con la ejecución del
programa. Antes y después de cada acción utiliza el registro de trabajo como
uno de sus elementos de operación y para guardar el resultado.
El contador de programa, contiene la dirección de la instrucción del
programa que se ejecuta, es afectado por las instrucciones de salto y pude
ser escrito para obligar al programa a ejecutar un salto incondicional,
normalmente está precedido del apuntador o pila.
La pila o apuntador, también conocido como Stak Pointer o SP,
consiste en un bloque de memoria donde se guarda la última dirección de la
secuencia del programa que está corriendo cuando se produce un salto. Se
usa para retornar a la secuencia original si la llamada de salto fue a una
subrutina. Por ejemplo cuando se llama a una subrutina con Call xxxx, al
finalizar con la instrucción return, se devuelve a la dirección de la última
instrucción antes del salto.
48
Capítulo JI
Si se requiere el uso de una subrutina dentro de otra subrutina,
también llamadas subrutinas anidadas o Nestep, todas las direcciones de
cada salto son arrumados en la pila, permitiendo retornar en la misma
secuencia en la que se sucedieron los eventos de salto. Si el número de
saltos guardados en la pila es superior a su capacidad de almacenamiento se
dice que la pila se desborda, perdiéndose la dirección de los primeros saltos.
El registro de instrucción o IR, es donde se codifica el tipo de
instrucción que se va a ejecutar, ejemplo: suma, mueva, salte, etc. El
decodificador de instrucciones, es el bloque encargado de interpretar las
instrucciones dadas al microprocesador. Este bloque debe decodificar la
acción y asignar el trabajo a los elementos internos del microcontrolador.
Los registros especificas son las unidades de memoria donde se
guardan los comandos de asignaciones de trabajo de cada elemento que
compone al JJ.C. También es donde se contienen los flag o banderas que se
generan como resultado de algún evento.
Los registros de propósito general, son las unidades de memoria que
se utilizan durante el programa para guardar el valor de las variables
utilizadas durante el proceso [19].
La empresa MICROCHIP lanzó al mercado una serie de
microcontroladores bajo la nomenclatura PIC, donde los mas conocidos son
la serie PIC12xxx y PIC16xxx en encapsulados que van desde 12 hasta 40
patas según el modelo.
Según la nomenclatura los JJ.C de la serie PIC se dividen en la gama
baja, la gama media y la gama alta, ofreciendo mas elementos adicionales en
los dispositivos en la medida en que aumenta su estatus. Esta clasificación
seriala la diferencia que permite seleccionar un J.LC dependiendo del trabajo
que se desee realizar, entre la cantidad de funciones que pueden
desemperiar los diferentes dispositivos, de tal forma los microcontroladores
de la gama baja cuentan con muy pocos recursos adicionales, mientras que
los de la gama media o alta están mejor equipados [20].
49
Capítulo JI
Para satisfacer los requerimientos de este proyecto se ha
seleccionado el microcontrolador PIC16F877. Este JJ.C tiene una arquitectura
RISC avanzada la cual se caracteriza por la independencia entre la memoria
de código y la de datos, permitiendo que el tamano y la capacidad de los
buses se adapten a las necesidades del diseño.
Este tipo de arquitectura tiene un reducido número de instrucciones
que forman su repertorio. Solo consta de 35 instrucciones que se ejecutan en
uno o dos ciclos de instrucción, donde cada ciclo de instrucción consta de 4
ciclos de reloj. Este J.LC tiene las siguientes características:
• 8 K palabras de 14 bits en memoria de código, tipo FLASH.
• 368 bytes de memoria de datos RAM.
• 256 bytes de memoria de datos EEPROM.
• Hasta 14 fuentes de interrupción internas y externas.
• Pila con 8 niveles.
• Modos de direccionamiento directo, indirecto y relativo.
• Código de protección programable.
• Modo SLEEP de bajo consumo.
• 3 tipos de temporizadores.
• Dos módulos de Captura-Comparación PWM.
• Comvertidor AJO de 1 O bits, con 8 posibles canales de entrada
• 5 unidades de puertos para un total de 33 lfneas de EIS
• Puerto serie síncrono (SSP) con SPI e 12C.
• Puerta paralela esclava (PSP).
El diagrama de la figura 2.14, muestra la estructura interna del J.LC
PIC16F877. La memoria de código está direccionada por el contador de
programa, en conexión con la pila de 8 niveles. La memoria de datos RAM
contiene el banco de registros específicos y los de propósito general.
Finalmente, el camino de datos esta formado por una unidad aritmética lógica
o ALU de 8 bits que trabaja directamente con el registro de trabajo W.
50
Capítulo II
MEMORIA DE CÓDIGO (flASH)
1)
PilA 8 NIVELES DE 13 BITS
,. - .. -------. 1 TEMPORIZADOR DE 1
CONEXIÓN DE POTENCltl 1
TEMPORIZADOfl DE IN:CIO
RESET BROWN-OUT
DEPUilACIÓN EN CIRCUITO
1 PllOGAAMACIÓN CQI'; 1
BAJO IIOVAJE
. -~- -~- ~ -·
MEMORIA DE DATOS (SRAM)
PU(RfA A .. ------ ... 1
1 RA',/A,,I
RA!¡A"2
RAl/A.Nl/\r011
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:+ ... 00 RCO¡TIOS0,1JtKJ
RCt/rlOSI/CU'!.
RC"l/CCPI
RO/SCK/~Cl
RC4/SDI/SDA !+ .. 00 RCS/500
!+ ... M RC6/TX/CK
!+ .... .rst\ RC7/RX/DI
:+ ... 00 RDOIPSPO
ROJ(PSPI
!4-.. fi{l R02/PSP2
RDJ/PSP J
R04/PSP4 Rn;,p~pr;
Rl )ft, PSPta
Rn"" p..,p-
r·------. 1 1 1 1 1
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RE 1, Al\lb \'V f.: U
1 RU,AN .. ( "1:1'
1 1 : _______ !
Figura 2.14. Arquitectura interna del microcontrolador PIC16F877.
El J.LC PIC16F877 utiliza una memoria FLASH para cargar el listado
de instrucciones en una operación de borrado y escritura del tipo EEPROM,
que se realiza en forma serial desde un computador personal. Las
instrucciones son cargadas desde el computador codificadas en un archivo
con formato lntel (archivo.hex).
51
Capítulo JI
Un archivo ".hex'' se elabora compilando un programa diseñado en
lenguaje de bajo nivel como el Ensamblador, pero se puede usar cualquier
lenguaje de programación, como el lenguaje C, en programas preparados
para trabajar con microcontroladores [21].
Para desarrollar el software que condiciona el f..LC como elemento
central de la interfase de este proyecto, se empleó el programa MPLAB de la
Microchip suministrado por Multipress (1999), que dispone de un editor para
lenguaje ensamblador y un simulador que permite probar la secuencia de
instrucciones para corregir los errores y depurar el programa.
2.8 Protocolo RS232
La señal ECG, una vez que ha sido digitalizada, debe ser transmitida
al computador. En el diseño de este proyecto se implemento la comunicación
serial con protocolo RS232. Este es un tipo de transmisión de datos que
implementa la transmisión del byte, separando cada bit por periodos de
tiempo constantes definidos como baudio. El número de baudios por
segundo define la cantidad de datos que se pueden enviar por unidad de
tiempo, siendo Jos formatos mas usados el de 9600 y el de 19200 baudios.
En el protocolo serial RS232 se puede ajustar el tamano del dato que se
pretende transmitir, pudiendo ajustarse hasta 8 bits como máximo.
El protocolo RS232 requiere que se transmita un primer bit de valor
lógico "O" que se reconoce como bit de inicio, esto permite al receptor
prepararse para leer la información que le será enviada, seguidamente son
transmitidos los bits del dato y por último uno o dos bits de parada, que
consisten en la colocación del valor lógico de "1" durante uno o dos intervalos
de tiempo según lo seleccionado, esto permite al sistema prepararse para la
transmisión de un nuevo dato.
52
Capítulo JI
En los computadores modernos la transmisión RS232 se caracteriza
por el empleo de +12 voltios como nivel lógico "O" y -12 voltios como nivel
lógico "1", también se debe destacar que cuando se transmite o se recibe
información, el primer bit corresponde a la posición menos significativa o LSB
y el último bit es ocupado por el mas significativo o MSB [22].
Por ejemplo si se desea transmitir el número decimal "67" que en
binario es equivalente a "01000011", en un dato de 8 bits, con un bit de
parada y sin paridad, la transmisión se realizaría tal como se representa en la
figura 2.15.
Bits del Dato
Voltios LSB MSB
o 1 1 o o o o 1 o +12 - -
Tiemp o
'------'--v---' '---v-----1 -12
. . . B1t de 1n1c1o B1t de parada
Figura 2. 15. Transmisión serial del número 01000011 b·
2.9 Requerimientos de seguridad intrínseca.
Una de las características mas importantes en el diseño de equipos
médicos, es la seguridad eléctrica para los usuarios del instrumento, en tal
caso se debe tener en cuenta los riesgos de electrochoque cuando se
manipulan instrumentos que están en contacto directo con las personas y los
peligros inherentes en medios de alto riesgo como los quirófanos, donde
existe la presencia de oxigeno y otros gases inflamables.
53
Capítulo JI
El electrochoque se produce cuando circula una corriente eléctrica a
través del organismo y se presenta como un problema que puede afectar a
toda persona que trabaja con equipos eléctricos. Los efectos van desde un
leve golpe desagradable hasta la muerte.
Para que circule una corriente eléctrica tiene que existir cuando
menos dos conexiones entre el cuerpo y una fuente de tensión externa. La
magnitud de la corriente depende de la diferencia de potencial entre las
conexiones y de la resistencia eléctrica del cuerpo [22].
La corriente eléctrica al pasar por un músculo, produce
despolarización de la célula, causando contracción muscular, siendo el caso
más grave, cuando la corriente pasa por el tórax, afectando órganos vitales
como el corazón.
El paso de corriente eléctrica por el organismo puede causar desde
contracción involuntaria muscular hasta vaporización y destrucción del tejido
muscular. Los rangos de voltaje que pueden causar los efectos de
electrochoque, no son iguales de persona a persona, estos dependen de la
piel del individuo y la concentración salina en sus tejidos. Los efectos que
produce el electrochoque cuando una corriente eléctrica pasa a través del
tórax, se puede clasificar de la siguiente manera:
• Corrientes inferiores a 1 mili Ampere (mA), normalmente no
causan efectos sobre el organismo.
• De 1 a 5 mA, corrientazo leve.
• De 5 a 8 mA, dolor.
• De 8 a 20 mA, contracción involuntaria.
• De 20 a 80 mA, parálisis y dolor intenso.
• De 80 a 1 00 mA, fibrilación cardiaca.
• De 1 a 10 A, contracción sostenida del miocardio.
• Corrientes superiores a 1 O A queman y destruyen el tejido
orgánico.
54
Capítulo JI
El músculo del corazón o miocardio, fibrila cuando las oscilaciones
cardiacas son muy seguidas y de baja intensidad, de manera que el corazón
solo tiembla y no bombea sangre.
Las corrientes eléctricas mayores a 1 Ampere queman la piel por ser
el sitio de mayor resistencia. Las corrientes elevadas destruyen la célula,
debido a que la energia disipada en el citoplasma celular genera calor y por
consiguiente produce vapor que la hace explotar.
Cuando un paciente se encuentra en cirugia, se debe tener en
cuenta que el cuerpo esta abierto y por lo tanto, no cuenta con el aislamiento
eléctrico que le proporciona la piel, de manera que cualquier nivel de tensión
por encima de 0,7 voltios aplicados sobre partes criticas puede causar
contracción involuntaria del tejido muscular, si esto se diera sobre el corazón,
existe el riesgo de causar fibrilación.
Las normas de seguridad intrfnseca en equipos médicos
recomiendan el uso de doble chasis para aumentar el aislamiento, el empleo
de interruptores de seguridad que estén bien aislados, una adecuada
estructuración del cableado y la correcta distribución interna de los
componentes eléctricos [23].
El sistema desarrollado implica el uso de un electrocardiógrafo
analógico ya existente en el comercio y por consiguiente, debe haber
cumplido con la normativa de seguridad intrinseca internacional. Por otra
parte, en el diseno de hardware del sistema se tomaron en cuenta todas las
disposiciones de seguridad que contribuyan a evitar que las personas
puedan sufrir algún dano a causa de un electrochoque.
55
CAPÍTULO 111
MARCO METODOLÓGICO.
Capítulo 111
3.1 Tipo de investigación.
Esta investigación es un desarrollo práctico, en el cual se disetió el
prototipo de un instrumento médico que permitirá solucionar un problema en
el campo de electro cardiología. Para lograr los objetivos propuestos se
aplican técnicas y conocimientos cientificos de diferentes disciplinas, tales
como electrónica, programación y medicina.
El prototipo que se diseñó consiste en un sistema de adquisición de
datos aplicado a cardiología, que permite repotenciar los electrocardiógrafos
analógicos, para convertirlos en instrumentos digitales con prestaciones
equivalentes a los equipos modernos que se encuentran en el comercio
internacional, pero con características específicas requeridas por los médicos
y Jos investigadores locales.
Es importante destacar que no solo se desarrolló la forma de adquirir
y presentar gráficamente la selial electrocardiográfica, sino que también se
tomo como objetivo de este proyecto, el diseno e implementación de una
base de datos que supliera los requisitos de almacenamiento de la
información concerniente al historial médico y a la consulta básica requerida
en cardiologla.
57
Capítulo Ill
3.2 Diseño metodológico.
El proceso metodológico para resolver el problema se· esquematiza
como un procedimiento técnico que parte de los datos suministrados por los
médicos e investigadores que requieren la aplicación de este sistema, hasta
completar el diseno funcional del prototipo. En consecuencia se cumplieron
los siguientes pasos:
1) Diagnostico de los parámetros dentro de los cuales se puede
realizar la adquisición de la senal ECG. Las variables criticas son
el tiempo de muestreo y la precisión con la que se realiza la
conversión analógica a digital.
2) Establecimiento del orden de trabajo para que el sistema funcione
correctamente, simplificando en lo posible los procesos para
disminuir los costos de ensamblaje sin reducir la eficiencia.
3) Diseno del circuito eléctrico del hardware y del algoritmo del
programa para el microcontrolador, de manera que pueda realizar
el trabajo en función de la secuencia establecida.
4) Evaluación de los parámetros de información que deberra
contener la base de datos, asf como las formas de presentar los
resultados gráficos de la senal ECG dentro de los patrones
estandarizados de amplitud y tiempo.
6) Utilización del paquete de aplicación en computador conocido
como Visual Basic para realizar el software del sistema.
6) Ensamblaje del prototipo, teniendo especial cuidado de la
correcta aplicación de las normas de seguridad intrrnseca en la
construcción del hardware del sistema.
7) Calibración y puesta en funcionamiento del sistema para que sea
probado y validado por los especialistas en el área de cardiologia
de algún cent~o asistencial.
58
Capítulo l/1
3.3 Descripción general de funcionamiento.
El corazón se contrae como consecuencia de la despolarización del
músculo cardiaco (miocardio), en una secuencia programada biológicamente
en función del desplazamiento de las señales de biopotencial, que son
controladas por el sistema nervioso autónomo. Cuando se desplazan las
señales de biopotencial, originan diferencias de cargas eléctricas transitorias,
que pueden ser recogidas por electrodos de supeñicie colocados sobre la
piel en lugares especrficos del cuerpo. La amplitud de las señales eléctricas
recogidas en los electrodos en función del tiempo refleja el funcionamiento
mecánico del corazón [24].
El electrocardiógrafo es el instrumento médico utilizado para graficar
las señales eléctricas provenientes del corazón del paciente, permitiendo al
médico visualizar el estado en que se encuentra el sistema cardiovascular.
El equipo desarrollado es un sistema para la adquisición digital y el
almacenamiento en una base de datos, de los 12 canales estandarizados de
la señal ECG de los electrocardiógrafos analógicos comunes. Este sistema
se construyó estructurado en dos etapas, una parte hardware acoplado al
electrocardiógrafo analógico y otra parte software Instalado en el PC, que
funcionan en conjunto para cumplir los objetivos previstos, figura 3.1.
Pacierte
Pulso STO Elec:ttoc:erdiógrafo
~--------------------~·------------~
Ac:ond. de
Señal
Hardware
Figura 3.1. Diagrama en bloques del sistema.
59
Capítulo III
El prototipo de este proyecto se está implementando con un
electrocardiógrafo analógico marca American Optical Corporation, modelo
3200, serial 000267, perteneciente al Hospital Universitario de Los Andes, el
cual se encontraba fuera de funcionamiento por fallas irreparables en la
etapa del registrador de papel.
Del electrocardiógrafo son tomadas dos señales analógicas, una es
la referencia de estandarización y la otra es la señal ECG del canal
seleccionado, previamente amplificada y libre de ruido.
El funcionamiento general del sistema se describe en tres pasos, en
primer lugar se digitaliza la señal ECG proveniente del electrocardiógrafo, en
segundo lugar se transmite la información al computador y por último se
presenta gráficamente la señal en un formato estandarizado. Los dos
primeros pasos son ejecutados por el hardware del sistema y el tercer paso
es realizado en el computador.
3.3.1 Descripción del Hardware del sistema
El Hardware del sistema, conforma el dispositivo físico de circuitos
electrónicos encargado de acondicionar, digitalizar y transmitir la señal ECG.
Esta etapa del sistema se encuentra estructurada por 4 partes:
• La primera parte reside en el acondicionamiento de la señal
analógica para que pueda ser manipulada por el JJ.C.
• La segunda y tercera parte del Hardware corresponden al
trabajo ejecutado por el JJ.C, el cual consiste en digitalizar la
señal ECG y transmitir la información al PC.
• La cuarta parte del hardware está compuesta por los circuitos
de la fuente de poder, que se encargan de suministrar la
energía que requieren todos los elementos que conforman el
hardware del sistema.
60
Capítulo 111
Los circuitos electrónicos que integran el hardware del sistema están
ensamblados en una tarjeta de circuito impreso, figura 3.2, contenida en la
estructura de chasis.
Figura 3.2. Circuito impreso del hardware.
La tarjeta de circuito impreso del hardware es conectada al resto del
sistema por medio del conector SIP20. Del electrocardiógrafo analógico son
tomadas: la señal de ECG, el impulso de STO y la tensión de línea. La
tensión de línea se corresponde a los 120 Vac que son interrumpidos en la
fuente del mismo electrocardiógrafo y permiten alimentar a la fuente del
hardware del sistema por los pines 18 y 20 del conector SIP20.
La señal ECG corresponde a la salida analógica del
electrocardiógrafo y se conecta a la tarjeta por el pin 1 del conector SIP20. El
pulso STO o señal de estandarización, se origina en el electrocardiógrafo
cuando el médico comienza a tomar el registro de un canal específico del
ECG y tiene la finalidad de establecer un patrón gráfico de referencia para el
análisis visual del registro adquirido de la señal ECG.
61
Capítulo l/1
Cuando el sistema se encuentra preparado para realizar la grabación
de la senal del canal seleccionado, el pulso de STO, que llega al circuito por
el pin 4 del conector SJP20, indica al microcontrolador del hardware el
momento en que debe comenzar el muestreo de la señal
electrocardiográfica.
La comunicación de datos, desde el PC al hardware es recibida en la
tarjeta de circuito impreso por el pin 5 del conector SIP20, mientras que la
transmisión de datos hacia el PC es conectada a la ta~eta por el pin 6, los
pines 2 y 3 del mismo conector corresponden al punto común GND. Los
pines del 9 al 17 del conector SIP20, son utilizados como salidas para los
indicadores visuales colocados en el frontal del equipo. El pin 19 de este
conector no es utilizado.
Los criterios de selección que se emplearon en la escogencia del ~e
que se utilizó en el diseño del Hardware, radican en las caracterrsticas de
funcionamiento del mismo en función de los requerimientos del proyecto.
Para el disefto del hardware se empleó el microcontrolador
designado con el número PIC16F877 cuyas caracterfsticas fueron descritas
en el capitulo 11. Las propiedades fundamentales que hacen a este dispositivo
el elemento óptimo para el cumplimiento del objetivo de funcionamiento del
hardware del sistema son:
• Se cuenta con las herramientas para la depuración y el
grabado del programa que se implementa en el J,JC.
• El J,JC seleccionado posee un convertidor AJO con las
propiedades requeridas para realizar la digitalización de la
señal ECG con los requerimientos del sistema.
• Este J,JC cuenta con los recursos generales de funcionamiento
requeridos por el diseño, tales como temporizador, unidades
de puerto, capacidad de memoria suficiente y las formas de
interrupción que se requieren para la ejecución de los
algoritmos de programación del mismo.
62
Capítulo 111
3.3.1.1 Acondicionamiento de la seftal.
El acondicionamiento de la set'ial proveniente del electrocardiógrafo
es la primera etapa de funcionamiento del hardware del sistema. Esta etapa,
descrita en el diagrama de la figura 3.3, consiste en un circuito activo
compuesto por un amplificador operacional en una configuración de
sumador, el cual tiene la función de ajustar los niveles de entrada de la señal
ECG y realizar el acoplamiento de impedancias que permite utilizar la set'ial
sin deformarla.
Entrada -7>-----tf Señal ECG
Salida >-r---+>--
Figura 3.3. Diagrama del acondicionamiento de seflal de entrada.
El error causado en la amplitud de la set'ial ECG por el efecto de
carga de los circuitos de entrada es consecuencia del acoplamiento de
impedancias del electrocardiógrafo con el hardware del sistema, figura 3.4.
--------------~ --------------, :R.i
~ Ro Vo
J E1e etro e u4i6grilf o C:i.tcuito 4e entra4a
·--------------~ --------------.J Figura 3.4. Acoplamiento de impedancias.
63
Capítulo Ill
El acoplamiento de impedancias señalado en la figura 3.4 funciona
como un atenuador tipo L, donde "Vi" representa la sefial del ECG sin efecto
de carga, "Ri" expresa la impedancia de salida del electrocardiógrafo, "Ro"
sefiala la impedancia de entrada del circuito de acoplamiento del hardware
del sistema y "Vo" indica la senal del ECG que el sistema está captando. La
ecuación 7 permite calcular la impedancia del circuito de entrada del
hardware, teniendo en cuenta que "A" define la atenuación de la señal de
entrada.
Vo Ro A* Ri A=-=>A= =>Ro=--
Vi Ri+Ro l-A (7)
La solución dada en la ecuación 8 sefiala el valor de Ro, para el
electrocardiógrafo analógico utilizado, el cual tiene una impedancia de salida
de 200 ohmios (Q), tomando en cuenta que se requiere que el efecto de
carga de la sefial ECG no sea mayor a 0.1% de la amplitud original.
Si e=O 1% ~ A=0.999 ~ Ro= 0'999 * 200 ~Ro = 199800 n (8)
' 1-0,999
Como el electrocardiógrafo utilizado tiene una impedancia de salida
de 200 n se requiere que el circuito de acoplamiento del hardware del
sistema tenga una impedancia de entrada de 200 kilo ohmios (1<0), para no
causar una deformación de la señal superior al 0.1% de la amplitud real.
Aunque un error de amplitud del 0.1% de la sefial de entrada no es
significativo, el sistema está provisto de un componente para el ajuste de
ganancia que permite compensar el error de carga sufrido por la sefiaf ECG
de manera que el J,JC pueda realizar la digitalización de la señal real que se
está tomando del electrocardiógrafo.
64
Capítulo III
Los circuitos electrónicos del hardware que conforman la etapa del
acondicionamiento de la señal de entrada son señalados en el esquema
eléctrico de la figura 3.5.
R4 Rll lOO k 91k R2
20k 40% -
U2
R5 ECG lOO k Señal
-?.~---~---------~~------------~ El
R6 lk TPl
+SV R8 lOO
R9 lOO
R7 lOO k
-9V
TP2
-9V
R3 lOk 40%
RlO lOO
Figura 3.5. Circuito de acondicionamiento de sef\al.
Al UC
Zl S.lV
La señal analógica entra al circuito por el punto de conexión
reseñado como E1. El potenciómetro R3 es el elemento utilizado para ajustar
el offset o corrimiento del cero de salida del amplificador diferencial U2
cuando la diferencia de potencial de entrada es nula, el potenciómetro R2 es
el componente del circuito que permite ajustar el nivel de ganancia para
compensar el error de carga de la señal a la entrada.
Los puntos de prueba señalados como TP1 y TP2 asi como los
interruptores S1 y S2 son utilizados en el momento de realizar los ajustes de
calibración del circuito. La resistencia R10 y el diodo zener Z1 colocados en
el circuito cumplen la función de evitar que el microcontrolador esté expuesto
a tensiones que pueden saturar el convertidor analógico a digital.
65
Capítulo 111
3.3.1.2 Proceso de digitalización.
El proceso de digitalización de la sef\al ECG se realiza muestreando
la amplitud de la señal analógica del ECG con un convertidor de analógico a
digital (A/0) de 8 bits y con un periodo de tiempo constante. La resolución del
convertidor puede calcularse empleando la ecuación 9.
(9)
La Amplitud en la ecuación 7, determina la diferencia de potencial de
la senal analógica en el momento de efectuar la conversión A/0 y la palabra
digital corresponde al número de combinaciones decimales, dadas por el
valor en binario de la cantidad de bits que utilice la palabra digital empleada
por el convertidor analógico a digital.
Si la amplitud de la señal está comprendida entre +2,5 y -2,5 V, se
tiene una diferencia de potencial máxima de 5,0 V y como la palabra digital
es de 8 bits ( [11111111 ]b = [256]d ), se tiene en decimal 256 posibles
combinaciones. De tal manera la resolución es dada por la solución
expresada en la ecuación 1 O.
Resolución = ( 5) + [ 256) = 0,01953 V (10)
Una resolución inferior a 20 mili Volts (mV) está por debajo de los
niveles significativos de la señal que entrega el electrocardiógrafo
implementado y no representa un error apreciable en la presentación gráfica
de los resultados.
Otro factor primordial en la digitalización de la señal es la velocidad
de adquisición, que consiste en el tiempo que demora el convertidor A/0 en
generar el número binario correspondiente a la amplitud de la señal en ese
instante de tiempo.
66
Capítulo 111
los componentes de frecuencia de la seflal ECG están contenidos
en un ancho de banda de O a 120 Hertz (Hz), lo que implica que las
frecuencias mas altas tienen un periodo de 8.33 milisegundos (ms). La
velocidad de adquisición del convertidor AJO utilizado es de 20
microsegundos (JJS), 416 veces mas rápido que la frecuencia mas alta de la
senal ECG, por consiguiente, se puede considerar que el número digital
obtenido corresponde al valor de la amplitud en el momento de la
digitalización.
Uno de los parámetros mas importantes en el proceso de adquisición
digital de la senal es el periodo de muestreo, el cual se define como el tiempo
de retardo entre las sucesivas conversiones de analógico a digital de la senal
de entrada.
En este proyecto se pretende que la presentación gráfica se ejecute
en tiempo real con la correspondiente adquisición de la senal ECG, por
consiguiente la limitante para incrementar la frecuencia de muestreo es la
transmisión serial. la transmisión serial implementada en este proyecto
demora de 520 ~s por cada dato transmitido, por lo tanto, la frecuencia de
muestreo mas elevada que se puede utilizar es de 1,9 kHz, pero por
comodidad y para prevenir errores en el proceso de recuperación de
información se optó por tomar una frecuencia de muestreo de 1 kHz.
Cabe destacar que la frecuencia de muestreo mfnima requerida para
la reconstrucción gráfica, debe ser por lo menos 2 veces la frecuencia
máxima de la seflal digitalizada y como se está implementando una
frecuencia de muestreo 8,33 veces mas rápida que el componente de mayor
frecuencia de la senal ECG, se considera que los datos adquiridos son
representativos de la seflal digitalizada.
la utilización de un convertidor analógico a digital de alta velocidad,
con una resolución de 8 bits y a una velocidad de muestreo de 1 kHz,
aseguran, con un mfnimo de error, una correcta adquisición en tiempo real de
la sefíal ECG.
67
Capítulo JI/
3.3.1.3 Etapa de inteñaz.
La interfase del sistema está conformada por la manera como se
realiza la comunicación con el programa instalado en el PC. Las funciones de
interfase las desempena el mismo !JC estableciendo la transmisión y
recepción de información en forma serial con un formato RS232. La
comunicación serial en formato RS232 permite la selección de algunos de los
parámetros de funcionamiento para ajustarse a las diferentes formas de
trabajo de los usuarios. Las caracteristicas de comunicación serial bajo este
formato, que fueron seleccionadas para implementarse en el funcionamiento
de este proyecto son:
• Comunicación serial de 8 bits, por byte transmitido.
• Velocidad de transmisión de 19200 baudios.
• Formato con un solo bit de parada y un bit de arranque.
Dado que la transmisión serial se realiza a 19200 baudios, el tiempo
requerido para transmitir un dato de 8 bits, mas un bit de arranque y uno de
parada, es dado por la solución de la ecuación 11.
Td = Tb * [ Nb +NA+ Np} ~ Tb = 1 *[8+1+1] = 520,83 J.IS. (11)
19200
Donde: Td =Tiempo de transmisión de un dato completo.
Tb =Tiempo de transmisión de un bit.
Nb = Número de bits a transmitir.
NA= Número de bits de arranque.
Np = Número de bits de parada.
La frecuencia de muestreo es de 1 kHz por consiguiente el intervalo
entre las muestras tomadas es de 1 ms, lo que da tiempo suficiente para
realizar la transmisión serial en tiempo real de la información digitalizada. Las
senales digitales son transmitidas por cable y acopladas, tanto al equipo
como al PC, por conectores del tipo 089.
68
Capítulo III
La secuencia de trabajo del J,JC está programada para responder de
forma inmediata a comandos transmitidos desde el PC. Los comandos
transmitidos desde el PC corresponden a tres caracteres numéricos
codificados en binario, los cuales ordenan al tJC que sean ejecutadas las
siguientes acciones:
• Si desde el PC es enviado el número "O" ( correspondiente al
carácter binario: "00000000" ), el J,JC se reinicialaza parando
cualquier trabajo que esté realizando. Este carácter
corresponde al comando de Parada.
• Si desde el PC es enviado el número "1" (correspondiente al
carácter binario: "00000001" ), el J,JC se queda en modo de
espera de la senal de estandarización o STO, proveniente del
electrocardiógrafo y cuando esta es dada, son digitalizadas y
transmitidas 5000 muestras de la senal ECG, quedando al
final en modo de Parada. Este carácter corresponde al
comando de Registro.
• Si desde el PC es enviado el número "2" (correspondiente al
carácter binario: "0000001 O" ), el J,JC digitaliza y transmite en
forma indefinida la senal ECG. Este carácter corresponde al
comando de Monitoreo.
3.3.1.4 Actividad del microcontrolador.
La etapa de digitalización y la etapa de interfase, dependen del
funcionamiento del J,JC. El J,JC seleccionado fue programado para que realice
el proceso de digitalización de la sena! subordinado a fas órdenes que le son
transmitidas desde el PC. El programa cargado en el microcontrolador, figura
3.6, está disenado para que funcione basado en dos posibles formas de
interrupción, la accionada por un impulso externo en RBO y fa interrupción
interna generada por el desbordamiento del temporizador TMRO.
69
Capítulo JI/
Conversión A/D
-»{DATO Puerto C
Transmisión serial de DATO
Lectura del
Puerto Serial
Transmisión Umitada a
5000 Datos
0
NO
Figura 3.6. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador.
Cuando el microcontrolador comienza a trabajar habilita la
interrupción externa por RBO y se queda en modo de espera, el llamado de
esta interrupción es dado cuando ocurre un cambio de nivel lógico con flanco
descendente por la entrada LSB del puerto B o RBO, esto activa en el
programa la rutina de lectura de información en formato RS232. permitiendo
captar el valor numérico transmitido desde el PC por el puerto serial. El
programa del microcontrolador puede responder a tres posibles valores
numéricos lefdos como comandos desde el PC:
• Si el valor del comando leído es "0", se trata de la instrucción
de Parada, colocando el microcontrolador en modo de inicio.
70
Capítulo III
• Cuando el comando tiene el valor numérico "1", indica al
microcontrolador que el usuario accionó el botón de control
para la toma de Registro desde el software del sistema,
haciendo que el mismo pase a un estado de revisión
constante de la entrada correspondiente al pulso de STO, la
cual cada vez que ocurre, permite que se realice el muestreo y
la transmisión de 5000 datos correspondientes a la
digitalización de 5 segundos de la señal ECG.
• El valor de comando "2", indica al microcontrolador que el
usuario acciono el botón de control de Monitoreo desde el
software del sistema, haciendo que se realice el muestreo y
transmisión de datos de la señal ECG, en forma continua.
los llamados de interrupción pueden ocurrir repetidamente y en
cualquier momento durante la ejecución del trabajo. Cabe destacar que si se
realizan lecturas sucesivas de comandos enviados desde el PC, será el
último valor numérico leído el que asignará el trabajo al microcontrolador.
la interrupción por desbordamiento del temporizador TMRO solo se
activa en el momento en que se inicia la digitalización de la señal ECG,
asintiendo un patrón de tiempo preciso de un milisegundo (ms) para la
correcta realización del muestreo de la señal.
Cada vez que se produce el llamado de interrupción del TMRO se
realiza la conversión AJO del valor de amplitud de la señal en ese momento,
procediendo a cargar el resultado binario en una variable del programa,
denominada "DATO" y en el puerto C del microcontrolador para mostrar el
resultado en los leds amarillos.
Inmediatamente después de terminar la conversión AJO se procede a
realizar la transmisión serial del valor digital de la variable DATO con los
respectivos intervalos de tiempo correspondientes al formato RS232. Cuando
la transmisión del valor de DATO ha concluido se reinicia un nuevo ciclo de
digitalización.
71
Capítulo JI/
El esquema de la figura 3. 7 muestra en conjunto los circuitos
eléctricos que conforman las etapas del hardware y que están encargados de
realizar el acondicionamiento de la señal, la digitalización y la comunicación
con el PC.
1
Señal -7. El
R19 lk
ECG
+5V
RlB lk
R20 lk
R4 Rll lOO k 91k
- U2
R5 uA741
lOO k
R6 +5V lk TPl R8
lOO
1Sl
R7
lOO k
1S2 R9 lOO
-
U3
R2
20k 40%
-9V
TP2
-9V
R3 lOk 40%
Rl5 47k
R26 lk
RlO lOO
Zl 5.1V
-
+5V
Rl6 E2 2,2k ~
STO
Rl7 22k E3
1-+--"A,_,._--<~
Q2 del PC
E4 :>~~-----~~
R27 lk
R28 lk
al PC
Binario-------------~
Figura 3.7. Esquema eléctrico del circuito principal.
72
Capítulo III
El microcontrolador es el circuito integrado marcado en el esquema
eléctrico como U3. El circuito compuesto por C5, C6 y XT está encargado de
proporcionar la base de tiempo del reloj de sincronismo que utiliza el
microcontrolador. R18 y C7 conforman un circuito de retardo RC, que
proporciona un impulso de reset para inicializar el microcontrolador.
los componentes marcados en el esquema como ld 1 y ld2 son los
leds reseñados en la cara frontal del equipo como l y T, los cuales están
encargados de señalar respectivamente, cuando el microcontrolador está
leyendo o transmitiendo datos al PC. los componentes marcados en el
esquema desde ld3 hasta ld 1 O son los leds reseñados en la cara frontal del
equipo como AJO Binario, los cuales permiten visualizar en binario el nivel
correspondiente al valor digitalizado de la señal ECG.
la señal digital utilizada en la transmisión serial está compuesta por
niveles de tensión entre +12 V y -12 V y los niveles de tensión de los datos
digitales manejados por los circuitos lógicos del hardware que se diseñó se
encuentran entre O y +5V, por consiguiente, para establecer la comunicación
entre el microcontrolador y el PC se utilizan circuitos de acoplamiento de
entrada y de salida ..
El acoplamiento de entrada para la comunicación serial está
compuesto por el circuito eléctrico que emplea al transistor señalado en el
esquema como Q2, el cual se utiliza como interruptor digital para ajustar los
niveles de tensión de los datos que son enviados desde el PC y que se
acoplan al circuito por el punto de conexión E3.
El acoplamiento de salida para la transmisión de información al PC
está compuesto por el circuito eléctrico que emplea el amplificador
operacional señalado en el esquema como U4, el cual es utilizado como
comparador para generar los niveles de tensión apropiados para la
comunicación serial a partir de las señales lógicas emitidas por el
microcontrolador. la entrada de datos desde el PC se acopla al circuito por el
punto de conexión señalado como E4.
73
Capítulo 1/I
3.3.1.5 La fuente de poder.
Esta parte del sistema esta formada los circuitos electrónicos
encargados de suplir los niveles apropiados de energfa para alimentar todos
los elementos que conforman el hardware. La fuente de poder está
estructurada por 3 salidas de voltaje, figura 3.8, que son obtenidas a partir
de la manipulación de la tensión de Unea de 120 Vac.
Línea ---7'
120 Vac
Transformador Rectificador
120 a 6 + 6
Filtro Positivo
Filtro Negativo
Figura 3.8. Diagrama en bloques de la fuente de poder.
+9V
-9V
Las tensiones de salida de la fuente de poder, son: +5 V regulados,
que se destinan a alimentar los circuitos lógicos, +9 V no regulado y -9 V no
regulados destinados a alimentar los amplificadores operacionales, para la
manipulación de las señales analógicas y para establecer los niveles de
amplitud requeridos en la transmisión serial, donde una señal de -9 V
corresponde a un nivel lógico 1 y una señal de +9 V es tomada como un nivel
lógico de cero.
La tensión de Unea de 120 Vac es tomada directamente del
interruptor de la fuente de poder del electrocardiógrafo utilizado, esto permite
asegurar que el hardware del sistema entre en operación en conjunto con el
electrocardiógrafo analógico, además evita tener que conectar el equipo por
separado, con la respectiva utilización de otro cable de Unea.
74
Capítulo JI/
El esquema de la figura 3.9, muestra los circuitos eléctricos que
componen la fuente de poder que se diseñó para proporcionar la energía
con las características requeridas para el correcto funcionamiento de los
circuitos electrónicos del hardware.
120 Vac
Rl
1.2k
Cl
=!=4000uF
C2
¡4000uF
-
C4
¡o.luF
Figura 3.9. Circuito eléctrico de la fuente de poder.
+9V
-9V
Las salidas de +9 V y -9 V no reguladas de la fuente de poder tienen
capacidad de suministrar hasta 250 mili Amper (mA) por cada una, pero su
aplicación como fuente positiva y negativa respectivamente, solo exige el
consumo de corriente requerido por los circuitos operacionales y para la
transmisión serial, el cual no supera los 15 mA por cada una de las
derivaciones no reguladas de la fuente.
La salida de +5 V es regulada por el circuito integrado U1 y tiene
capacidad de suministrar hasta 200 mA. Esta salida es implementada para
alimentar el microcontrolador y los circuitos lógicos del sistema, que solo
requieren un consumo de 70 mA.
El componente electrónico numerado en el circuito como LED1, es el
diodo emisor de luz de color rojo señalado sobre el frontal del equipo como
Línea, el cual tiene la función de señalar la presencia de energía.
75
Capítulo III
3.3.2 Descripción del Software del sistema.
La segunda etapa del sistema consiste en el manejo de la
información en el computador y la presentación de los resultados en pantalla,
para esto se implementó el desarrollo de un software en un lenguaje de alto
nivel conocido como Visual Basic [25].
El flujo del software, figura 3.1 O, se estructuró en forma de módulos
programa que permiten de manera sistemática, acceder a la base de datos
para manipular la información de los expedientes médicos, contentivos de la
información personal y de los registros ECG de cada paciente.
Salir
Figura 3.1 O. Secuencia de trabajo del software del sistema.
El diseno del software se realizó en Visual Basic debido a que es un
lenguaje de programación gráfica, con la capacidad de estructurar el
algoritmo del programa en forma de ventanas bajo Windows generadas
desde módulos independientes. Visual Basic como herramienta de
programación es un lenguaje basado en la programación de objetos, que
permite el manejo de los algoritmos básicos de programación en lenguaje e y Basic para la ejecución en detalle de los procesos.
76
Capítulo 111
En general, el empleo de Visual Basic para el desarrollo del software
de este proyecto, ha permitido estructurar las secuencias de funcionamiento
sobre una plataforma de diseño de programación gráfica que facilita el diseño
y reduce el trabajo, trayendo como consecuencia un mejor empleo del tiempo
de programación.
Las interacciones del operador con el programa instalado en el PC,
son realizadas por medio de objetos que generan respuestas en forma de
eventos, activando las rutinas dispuestas en los módulos de programa. Los
eventos se producen como respuesta de actividades, tales como la acción
clic del mouse sobre un botón de control, la llegada de datos por uno de los
puertos del computador o la activación de alguna ventana de pantalla.
La base de datos del sistema se compone de tres tablas diseñadas
en Microsoft Access, el cual es un lenguaje de programación bajo Windows
dedicado exclusivamente a controlar y manejar información. Se utilizó
Microsoft Access como plataforma para el diseño de la base de datos,
porque es un lenguaje de programación fácil de manejar, totalmente
compatible con Visual Basic y con capacidad suficiente para el manejo de la
información que se pretende almacenar en los respectivos expedientes
médicos de los pacientes.
Cada tabla de datos bajo Microsoft Access es administrada por un
módulo de programa, de tal forma, la tabla que guarda los expedientes de
historias es manejada por el módulo de Historia, la tabla de los registros de
ECG por el módulo de Registros y la tabla de consultas por el módulo de
Consulta.
El software de este proyecto está estructurado en algoritmos
independientes que se ejecutan desde módulos de programa. Cada módulo
de programa hace el llamado a una o mas ventanas diseñadas para controlar
el sistema y adquirir o mostrar la información contenida en la base de datos
en forma de expedientes médicos.
77
Capítulo III
Los controles implementados desde el software permiten el manejo
de la base de datos y comandan las operaciones del hardware. Dichos
controles son representados por imágenes que imitan botones rectangulares
o de selección, colocados sobre el panel de la ventana. Cada botón de
control puede ser activado con la acción clic del mouse del computador
haciendo que el software realice el trabajo programado.
La base de datos que contiene la información manejada por el
sistema es guardada en el disco duro del PC, limitando la densidad de
información que se quiera guardar a la capacidad de almacenamiento de
esta unidad. La presentación de información al usuario en las ventanas
mostradas en la pantalla del PC, puede realizarse de cuatro posibles
maneras:
• Si la información es introducida por el usuario, la acción se
realiza a través de cuadros de dialogo, los cuales se
presentan sobre la ventana como espacios rectangulares
destinados a aceptar caracteres de texto o numéricos escritos
con el uso del tecleado.
• Cuando la información proviene del banco de datos, es
mostrada en los mismos cuadros de dialogo, pero protegida
para que no pueda ser alterada o borrada.
• Si la información manejada es la presentación gráfica del
ECG, bien sea en tiempo real o como registro grabado en el
banco de datos, es utilizado un cuadro de imagen previamente
cuadriculado con las medidas estandarizadas, en un formato
semejante al del papel usado por los electrocardiógrafos.
• Se utilizan cuadros de mensaje cuando la información es
proporcionada por el mismo programa. Esto se hace para
indicarle al usuario que ha cometido algún error, pedir la
confirmación de una instrucción crrtica o para señalarle la
forma correcta de controlar el sistema.
78
Capítulo 1/1
El programa diseliado está compuesto por 4 módulos principales y 5
módulos secundarios o auxiliares. Los módulos principales son utilizados
para manejar la base de datos y controlar el hardware, mientras que los
módulos auxiliares generan las acciones que complementan el control sobre
la secuencia de trabajo. En el diagrama en bloques del software, figura 3.11,
se estructura la interconexión de funcionamiento de los módulos principales y
los módulos secundarios.
SADSE
1 1
Inicio
Ayuda 1
1 J Salir
¡
~ Opción de 1 busque da
1 Clave de Acceso
1 Banco de
1 Historias
Edieión ! Historia
1 1
! ~ Registros Consulta de ECG -
+ Reporte
Banco de Banco de Registros ¡ Consultas
Imprimir
Figura 3.11. Diagrama en bloques del software.
79
Capítulo 111
Los módulos principales están señalados como: el módulo de Inicio,
el módulo de Historia, el módulo de Consulta y el módulo de Registros de
ECG. El conjunto de los módulos secundarios se encuentra compuesto por:
el módulo de Opción de búsqueda de historias, el módulo de Banco de
Historias, el módulo de Archivos Anteriores, el módulo de Reporte y el
módulo de Edición.
3.3.2.1 Los módulos principales.
El primer módulo de programa o módulo de inicio, se activa al
comenzar a funcionar el programa en el PC o desde cualquiera de los otros
módulos principales. Este módulo presenta una ventana en pantalla con
cinco botones de control, Jos cuales permiten al operador seleccionar una de
las formas de trabajo implementadas en el sistema.
El segundo módulo de programa corresponde al manejo de Historias
y puede ser activado desde los módulos de inicio, consulta, o registros. Este
módulo presenta una ventana, con los respectivos cuadros de diálogo para
ingresar los datos básicos requeridos por el expediente de historia médica y
5 botones de control destinados al manejo de la información y al acceso a
otros módulos de programa. Este módulo de programa permite al usuario
visualizar una historia médica en particular o llenar los datos requeridos en la
preparación de un nuevo expediente de historia médica para una persona
que asiste al centro asistencial por primera vez.
El tercer módulo de programa es activado desde la ventana de
historias y está diseñado para manejar la información respectiva a la
Consulta médica. Este módulo presenta una ventana en pantalla, donde se
puede ingresar la información básica requerida en una consulta de
cardiologra y 4 botones de control con los cuales se puede manejar la
información o acceder a otros módulos de programa.
80
Capítulo III
El cuarto módulo de programa o módulo de Registros de ECG, es el
encargado de transmitir la información de control al hardware, recibir los
datos contentivos de la señal digital del ECG, almacenar la información
recabada y graficar en tiempo real el registro electrocardiográfico. Este
módulo de programa puede ser accesazo desde la ventana de Historia o
directamente desde la ventana de Inicio.
En la ventana generada desde el módulo de Registros se presenta la
siguiente información: los datos que identifican al paciente, la hora en que se
realizó la adquisición del ECG, un cuadro de imagen donde se grafican 5
segundos de la señal correspondiente al canal seleccionado, dos cuadros de
diálogo para la descripción del respectivo análisis médico y los botones de
control para acceder a otros módulos de programa o permitir al usuario
registrar la información de cada canal de la señal ECG.
3.3.2.2 Los módulos secundarios.
Los 5 módulos de programa secundarios o auxiliares, están
destinados a presentar información adicional, formas de búsqueda para la
navegación por la base de datos y las alternativas de selección que requiere
el usuario para operar correctamente el sistema.
El primero de los módulos auxiliares, reseñado como Opción de
búsqueda, se activa desde la pantalla de inicio y está diseñado para
permitirle al usuario del sistema encontrar el expediente de una historia
médica específica, guardada en la base de datos con anterioridad. Este
módulo activa una ventana en pantalla, que presenta un cuadro de selección
donde el usuario puede escoger la forma de búsqueda, un cuadro de diálogo
para ingresar los datos del expediente que se busca y un botón de control
para realizar la operación.
81
Capítulo 111
El módulo auxiliar nombrado como Banco de Historias, se activa
como una de las opciones de búsqueda de historias y presenta una ventana
con dos botones de control y una lista de selección contentiva del nombre del
paciente, cédula de identidad y número de historia de todos los expedientes
médicos guardados en la base de datos. Este módulo secundario está
disenado para permitirle al usuario examinar el contenido total de la tabla de
Historias en la base de datos y tener acceso un expediente en particular.
El módulo auxiliar resenado como Archivos Anteriores, puede ser
activado desde la pantalla de Consulta o desde la pantalla de Registros y es
utilizado para buscar y abrir la información guardada con anterioridad de una
consulta o de un registro, respectivamente. Este módulo de programa
presenta una ventana en pantalla, contentiva de un cuadro de dialogo con la
fecha y la hora en que se guardaron los archivos existentes para esa historia
en particular y dos botones de control para ejecutar las operaciones
pertinentes.
El módulo auxiliar senalado como Reporte, es activado desde la
ventana de Registros y está disenado para presentar el formato de impresión
de los canales grabados del ECG. Este módulo auxiliar presenta una ventana
en pantalla con el formato de impresión de los gráficos del ECG en un cuadro
de imagen con un trazado milimetrado calibrado en amplitud a 1 O mm/m V y
en desplazamiento en el tiempo a 25 mm/s.
El módulo auxiliar de Edición, puede ser activado desde los módulos
de Historia, Consulta y Registros. Este módulo cumple la función de permite
al usuario corregir un error presentado en un expediente especifico, editando
o borrando la información contenida en el mismo. Esta acción solo puede
realizarse previa introducción de un código, que funciona como llave de
seguridad del sistema. Para realizar el trabajo de edición, este módulo abre
una ventana en pantalla, con un cuadro de diálogo para introducir la clave de
acceso y 4 botones de control para ejecutar las operaciones.
82
Capítulo III
Los bloques reseñados en el diagrama de flujo del software como:
Ayuda, Salir e Imprimir, no son módulos de programa independientes, sino
procesos destinados a desarrollar un trabajo especifico, que son ejecutados
desde el mismo módulo que los activa.
Cabe destacar que en algunos casos se utilizan cuadros de
mensajes, como el de la figura 3.12, con información básica que advierte al
usuario de una acción indebida, pide la confirmación de una acción
trascendente o permite seleccionar una opción determinada en donde se
pueden realizar diversas operaciones.
Proyecto SAOSE ~:.:;~
(9\·· ... ··'' ~-· Desea grabar esta Historia médica
lc:::::::::]I::~:::::::::JI __ N_o _ .... __ c_an_c_e_lar ........
Figura 3.12. Cuadro de mensaje.
83
CAPÍTULO IV
PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO.
Capítulo IV
4.1 Presentación del sistema.
El prototipo del instrumento médico diseñado está compuesto por
dos partes, una parte hardware y otra 'software. Ambas partes del sistema
están diseñadas para trabajar en conjunto, pero su aspecto fisico difiere en
que el hardware es tangible a los sentidos y el software es solo visible por los
efectos generados con su aplicación en el PC.
4.1.1 Presentación del hardware.
El hardware del sistema, es la parte física del proyecto, que se
encuentra conectada entre el electrocardiógrafo y el computador, tal como se
indica en la figura 4.1.
Figura 4.1. Interconexión del hardware del sistema.
85
Capítulo IV
El hardware del sistema es la parte del instrumento que se encarga
de digitalizar la señal ECG analógica y de establecer la comunicación con el
software instalado en el PC. Está compuesto por los componentes
electrónicos montados sobre un circuito impreso y una estructura de chasis
que le sirve de contenedor, figura 4.2.
Figura 4.2. Hardware del sistema en su presentación terminada.
En el lado frontal del chasis del equipo, figura 4.3, se encuentra el
nombre, número de modelo y los elementos indicadores de funcionamiento
con su respectiva descripción.
Figura 4.3. Lado frontal del chasis.
86
Capítulo IV
Debido a razones de estética, el nombre "SISTEMA DIGITAL DE
ADQUISICIÓN PARA ECG" escrito en la parte superior del frontal, es una
abreviación del nombre completo del proyecto. El número de modelo que
está anotado en la parte inferior del frontal, ULA - LIC - M114, corresponde
al registro asignado por el laboratorio de Instrumentación Científica de la
Facultad de Medicina de la Universidad de Los Andes, el cual es el
laboratorio donde se construyo el prototipo.
Los indicadores de trabajo mostrados en la cara frontal del
instrumento, corresponden a 11 diodos luminosos 'leds', que permiten al
operador visualizar el trabajo que está realizando el hardware. Los 8 leds
amarillos señalados en el frontal como AJO BINARIO, indican el número
binario correspondiente a la digitalización de la señal en ese momento. Los 2
leds verdes señalados en el frontal como L y T se encenderán para indicar
respectivamente, si se están leyendo o transmitiendo datos por el puerto
serial al PC. El led rojo señalado en el frontal como LÍNEA se encenderá
cuando se accione el interruptor de encendido del electrocardiógrafo,
siempre y cuando el equipo esté conectado al él. Si el sistema se encuentra
en modo de espera solo el indicador de línea permanecerá encendido.
En el lado posterior del chasis del instrumento, figura 4.4, se
encuentran ubicados dos conectores que permiten enchufar los cables que
acoplan el hardware con el resto del sistema.
Figura 4.4. Lado posterior del chasis.
87
Capítulo IV
En la parte posterior del chasis se encuentran ubicados dos
conectores, uno del tipo DB9 y el otro de tipo Plug. El conector Plug, de
característica hembra con 5 terminales y señalado en el chasis como E, es el
que permite la conexión del cable que acopla el electrocardiógrafo con el
instrumento, figura 4.5.
Figura 4.5. Cable con conectores Plug.
Por este conector son unidos 5 conductores eléctricos, que se
derivan de los circuitos electrónicos del electrocardiógrafo analógico, con las
siguientes funciones:
• El terminal 1 del conector es usado para tomar la señal ECG
del electrocardiógrafo analógico.
• El terminal 2 corresponde a la conexión de punto común.
• El terminal 3 es utilizado para la señal de STD del
electrocardiógrafo.
• Los terminales 4 y 5 son tomados para la conexión de línea,
correspondiente a 120 Vac, que son interrumpidos desde la
fuente de poder del electrocardiógrafo.
88
Capítulo IV
El conector 089 tipo macho, señalado en el chasis como PC, permite
la conexión del cable que se conecta con el puerto serial del computador,
para establecer la comunicación entre el hardware y el software instalado en
el PC, figura 4.6.
Figura 4.6. Cables con conectores 089.
Por el conector 089 son unidos 3 conductores eléctricos con las
siguientes funciones:
• El terminal 3 de este conector es usado para recibir la
información digital que se envía desde el PC.
• El terminal 5 corresponde a la conexión de punto común de
los circuitos eléctricos.
• El terminal 2 es utilizado para la transmisión de datos al PC.
• Los demás terminales de este conector no son utilizados.
Cabe destacar que los cables que se conectan al hardware sistema
fueron elaborados en el UC - M, en función de los requerimientos del
sistema. Debido a que el hardware trabaja en conjunto con el
electrocardiógrafo, el cable Plug tiene una longitud de 70 centímetros (cm) y
como en algunos casos no es posible colocar el PC cerca del paciente, el
cable con conectores 089 tiene una longitud de 5 metros (m).
89
Capítulo IV
4.1.2 Presentación del software.
El software diseñado, corresponde a los algoritmos de programación
elaborados en Visual Basic, destinados a conducir las operaciones de
control, graficación de la señal ECG y el manejo del banco de datos diseñado
en Microsoft Access.
El programa fue diseñado para correr en un ambiente bajo Windows
funcionando al activar el icono correspondiente del ejecutable nombrado
como SADSE (siglas iniciales de "Sistema para la Adquisición Digital de la
Señal Electrocardiográfica), figura 4.7.
Figura 4.7. Icono del ejecutable del software.
Una vez que el software del sistema comienza que a funcionar, se
activan los módulos de programa, que a su vez presentan en pantalla las
imágenes gráficas correspondientes a cuadros interactivos, contentivos de
controles para la ejecución de las rutinas programadas y cuadros de diálogo
para el manejo de información.
Las acciones de control que activan los eventos para ejecutar los
algoritmos del programa, son activados con el clic del mouse y para ingresar
información en los cuadros de dialogo se puede emplear el teclado del PC o
los mecanismos de copiar y pegar que normalmente se utilizan en la
elaboración de documentos bajo Windows.
90
Capítulo IV
4.2 Manual del usuario.
4.2.1 Control.
Los controles básicos del instrumento diseñado están ubicados en la
etapa de software, pero el funcionamiento en conjunto de todo el sistema
también depende del correcto manejo de los controles que posea el
electrocardiógrafo analógico utilizado.
El sistema se diseñó para que fuese de fácil manejo. Para el perfecto
funcionamiento del mismo, antes de comenzar el trabajo, se deben seguir los
siguientes pasos:
1) Antes de poner a funcionar cualquiera de los equipos, se deben
conectar los cables, que cumplen la función de comunicar el
hardware con el electrocardiógrafo y con el PC.
2) Enchufar el cable de electrodos, figura 4.8, al electrocardiógrafo y
conectar cada uno de los terminales a los electrodos colocados en
el cuerpo del paciente, teniendo en cuenta los colores tomados
como estándar internacional.
3) Encender el electrocardiógrafo y el PC y comenzar el proceso de
adquisición de la señal ECG.
Figura 4.8. Cable de electrodos fabricado en el LIC-M.
91
Capítulo W
4.2.2 Operación.
El manejo del sistema es un procedimiento en el cual el operador del
sistema se encarga de realizar la adquisición del ECG y de llenar los datos
correspondientes al expediente del paciente, con la información básica
requerida en cardiología. Este prototipo también puede ser utilizado como
sistema de monitoreo, con el único propósito de visualizar en tiempo real la
señal ECG.
Una vez que los equipos estén debidamente conectados y
encendidos, se puede comenzar a trabajar con el sistema. Para inicializar el
proceso se debe activar el icono correspondiente al ejecutable del programa,
esta acción abre la pantalla de Inicio, figura 4.9. Esta ventana tiene por objeto
presentar al usuario cinco botones de control con los cuales puede elegir las
posibles opciones de trabajo del sistema.
'f« lhíéio t~- ' 1 ~~~ij ·
SISTEMA PARA LA ADQUISICIÓN DIGITAL DE LA SEÑAL ELECTROCARDIOGRÁACA
SAOS E
Opciones de trabajo -----------.
lf Paciente Nuevo il
Ahnr Histona 1
Monitoreo del ECG 1
Ayuda 1
Salir 1
Figura 4.9. Ventana de inicio.
92
Capítulo IV
El primer botón, marcado con la opción Paciente Nuevo, permite al
usuario el acceso a la pantalla de Historia médica, figura 4.1 O, en la cual se
pueden introducir los datos básicos correspondientes a la identificación y los
antecedentes de un paciente que acude al centro asistencial por primera vez.
En este cuadro de pantalla se visualizan los botones de Guardar e Inicio. El
botón de Inicio permite cerrar el expediente de historia médica y retornar a la
pantalla principal.
: . . > ~'' .'>;'; ,·y_.¡;:.;;:.-;::,;,: 129
General
Fecha: j1 0/09/2004 Lugar: 1 Histona N~· J H - 2 4
Médicv Tratante: 1 Refelido desde: jeonsu~a libre 3 Datos Pe/Sonales
Nombm cvmpleto. · 1 Sexo: jMasculino 3 Cédc!la: 1 Lugar y techa de nacimiento: 1 Edad· J
Estado civit ¡soltero 3 Diret:aifn: ¡
Antecedentes Pe/Sonates Antecedentes Familiares
~
..:.1
Guardar 11 Inicio 1
Figura 4.1 O. Ventana de Historia para paciente nuevo.
Cuando se acciona el botón Guardar, se cambia el modo de trabajo
al de expediente de historia médica ya existente, figura 4.11. En esta nueva
presentación de la ventana de Historia se inhabilita el botón guardar y se
hacen visibles los botones ECG, Consulta y Editar. El botón Guardar de la
ventana de Historia, se utiliza para realizar el almacenamiento en el banco de
datos de la información que se ha introducido en los cuadros de dialogo,
quedando el expediente resguardado para impedir cualquier tipo de
modificación accidental.
93
Capítulo IV
'. ""':ib..-:~ ,,._, 2!.1
General
Feclla. j15107/2004 Luya;: 1 H<\"/onaN:· [H - 9
Nédiro Tratante: 1 Refe.!tdo dssde. · !Consulta libre :::!
Datos Personales
N~rompfetv: IEdinson Dugarte S&Av.· !Masrulino :::! Qjifi/2. 11 8798724 Ll/gary fBCtiB d9 naci11iento: 1 Edad 1
Estado cM!: ¡son ero :::! OH'9cdón. 1
Antecedentes Pe.rsonales Antocedsntas Familiares
.o!
~
Guardar 1 ECG 1
Consutta 1
Inicio 1
~~dnaiJI
Figura 4.11 . Ventana de Historia con los datos de un paciente.
En la presentación en pantalla de la historia grabada, el botón
marcado como Consulta abre un nueva ventana, figura 4.12, en la cual se
visualizan cuatro botones de control y los cuadros de dialogo, donde el
médico puede introducir la información respectiva al examen médico de
cardiología.
Oalosde!Pacienle ---------------------,
Fedlayñorade/a consulta: 109109/2004 05:19:59 p.m.
Nombm: jEdinson Dugarte
General Sinlomal o/oqla
HistotiaN:· IH - 9
Cédl/la: 11 8798724
Examen Ffsico Diaqnóslico
FhJs. Ar/8/ia/.' 1 Pulso.· ¡- Tempe~alura.·¡- Fma msp;iatona.· ¡-
Anteriores 1 IF JI ~
Figura 4.12. Ventana de Consulta médica.
94
Capítulo IV
En la ventana de Consulta, el botón de ·Inicio cierra el expediente
respectivo al paciente que se está tratando y retorna de inmediato a la
ventana principal, preparando el sistema para comenzar con otro paciente.
El botón reseñado como Historia en la ventana de Consulta, permite
que el usuario del sistema retorne a la ventana de historia sin cerrar el
expediente de consulta. El botón marcado como Guardar, al igual que en la
ventana de Historia, se utiliza para salvar la información recopilada en los
respectivos cuadros de dialogo de la consulta médica.
El botón marcado como Anteriores en la pantalla de Consulta, abre
una ventana, figura 4.13, en la cual se visualiza el número de consultas
previas y una lista contentiva de la fecha y la hora en que se realizaron.
El paciente_· Edinson Dugarte
Historia N:· H - 9 Ttene un total de : 2 Consultas
Realizadas en los siguientes horarios:
09/09/2004 05:1 9:59 p.m. ! 15/07/2004 03:32:12 p .m .
Abrir Consulta
Figura 4.13. Ventana para buscar consultas anteriores.
Desde la ventana de Consulta el usuario puede abrir uno de los
expedientes señalados en el listado, seleccionando la fecha y accionando el
botón de Abrir Consulta o haciendo doble clic sobre la consulta elegida. Si se
activa el botón cancelar en la ventana Anteriores, el sistema cierra el
expediente de consulta y abre la pantalla de Historia listo para tomar una
nueva consulta.
95
Capítulo IV
El botón reseñado como ECG en la ventana de Historia, abre en
pantalla la ventana de Registros, figura 4.14, por medio de la cual se maneja
el hardware del sistema y permite al usuario tomar el registro
electrocardiográfico.
Oatosdelpacíente ----------------------,
Nomb~. ·
JEdinson Dugarte
1 Omm/mV 25mm/$
n ./\ V
Canal dlil lilntrada
-~ 11 11 1
1
~ ~
~ Anteriores
Fechayliom.· Cédula.·
!1 8798724 jo2109/2004 12:39:31 p.m.
Histc>lfaN~·
jH-9
Monitoreo
}L\ /\ ¡_/\ /,.,./ V 11
Reporte
ln!fltpretaci6n 1 Condusi6n
~ ~ ~ ~ El paciente se encontró normal. ~ se espera verificar el equipo con
~ ~ ~ ~ la validación del instrumento.
.:.J
Historia 1 ~ Editar 1 Guardar Análisis
Figura 4.14. Ventana de Registros electrocardiográficos.
La ventana de registros está diseñada para funcionar en dos
formas de trabajo. La primera forma de trabajo consiste en la
visualización continua de la señal ECG, se activa siempre que se abre
esta ventana o cuando se pulsa el botón reseñado como Monitoreo y
consiste en graficar en tiempo real la señal electrocardiográfica,
durante esta forma de trabajo no se graba la señal que se visualiza y el
botón marcado como Monitoreo cambia por Parar, indicando al usuario
que con una pulsación del mismo se detiene la operación quedando
congelada la imagen que en ese momento se ha graficado.
96
Capítulo W
La segunda forma de trabajo que se implementa desde la ventana de
Registros, permite al usuario realizar la adquisición grabada de cada uno de
los canales que componen el registro de ECG. Esta forma de trabajo es
activada cuando se acciona alguno de los botones contenidos dentro del
espacio señalado como Canal de entrada y se utiliza en conjunto con los
controles del electrocardiograma analógico.
El procedimiento para realizar la adquisición de un registro grabado
es el siguiente:
1) Prepare el electrocardiógrafo analógico en modo de espera
2) Con la ventana de Registros en Monitoreo, verifique el correcto
funcionamiento del sistema y ajuste el nivel de cero sobre la
escala gráfica en el cuadro de imagen utilizando el control de
posición del electrocardiógrafo.
3) Seleccione el botón marcado con el nombre del canal que desea
registrar en el área delimitada como Canal de entrada.
4) Desde el electrocardiógrafo, active el mismo canal previamente
seleccionado en la ventana de registros.
5) Cuando el médico que supervisa la adquisición del
electrocardiograma considere pertinente, presione en forma de
impulso en el electrocardiógrafo, el botón de estandarización o
STO. Esta acción inicia la adquisición de 5 segundos de la señal
del canal seleccionado.
6) Transcurridos 5 segundos el médico puede visualizar, en el
cuadro de imagen de la ventana en pantalla, el trazado gráfico de
la señal registrada, si no está conforme con el registro tomado de
ese canal puede repetir el procedimiento desde el numeral 3 para
realizar una nueva adquisición del mismo canal.
7) Una vez que se ha cumplido el procedimiento para el registro de
un canal, repetir los pasos desde el numeral 3, para realizar la
adquisición de los canales que el médico considere necesarios.
97
Capitulo W
8) Cuando se ha terminado el proceso de adquisición de los
diferentes canales de la señal ECG, accione el botón Guardar
señalado en la ventana de Registros. Para grabar el ECG no
importa cuantos canales sean registrados, pero se recomienda
realizar la adquisición de las 12 derivaciones señaladas en la
ventana.
9) Después de accionar el botón guardar, se activa el botón Guardar
Análisis con el texto intermitente. Durante esta etapa de trabajo
sobre la ventana de registros, el médico puede revisar cada una
de las senales grabadas para realizar el análisis que le permitirá
emitir el diagnostico, solo accionando el botón correspondiente al
canal de entrada que desea visualizar. Durante la operación de
análisis el medico puede anotar los resultados obtenidos del ECG
en los cuadros de dialogo señalados como interpretación y
conclusión.
10)Cuando el médico considere terminada la labor de análisis del
registro ECG debe guardar los resultados anotados accionando el
botón reseñado como Guardar Análisis, en ese instante este
botón desaparece y los datos anotados quedan almacenados
adjunto al registro del ECG que se le acaba de tomar al paciente
en tratamiento.
La intermitencia del texto identificador del botón Guardar Análisis,
resalta la importancia de activarlo después de terminar de anotar los datos
correspondientes al análisis del ECG en los respectivos cuadros de dialogo.
El botón reseñado en la ventana de registros como Reporte, se utiliza
para presentar una ventana en pantalla, figura 4.15, en donde se pueden
observar todos los canales grabados del ECG. Desde la ventana de Reporte
se puede retomar a la ventana de Registros cuando se pulsa el botón
regresar o se puede realizar una impresión en papel corriente tamaño carta,
del formato que se observa en pantalla al activar el botón Imprimir.
98
Capítulo IV
Edinson Dugarte 18798724 02/09/2004 12:39:31 p.m. H-9
RS/54/0.16/0,08/0.34/0,32/80• Del Dr. Jesus 8ellera.
El paciente se encontró normaL Esto es una prueba para la validción del instrumneto.
V1
V2
V4
V5
V6
Imprimir
Figura 4.15. Ventana de Reporte.
99
Capítulo IV
El botón marcado como Anteriores en la pantalla de Registros, abre
una ventana, figura 4.16, en la cual se visualiza el número de registros ECG
realizados con anterioridad y una lista contentiva de la fecha y la hora en que
se fueron tomados. Desde esta ventana el usuario puede abrir uno de los
expedientes ECG señalados en el listado, seleccionándolo y accionando el
botón de Abrir Registro o haciendo doble clic sobre la fecha elegida.
El paciente: Edinson Dugarte
Historia N": H - 9 T7ene un total de . · 8 Registros de ECG
Realizadas en los siguientes horarios.·
02}09/2004 12:39:31 p .m . 07/09/2004 10:29:43 p .m. 08/09/2004 09:33:39 a.m. 08/09/2004 09:45:43 a .m . 10/09/2004 08:51 :41 a.m . 15/07/2004 03:33:14 p .m . 26/07/2004 04:34:04 p .m . 26/07/2004 05:18:37 p .m .
Abrir negistTO
Figura 4.16. Ventana para Abrir Registros anteriores.
La operación de abrir una grabación de ECG anterior permite al
usuario visualizar en el cuadro de imagen de la ventana de Registros, cada
una de las gráficas grabadas, esto se puede realizar accionando el botón
correspondiente en el área reseñada como canal de entrada.
Si se activa el botón cancelar en la ventana Anteriores, el sistema
cierra el expediente de Registros y abre la pantalla de Historia listo para
tomar una nueva adquisición de ECG.
100
Capítulo IV
El botón Editar que se presenta en las ventanas de Historia,
Registros y Consulta, permite al usuario autorizado, borrar o modificar los
datos contenidos en el expediente que se está visualizando. Cuando se
acciona este botón se abre en pantalla la ventana de Edición, figura 4.17, la
cual muestra un cuadro de dialogo y los botones Aceptar, Cancelar, Modificar
y Borrar. Los botones Modificar y Borrar son reseñados además con el
nombre de la ventana que contiene el expediente que se desea editar. Para
editar un expediente de cualquier tipo, es imprescindible introducir
correctamente la clave de seguridad en el cuadro de diálogo, la cual consiste
en una serie de números y/o letras que conforman un código único que solo
debe conocer el personal autorizado.
l lntroduzca la dave de acceso
117yu54VD><I
Modificar Historia
Aceptar Cancelar J
Borrar Historia
Figura 4.17. Ventana de Edición.
Si se pulsa el botón Abrir Historia desde la pantalla de Inicio, se abre
una ventana, figura 4.18, con dos cuadros de dialogo y dos botones de
control, la cual la permite al usuario realizar una búsqueda selectiva de un
expediente de Historia médica en particular. El cuadro de dialogo izquierdo
consiste en una lista desplegable donde el usuario puede seleccionar una de
las posibles formas de búsqueda, el cuadro de dialogo de la derecha permite
ingresar los datos del expediente que se desea encontrar.
101
Capítulo IV
Dpdón de busqueda ----------------,
jN· de Historia
Buscar Historia cancelar
Figura 4.18. Ventana de Abrir Historia.
Si se selecciona la opción de búsqueda "Todas" en la pantalla de
Abrir Historia, se abre una nueva ventana, figura 4.19, donde se muestra el
número de historias contenidas en la base de datos y una lista donde pueden
visualizarse el nombre, el numero de cédula y el número de historia de cada
uno de los pacientes registrados en el sistema.
Existen un /ola/ de.· 27 Histolias médicas
Las cuales son.·
ae5gsfdv3r5tg
H - 7
Ruben Jimenez 14401771 H - 8
Edinson Dugarte 18798724 H-9
arfgawrg gaerr H -10
J
- o ::Rli
1 Abrir , 1 Historia 1
L.. - --- J
Figura 4.19. Ventana Banco de Historias.
102
Capítulo IV
Desde la ventana de banco de Historias, el usuario puede abrir uno
de los expedientes señalados en el listado, seleccionando el número de
historia y accionando el botón de Abrir Historia o haciendo doble clic sobre el
expediente elegido. Si se activa el botón cancelar en esta ventana, el sistema
cierra el expediente de historia y abre la pantalla de Inicio listo para tomar un
nuevo paciente.
El botón de Monitoreo del ECG, en la ventana de Inicio, ofrece un
acceso directo a la ventana de Registros, figura 4.20, pero el sistema solo
queda disponible para trabajar en la forma de monitoreo. En esta ventana se
puede realizar la visualización en tiempo real de la señal ECG pero no se
puede tomar ningún registro grabado, debido a que no se tiene una historia
abierta para realizar la asociación con el paciente que se examina.
l lmnflnll 25mnf¡
Figura 4.20. Ventana de Registros solo para Monitoreo.
En este modo de trabajo, la ventana de Registros muestra 2 botones
y la gráfica donde se visualiza la señal de ECG. Cuando el sistema está
activo, el botón reseñado como Monitoreo cambia a Parar, para permitir al
usuario detener la adquisición en cualquier momento en que desee visualizar
algún detalle. El botón Inicio permite retornar a la pantalla de entrada.
103
Capítulo IV
El botón señalado como Ayuda en la ventana de Inicio, despliega un
cuadro de texto en pantalla contentivo de la información requerida por el
usuario para el correcto manejo del sistema.
El botón reseñado como Salir en la ventana de Inicio, permite al
usuario salir del programa, cerrando las aplicaciones de software del sistema
en el PC.
4.3 Requisitos para el funcionamiento del sistema.
Para que el equipo diseñado funcione correctamente se debe contar
con los siguientes recursos:
• Un electrocardiógrafo analógico.
• línea de alimentación de 120 Vac.
• Una buena conexión de tierra.
• Un área de infraestructura con espacio suficiente para realizar
el examen de ECG, que se encuentre lo mas alejada posible
de cualquier fuente de ruido electromagnético.
• Un computador personal equipado con los requisitos mínimos
indispensables para el correcto funcionamiento de la etapa de
software del sistema, los cuales son:
o Procesador de 120 MHz o superior.
o Un puerto serial del tipo RS232.
o Monitor a color con capacidad mínima de
configuración de 1 024 por 768 píxeles.
o Memoria RAM de por lo menos 32 Mb.
o Programa soporte Windows 95 o superior. Para
funcionar en XP se deben configurar adecuadamente
los puertos.
o Impresora a color láser o de inyección de tinta.
104
Capítulo IV
4.4 Características técnicas del sistema.
La etapa de Hardware del equipo diseñado presenta las siguientes
características técnicas de funcionamiento:
• Impedancia de entrada de 1 00 kQ
• Ajuste fino de ganancia de entrada para compensar el error de
carga de la señal ECG.
• Ajuste de cero para asegurar que la tensión de salida es cero,
cuando la diferencia de potencial de entrada es nula.
• Tiempo de conversión de analógico a digital inferior a 20 f.lS.
• Salida del convertidor AJO de 8 bits
• Resolución de muestreo (1 LSB) de 20 mV
• Periodo de muestreo de 1 ms.
• Comunicación con el PC realizada en forma serial con formato
RS232, de 8 bits a 19200 baudios y con un bit de parada.
• Tiempo requerido para la transmisión serial de 520 ms.
La etapa de software del equipo diseñado presenta las siguientes
características técnicas de funcionamiento:
• Formato de presentación de ventanas en pantalla tipo
Windows.
• Manejo del sistema desde el PC por medio de la acción
pulsante del mouse sobre botones de control.
• Visualización en pantalla de la señal ECG en tiempo real.
• Escala gráfica en amplitud de 1 O mm/m V.
• Escala gráfica del desplazamiento en el tiempo de 25 mm/s.
• Capacidad de almacenamiento de la base de datos de 2 GB
por tabla (6GB en total).
• Formato de presentación impresa de los registros grabados en
papel corriente tamaño carta.
105
Capítulo IV
4.5 Manual de Fallas.
1) En el caso de que el electrocardiógrafo no encienda, asegurarse
de que el cable de alimentación de línea esté conectado y que los
11 O Vac estén presentes.
2) Si no enciende el indicador luminoso de línea del hardware del
sistema, verificar si el cable de enlace entre el electrocardiógrafo
y el hardware está debidamente conectado.
3) Cuando al abrir la ventana de Registros se muestra una
indicación de que no se están recibiendo datos, revisar la
conexión del cable con conectores 089. La conexión al PC debe
estar instalada en el enchufe respectivo del puerto O, para
transmisión serial RS232.
4) Si el software no trabaja cuando se acciona el icono ejecutable,
verifique si el software fue correctamente instalado.
5) En el caso de que el programa presente errores al momento de
abrir la ventana de Registros o tarde demasiado para realizar las
operaciones normales de funcionamiento, se debe asegurar que
el PC cuenta con los requisitos técnicos minimos para el
funcionamiento del software.
6) Si el programa de Windows instalado en el PC es del tipo XP,
deben acondicionarse los puertos, para que el programa que sirve
de plataforma no impida el empleo de los mismos.
7) Cuando el hardware no responde a los comandos transmitidos
desde el PC, solicitar los servicios de personal calificado.
8) En caso de que el hardware del sistema sufra daños ffsicos por la
acción de un impacto, la exposición al calor o el ataque de algún
agente químico, no intente utilizarlo. Solicite la revisión del
sistema por personal debidamente calificado.
106
Capítulo IV
4.6 Precauciones con el empleo del instrumento.
Para utilizar adecuadamente este equipo se recomienda seguir las
siguientes instrucciones:
1) No se debe manipular las partes del hardware con las manos
mojadas.
2) No se puede permitir que personas inexpertas manipulen el
sistema.
3) Se debe evitar la inmersión parcial o total del equipo en agua, la
exposición prolongada a fuentes de calor y el contacto con
agentes químicos corrosivos.
4) Este es un instrumento delicado y por lo tanto no debe ser
golpeado ni agitado fuertemente.
5) En caso de falla no intente repararlo, este instrumento solo puede
recibir mantenimiento de personal calificado.
107
CAPÍTULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
Capítulo V
5.1. Conclusiones.
El diagnóstico de la situación actual de los equipos médicos
empleados en cardiologfa, determinó que la mayoria de médicos e
investigadores están de acuerdo en que es mas práctico utilizar
electrocardiógrafos digitales con aplicaciones en el computador, pero en
muchos de los casos sus requerimientos no se apegan a las caracteristicas
de los equipos que se consiguen en el comercio.
Se implementó un prototipo del sistema propuesto, el cual funcionó
perfectamente en el laboratorio y cumplió con los requerimientos
especificados durante las pruebas de validación realizadas en la unidad de
cardiologia del Hospital Universitario de Los Andes "HULA".
Debido a que las pruebas de funcionamiento y de validación del
prototipo arrojaron resultados satisfactorios, se considera que el sistema
biomédico disenado ha cumplido con los objetivos propuestos en el proyecto
y por consiguiente, es apto para ser incorporado al servicio médico, con su
respectiva implementación en otros electrocardiógrafos analógicos que
puedan ser utilizados por los especialistas en este campo_
109
Capítulo V
Este sistema se diselió partiendo de los datos recopilados y las
condiciones de funcionamiento requeridas por los médicos y los
investigadores, lo que permite afirmar que se cuenta con un instrumento
médico apegado a las necesidades inherentes de nuestro potencial humano
en el campo de la cardiología.
Los electrocardiógrafos analógicos recuperados con la
implementación del sistema desarrollado, son mejorados notablemente
debido a que se incrementa la capacidad de visualización de la señal
graf&eada pennitiendo al cardiólogo captar un mayor número de detalles, por
otro lado se hace posible la utilización de estos equipos como instrumentos
de monitoreo continuo de la selial ECG, consintiendo que este sistema,
también pueda ser utilizado en aplicaciones de quirófano o en las áreas de
cuidados intensivos.
110
Capítulo V
5.2 Recomendaciones.
La velocidad de muestreo se ve limitada debido a la demora que
implica el formato RS232 utilizado para establecer la comunicación entre el
hardware del sistema y el PC, por consiguiente es recomendable redisefíar la
etapa de comunicación del Hardware y ajustar la etapa de software, para
utilizar un manejo de datos de mayor velocidad, tal como el puerto USB o el
puerto paralelo del computador.
Existe la posibilidad de utilizar el convertidor AJO del microcontrolador
PIC16F877 con una mayor precisión, el diselio actual está trabajando con 8
bits pero el programa del microcontrolador puede ajustarse para que realice
la conversión AJO a 1 O bits, lo que permitiria una mejor definición gráfica con
un menor error de conversión.
Dependiendo de los requerimientos de visualización en tiempo real,
se puede implementar el almacenamiento en memoria electrónica
directamente en el mismo hardware, auque esto incrementa ligeramente los
costos se tendria la ventaja de una transmisión de información diferida en el
tiempo que trae como consecuencia la posibilidad de incrementar el
muestreo sin modificar el formato de transmisión.
Uno de los inconvenientes que surgen cuando se está utilizando el
instrumento es el incrementado número de cables que se deben conectar
para poner a funcionar el sistema, por lo tanto se debe estudiar la posibilidad
de acomodar el hardware del sistema dentro del espacio libre del mismo
electrocardiógrafo analógico, quedando expuesto al exterior solo el conector
que lo acopla con el PC.
El software del sistema se diselió solo para el almacenamiento y la
visualización de la sefíal ECG, por consiguiente se recomienda
complementar el software con procedimientos matemáticos de análisis que
permitan al usuario obtener un diagnostico previo automatizado.
111
Capítulo V
En algunos casos, el electrocardiógrafo analógico no esta provisto de
filtros para eliminar completamente el ruido inducido por efectos
electromagnéticos o por la actividad muscular, por lo que es recomendable el
diseño algoritmos en el software del sistema que permita activar filtros
digitales que contribuyan al mejoramiento gráfico de la señal.
Cabe destacar que el desarrollo de este proyecto pronostica que será
muy solicitado, por consiguiente se recomienda realizar el diseno de las
partes de fabricación en serie como son el circuito impreso y el soporte del
chasis del hardware.
Dada la posibilidad de implementar este sistema en otras
aplicaciones biomédicas de adquisición de datos, es recomendable
promocionar el instrumento dentro del campo cientifico, para que se conozca
de su existencia y pueda ser empleado en las diferentes áreas donde se
requiera.
Se recomienda continuar esta linea de investigación para mejorar la
capacidad del sistema desarrollado y generar nuevas aplicaciones
biomédicas.
112
REFERENCIAS.
[1] Espasa-Calpe. Diccionario Enciclopédico Espasa. Editorial Espasa
Calpe. Madrid. 1985. 98 Edición.
(2] Durvan. Gran Enciclopedia Del Mundo. Editorial Durvan, S.A. de
Ediciones-Bilbao. Madrid. 1978.
[3] Asimov, l. Crono/ogia de los Descubrimientos. Editorial Ariel SA.
Barcelona. 1990.
[4] Pan American Health Organization. http://www.paho.org (2004).
[5] Herrera, Amflcar. Ciencia y Tecnologla en América Latina. Siglo Veintiuno
Editores. Caracas, Venezuela. 1975.
[6] A (not so) brief history
http://www .ecglibrary .com/ecghist.html {2003)
of electrocardiography.
[7] González, Moreno H. La Qulmica en Su Mano. Ediciones CO- BO.
Caracas, Venezuela. 1979.
[8] LEXUS. Enciclopedia Temática Autoevaluativa. Volumen 111. Editorial
THEMA. Barcelona. 1999.
[9] Ganong, William F. Fisiologfa Médica. Manual Moderno. Editorial
McGraw-Hill. México, D.F.1999. 178 Edición.
[10] Océano. Diccionario de Medicina Océano Mosby. Grupo Editorial
Océano. Barcelona, Espana. 1996. 48 Edición.
[11] El Cuerpo humano, funcionamiento del aparato circulatorio.
http://personales.ya.com/erfac/circu3.htm (2003)
[12] Fisiologra Cardiaca. http://www.carclioglobal.com.arlfisiologia.htm. (2004)
[13] Jugo, Diego G. Instrumentación en Cardiologia. Universidad de Los
Andes. Mérida, Venezuela. 1997.
[14] Cromwell, L. y Weibell, F. Instrumentación y medidas biomédicas.
Editorial Marcombo. Barcelona. 1980.
[15] Clyde, C. Basic Electronic lnstrument Handbook. Editorial McGraw-Hill.
USA. 1972.
[16] Microsoft. Enciclopedia Interactiva Microsoft Encarta. Microsoft
Corporation. 2002.
[17] Friend, George E. and Fike, John L. Understanding Data Comunications.
Editorial Howard W. Sams & Company. U.S.A. 1988.
[18] Angulo, José M. y Angulo, Ignacio M. Microcontroladores "PIC" Diseflo
Práctico De Aplicaciones. Editorial McGraw-Hill. Madrid. 1999. 2da Edición.
[19] Cassell, Douglas A. Microcomputers and Modem Control Engineering.
Editorial Prentice- Hall Company. Virginia. U.S.A. 1983.
[20] Multipress. Electrónica, Microcontroladores y Microprocesadores.
Editorial Multipress. Madrid. 1999.
[21] Angulo, José M. Yesa, Susana R. Angulo, Ignacio M. Microcontroladores
"PIC" Diseflo Práctico De Aplicaciones Segunda Parte. Editorial McGraw-Hill.
Madrid. 2000. 2da Edición.
[22] Brophy, J. Electrónica Fundamental Para Cientlficos. Editorial Reverte.
Barcelona. 1969.
[23] TEx C.A. Requisitos de construcción para aparatos eléctricos.
http://www.texca.com/pubindex.htm. (2004)
[24] ECG Simulator. http://www.skillstat.com/6sECG_rdm.html (2004).
[25] Siler, Brian y Stoptts Jeff. Visual Basic 6.0 Edición Especial. Editorial
Prentice- Hall Company. Madrid. 1999.
114
ANEXO 1.
Lista de componentes del hardware.
Anexos
Componentes de la fuente doble de poder:
F1 Fusible rápido de tamaño pequeño de 100 mA
T1 Transformador primario 120 Vac, secundario 6+6 Vac 3 VA
01 Puente rectificador, BM18, 1 = 1A, VR = 200 V
C 1 Condensador electrolítico de 25 V 4000 J.tF
C2 Condensador electrolftico de 25 V 4000 f.lF
C3 Condensador plástico de 0.1 f.lF
C4 Condensador plástico de 0.1 J.tF
LE01 Diodo emisor de luz, rojo, que señala "Linea".
R 1 Resistencia de 1 ,2 kO
U1 Circuito integrado 78L05, regulador de voltaje, +5 V 300 mA
Componentes del circuito principal:
R2 Potenciometro miniatura de 20 kO (ajuste de ganancia)
R3 Potenciometro miniatura de 10 kO (ajuste de cero)
R4 Resistencia de 100 kO % W
R5 Resistencia de 100 kO % W
R6 Resistencia de 1 kO % W
R7 Resistencia de 100 kO % W
RB Resistencia de 100 o % W
R9 Resistencia de 100 Q % W
R1 O Resistencia de 100 o % W
R 11 Resistencia de 91 kO % W
R12 Resistencia de 1 O kO % W
R13 Resistencia de 10 kO % W
R14 Resistencia de 2,2 kO % W
116
Anexos
R 15 Resistencia de 47 kQ 1ft. W
R16 Resistencia de 2,2 kQ 1ft. W
R 17 Resistencia de 22 kQ % W
R18 Resistencia de 1 kQ % W
R19 Resistencia de 1 kQ % W
R20 Resistencia de 1 kQ % W
R21 Resistencia de 1 kQ % W
R22 Resistencia de 1 kQ Y,. W
R23 Resistencia de 1 kQ % W
R24 Resistencia de 1 kQ % W
R25 Resistencia de 1 kQ % W
R26 Resistencia de 1 kQ % W
R27 Resistencia de 1 kQ % W
R28 Resistencia de 1 kO % W
C5 Condensador cerámico 15 pF
C6 Condensador cerámico 15 pF
C7 Condensador electrolftico 1 tJF 50 V
Z1 Diodo Zener de 5,1 V ~ W
Ld1 Diodo emisor de luz "Leds" 3 mm, de color verde
Ld2 Diodo emisor de luz "Leds" 3 mm, de color verde
Ld3 Diodo emisor de luz "Leds" 3 mm, de color amarillo.
Ld4 Diodo emisor de luz "Leds" 3 mm, de color amarillo.
Ld5 Diodo emisor de luz "Leds" 3 mm, de color amarillo.
Ld6 Diodo emisor de luz "Leds" 3 mm, de color amarillo.
Ld7 Diodo emisor de luz "Leds" 3 mm, de color amarillo.
Ld8 Diodo emisor de luz "Leds" 3 mm, de color amarillo.
Ld9 Diodo emisor de luz "Leds" 3 mm, de color amarillo.
Ld10 Diodo emisor de luz "Leds" 3 mm, de color amarillo.
XT Cristal de 4.0000 Mhz
117
Anexos
Q1 Transistor NPN, 2N3705
Q2 Transistor NPN, 2N3705
U2 Circuito integrado uA7 41, Amplificador Operacional
U3 Circuito integrado PIC16F877*04, Microcontrolador
U4 Circuito integrado uA741, Amplificador Operacional
Nota: los elementos indicados como E. .. corresponde a los pines del
conector SIP20.
118
Anexos
ANEXO 2.
Electrocardiógrafo Analógico
Utilizado en el prototipo
119
Anexos
Figura A.1. Vista superior del Electrocardiógrafo Analógico.
Figura A.2. Vista posterior del Electrocardiógrafo Analógico.
120
Anexos
Figura A.3. Hardware completo.
121
Anexos
ANEXO 3.
Ejemplo de impresión de ECG del sistema.
122
Edinson Dugarte 18798724 0210912004 12:39:31 p.m.
Interpretación: RSJ5410,16/0,0810,3410,32/80° Del Dr. Jesús Bellera.
Conclusión: El paciente se encontró nonnal, Esto es una prueba para la validación del instrumento.
·+ 1 1 1
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