Sistema de adquisición y procesamiento de la señal ...
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Sistema de adquisición y Sistema de adquisición y procesamiento de la señal procesamiento de la señal Electrocardiográfica para la Electrocardiográfica para la detección temprana de pacientes detección temprana de pacientes chagásicos chagásicos Nelson Nelson Dugarte Dugarte Rubén Medina Rubén Medina Rubén Rojas Rubén Rojas Fundación Centro Nacional para el Desarrollo e Investigación en Tecnologías Libres Y UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Mérida, Junio de 2008 Mérida, Junio de 2008
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Sistema de adquisición y Sistema de adquisición y procesamiento de la señal procesamiento de la señal
Electrocardiográfica para la Electrocardiográfica para la detección temprana de pacientes detección temprana de pacientes
chagásicoschagásicosNelson Nelson DugarteDugarte
Rubén MedinaRubén Medina
Rubén RojasRubén Rojas
Fundación Centro Nacional para el Desarrollo e Investigación en Tecnologías
LibresY
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
Mérida, Junio de 2008Mérida, Junio de 2008
ResumenResumen
Este proyecto consiste en el desarrollo de un Este proyecto consiste en el desarrollo de un equipo en el área de Ingeniería biomédica, con la equipo en el área de Ingeniería biomédica, con la finalidad de realizar la detección temprana de finalidad de realizar la detección temprana de enfermedades cardiovasculares de metabolismo enfermedades cardiovasculares de metabolismo retardado como el mal de Chagas.retardado como el mal de Chagas.
Este informe presenta un resumen de las Este informe presenta un resumen de las actividades realizadas durante la primera etapa actividades realizadas durante la primera etapa del desarrollo del proyecto.del desarrollo del proyecto.
Dichas actividades están compuestas por:Dichas actividades están compuestas por: Documentación e Investigación sobre los sistemas Documentación e Investigación sobre los sistemas
requeridos para el desarrollo del proyecto.requeridos para el desarrollo del proyecto. Trabajos de diseño del proyecto.Trabajos de diseño del proyecto. Divulgación de resultados.Divulgación de resultados.
Justificación del proyecto.Justificación del proyecto.
Las enfermedades cardiovasculares, llegan a Las enfermedades cardiovasculares, llegan a constituir una de las primeras causas de muerte constituir una de las primeras causas de muerte en la población mundial. en la población mundial.
Enfermedades transmisibles
Enfermedades del sistema circulatorio
Neoplasias de todo tipo
Causas externas
Índice de mortalidad en Venezuela para 2001.Índice de mortalidad en Venezuela para 2001.
Datos de la Organización Panamericana de la Salud “PAHO”
La enfermedad de La enfermedad de ChagasChagas
La Enfermedad de La Enfermedad de Chagas Chagas (Tripanosomiasis (Tripanosomiasis Americana) Americana) , , fue fue descubierta en el año descubierta en el año 1909 por el1909 por el Dr. CARLOS Dr. CARLOS JUSTINIANO RIBEIRO JUSTINIANO RIBEIRO DAS CHAGAS, en BrasilDAS CHAGAS, en Brasil
Parásito Tiripanosoma Cruzi.
Se calcula que solo en Latinoamérica hay mas de 16 Se calcula que solo en Latinoamérica hay mas de 16 millones de personas con mal de Chagas. Muchos millones de personas con mal de Chagas. Muchos de ellos morirán antes de saber que están de ellos morirán antes de saber que están infectados.infectados.
El agente transmisor del parásito es el insecto El agente transmisor del parásito es el insecto denominado popularmente en Venezuela “Chipo o denominado popularmente en Venezuela “Chipo o Pito”. Pito”.
Variedades de Chipos o Vinchucas conocidos.
Cuadro Clínico Cuadro Clínico
Al comienzo de la infección es el chagas Al comienzo de la infección es el chagas agudo y luego sobreviene un largo período agudo y luego sobreviene un largo período latente y silencioso para concluir en el latente y silencioso para concluir en el denominado chagas crónico, cuando un denominado chagas crónico, cuando un órgano está afectado.órgano está afectado.
Afecciones de Chagoma de inoculación
El CorazónEl Corazón
El corazón es uno de los El corazón es uno de los órganos mas importantes del órganos mas importantes del cuerpo.cuerpo.
Constituye la bomba que Constituye la bomba que impulsa la sangre a moverse.impulsa la sangre a moverse.
El músculo del corazón se El músculo del corazón se contrae en forma contrae en forma programada. programada.
El CorazónEl Corazón
Proceso de contracciónProceso de contracción
La contracción sistemática La contracción sistemática permite la máxima eficiencia permite la máxima eficiencia en el bombeo de la sangre.en el bombeo de la sangre.
Los ventrículos son las Los ventrículos son las cámaras que generan la cámaras que generan la presión sanguínea.presión sanguínea.
El completo llenado de los El completo llenado de los ventrículos depende de las ventrículos depende de las aurículas. aurículas.
Estimulación del miocardioEstimulación del miocardio
El sistema nervioso del El sistema nervioso del corazón es el encargado de corazón es el encargado de generar la contracción generar la contracción secuencial del miocardio.secuencial del miocardio.
La señal ECG se origina en el La señal ECG se origina en el nodo SA y se extiende por nodo SA y se extiende por las terminaciones nerviosas.las terminaciones nerviosas.
La señal cardiacaLa señal cardiaca La señal de biopotencial que se desplaza por todo el La señal de biopotencial que se desplaza por todo el
músculo miocardio, es conducida hasta la superficie del músculo miocardio, es conducida hasta la superficie del cuerpo humano, en donde se puede obtener una señal cuerpo humano, en donde se puede obtener una señal eléctrica que refleja el funcionamiento mecánico del eléctrica que refleja el funcionamiento mecánico del corazóncorazón o ECG. o ECG.
Señal de biopotencial en el corazón.Ganong W., 2001, Cap. 28.
El Registro ECGEl Registro ECG
El electrocardiograma o El electrocardiograma o ECG es obtenido por el ECG es obtenido por el electrocardiógrafo.electrocardiógrafo.
La gráfica se realiza sobre La gráfica se realiza sobre un formato cuadriculado un formato cuadriculado estandarizado.estandarizado.
El desplazamiento en el El desplazamiento en el tiempo es de 25 mm/s.tiempo es de 25 mm/s.
El desplazamiento de El desplazamiento de amplitud es de 10 amplitud es de 10 mm/mV.mm/mV.
Potenciales Tardíos en el Potenciales Tardíos en el ECGARECGAR
Los potenciales Los potenciales tardíos son tardíos son manifestaciones de manifestaciones de atenuaciones y atenuaciones y retrasos de algunos retrasos de algunos de los componentes de los componentes de la onda de de la onda de despolarización despolarización cardiaca.cardiaca.
ECGAR con indicación de diversas ondas y segmentos.Fuente: Vargas M., 1996, Cap. 1, fig. 1.1.
Medición del RAZMedición del RAZ
Se puede definir una Se puede definir una zona RAZ como un zona RAZ como un marcador de las marcador de las componentes HF (entre componentes HF (entre 150 y 250 Hz) del QRS 150 y 250 Hz) del QRS
Para la medición del Para la medición del RAZ, después que el RAZ, después que el ECG es promediado y ECG es promediado y filtrado, se detectan los filtrado, se detectan los mínimos y máximos mínimos y máximos locales de la señal locales de la señal resultante.resultante.
HF QRS con una zona RAZ de un paciente con cardiopatía
Señal HF QRS de un paciente sano
El ECG de alta resolución El ECG de alta resolución (ECGAR)(ECGAR)
El ECG convencional está dispuesto para obtener El ECG convencional está dispuesto para obtener una forma de onda con la suficiente definición una forma de onda con la suficiente definición para la visualización humana, mientras que la para la visualización humana, mientras que la ECGAR trata de realizar el análisis sobre señales ECGAR trata de realizar el análisis sobre señales que escapan al ojo humano como los potenciales que escapan al ojo humano como los potenciales tardíos.tardíos.
El ECG típico es amplificado para visualizar El ECG típico es amplificado para visualizar detalles en el orden de los milivoltios (mV) y es detalles en el orden de los milivoltios (mV) y es digitalizado a 500 muestras por segundo con 8 digitalizado a 500 muestras por segundo con 8 bits de resolución. El ECGAR debe permitir bits de resolución. El ECGAR debe permitir detallar señales en el orden de los microvoltios detallar señales en el orden de los microvoltios (µV), para esto la señal es digitalizada a 2000 (µV), para esto la señal es digitalizada a 2000 muestras por segundo con 12 bits de resolución.muestras por segundo con 12 bits de resolución.
Hardware del SistemaHardware del Sistema ElEl desarrollo actual consta de un modulo de desarrollo actual consta de un modulo de
adquisición simultánea de 8 de las 12 derivaciones adquisición simultánea de 8 de las 12 derivaciones del ECGAR, que se interconecta a una del ECGAR, que se interconecta a una computadora personal (PC) mediante el puerto computadora personal (PC) mediante el puerto USB. USB.
Amplificador de Amplificador de BiopotencialBiopotencial
Esquema eléctrico del amplificador de Esquema eléctrico del amplificador de biopotenciales, usado para la adquisición del canal biopotenciales, usado para la adquisición del canal III de la señal ECG. III de la señal ECG.
C2750pF
C31uF
U4A
OPA2335
+5V
Vo+
Rg
Rg RefVs
Vd
U3INA326
2,5V
U1B
RL
U2BU2A
OPA2335
C1 39pF
2,5V
U1A
OPA2335
D3 D4
LL
D2D1
LA
III
U4B
C4 750pF
2,5V
R4B10k
R10100k
R91M
R75k
R4A10k
R5 390kR620k
R2 10k R340k
R1 10k
R8 1M
Circuito impresoCircuito impreso Debido a que el amplificador INA326 es del tipo MSOP-8 Debido a que el amplificador INA326 es del tipo MSOP-8
(montaje superficial miniatura de 8 pines) y el OPA2335 es del (montaje superficial miniatura de 8 pines) y el OPA2335 es del tipo SO-8 (montaje superficial simple de 8 pines), se requiere tipo SO-8 (montaje superficial simple de 8 pines), se requiere diseñar un circuito impreso para poder probar los circuitos.diseñar un circuito impreso para poder probar los circuitos.
Cara superior Cara inferiorCircuito impreso doble cara para probar el amplificador INA326.
Montaje de pruebaMontaje de prueba
Componentes ensamblados en el circuito impresoComponentes ensamblados en el circuito impreso
Etapa de digitalizaciónEtapa de digitalización Los circuitos de digitalización dependen del Los circuitos de digitalización dependen del
microcontrolador. microcontrolador.
Resolución = Amplitud ÷ [Nº de bits ]Resolución = Amplitud ÷ [Nº de bits ]
( 5 V ) ( 5 V ) ÷÷ [ 4096 ] = 1,22 mV [ 4096 ] = 1,22 mV
Como la señal original es amplificada 1000 Como la señal original es amplificada 1000 vecesveces
la resolución real es de la resolución real es de 1,22 µV1,22 µV
Entrada al MicrocontroladorEntrada al Microcontrolador(dsPIC30F3013)(dsPIC30F3013)
Velocidad requeridaVelocidad requerida
La frecuencia de transmisión está dada La frecuencia de transmisión está dada por: por:
FFTT = N = Nbb * N * NPP * N * NMM * N * NCC = 10 * 2 * 2000 * 8 = 10 * 2 * 2000 * 8
FFTT = 320.000 bps. = 320.000 bps.
Donde:Donde: FFT T = Número de bits por segundo (bps) a = Número de bits por segundo (bps) a
transmitir.transmitir. NNbb = Número de bits a transmitir por paquete. = Número de bits a transmitir por paquete. NNPP = Número de paquetes por dato. = Número de paquetes por dato. NNMM = Número total de muestras por canal. = Número total de muestras por canal. NNCC = Número de canales a transmitir. = Número de canales a transmitir.
Comunicación de datosComunicación de datos
La comunicación de datos con el La comunicación de datos con el computador se realiza en protocolo USB. computador se realiza en protocolo USB.
El dispositivo escogido para trabajar como El dispositivo escogido para trabajar como interfase USB es el CP2102.interfase USB es el CP2102. El CP2102 funciona con pocos componentes.El CP2102 funciona con pocos componentes.
Este dispositivo maneja los datos en protocolo Este dispositivo maneja los datos en protocolo RS232 hasta 921,6 Kbps, y carga un software en RS232 hasta 921,6 Kbps, y carga un software en el computador que instala un puerto COM virtual el computador que instala un puerto COM virtual para facilitar la comunicación.para facilitar la comunicación.
El CP2102El CP2102 Este dispositivo se encarga de establecer el Este dispositivo se encarga de establecer el
protocolo de comunicación USB con el protocolo de comunicación USB con el computador.computador.
Montaje de prueba del Montaje de prueba del CP2102CP2102
(Montaje tipo QFN de 28 pines)(Montaje tipo QFN de 28 pines)
Diseño del circuito Diseño del circuito impresoimpreso
Primer montaje de Primer montaje de pruebaprueba
Resultados PreliminaresResultados Preliminares
El desarrollo del El desarrollo del software de este software de este proyecto esta en su proyecto esta en su etapa inicial.etapa inicial.
Hasta el momento se Hasta el momento se ha realizado la ha realizado la manipulación de la manipulación de la señal ECG utilizando señal ECG utilizando programación con programación con software especializado software especializado como Visual Basic y como Visual Basic y LabView, pero el LabView, pero el trabajo definitivo se trabajo definitivo se realizará en software realizará en software libre.libre.
ReporteReporte
Publicación de Publicación de ResultadosResultados
La publicación de resultados ha hecho del La publicación de resultados ha hecho del conocimiento público los avances sobre el conocimiento público los avances sobre el desarrollo de este proyecto en tres eventos desarrollo de este proyecto en tres eventos científicos. científicos.
Publicación 1: Publicación 1: Título:Título: “ “Adquisición y procesamiento de la señal Adquisición y procesamiento de la señal
Electrocardiográfica, basado en la extracción de Electrocardiográfica, basado en la extracción de potenciales intra-QRS e índices de variabilidad potenciales intra-QRS e índices de variabilidad del intervalo QT”del intervalo QT”
Lugar de la ponencia:Lugar de la ponencia: IV Congreso IV Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica Latinoamericano de Ingeniería Biomédica “CLAIB2007”. Isla de Margarita, Venezuela.“CLAIB2007”. Isla de Margarita, Venezuela.
Publicación 2:Publicación 2: Título:Título: “Adquisición y procesamiento de la “Adquisición y procesamiento de la
señal electrocardiográfica señal electrocardiográfica de alta resolución”de alta resolución” Lugar de la ponencia: Lugar de la ponencia: VI Jornadas de VI Jornadas de
Ingeniería 2007. Mérida, Venezuela.Ingeniería 2007. Mérida, Venezuela.
Publicación 3:Publicación 3: Título:Título: “ “EsquemaEsquema de Conexión USB para un de Conexión USB para un
Electrocardiógrafo DigitalElectrocardiógrafo Digital”” Lugar de la ponencia:Lugar de la ponencia: 3er Congreso 3er Congreso
Iberoamericano de Estudiantes de Ingeniería Iberoamericano de Estudiantes de Ingeniería Eléctrica “III CIBELEC 2008”. Mérida, Eléctrica “III CIBELEC 2008”. Mérida, Venezuela.Venezuela.
ConclusionesConclusiones
Se ha logrado adquirir una base técnica Se ha logrado adquirir una base técnica bien fundamentada, que permitirá el bien fundamentada, que permitirá el desarrollo de un equipo médico requerido desarrollo de un equipo médico requerido especialmente en las áreas sociales mas especialmente en las áreas sociales mas necesitadas.necesitadas.
Es importante resaltar que el diseño de Es importante resaltar que el diseño de este proyecto se ejecuta con el desarrollo este proyecto se ejecuta con el desarrollo de tecnología propia, en busca de nuestra de tecnología propia, en busca de nuestra independencia tecnológica.independencia tecnológica.
