Sistema reproductor de ECG digital y detector de …159.90.80.55/tesis/000133733.pdf · REPRODUCTOR...

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

Decanato de Estudios Profesionales

Coordinación de Ingeniería Electrónica

SISTEMA REPRODUCTOR DE ECG DIGITAL

Y DETECTOR DE EVENTOS CON

DISCRIMINACIÓN DE RITMO CARDÍACO

Por:

Yuber Alejandro Delgado Bolívar

José Luis Villena Mevius

Sartenejas, Enero del 2006




SISTEMA REPRODUCTOR DE ECG DIGITAL

Y DETECTOR DE EVENTOS CON

DISCRIMINACIÓN DE RITMO CARDÍACO

Por:



Realizado con la Asesoría de

Dr. Omar J. Escalona

PROYECTO DE GRADO

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico

Sartenejas, Enero del 2006




SISTEMA REPRODUCTOR DE ECG DIGITAL Y DETECTOR

DE EVENTOS CON DISCRIMINACIÓN DE RITMO CARDÍACO

PROYECTO DE GRADO presentado por



Realizado con la asesoría de:

Tutor: Asesor: Dr. Omar J. Escalona Ing. Guillermo Villegas

RESUMEN

El sistema permite monitorear la señal del corazón de un paciente y discriminar la frecuencia de su ritmo cardiaco. Este dispositivo adquiere bases de datos provenientes de un PC, almacena la información, procesa la misma y reproduce señales electrocardiográficas (ECG) que pueden ser mostradas analógicamente con un osciloscopio. El dispositivo, además de reproducir señales de ECG, es capaz de discriminar el periodo de los latidos del corazón por medio de la detección del complejo QRS, mandando una señal de disparo cuando dicha detección ocurre en menor tiempo del establecido con respecto al QRS anterior. Resalta el hecho de la comunicación del dispositivo, que le permite adaptarse a computadoras que manejan la interfase serial y también con computadoras que manejan la interfase USB. El sistema permite el almacenamiento de información de forma permanente a través de una memoria RAM no volátil, lo cual hace portátil al dispositivo, permitiendo que la aplicación se realice fuera de línea. PALABRAS CLAVES

Electrocardiografía, Reproductor ECG, Detección de QRS, Intervalo RR, Ritmo cardíaco, Nonvolatile SRAM, USB, CRC, DAC.

Aprobado con mención: _________

Postulado para el premio: ________

Sartenejas, Enero de 2006

AGRADECIMIENTOS

A mis padres y Familiares por su apoyo, su alegría y sus deseos de verme en casa.

A Annika Gillis, por su apoyo incondicional cada momento que lo necesité

A mi compañero de tesis José Luis por su invaluable amistad, su apoyo y por su paciencia.

Al profesor Omar Escalona por darnos la oportunidad de realizar este proyecto.

Al profesor Camilo Castro, gran amigo y evaluador de seguimiento, por las observaciones.

Al profesor Guillermo Villegas por su valiosa colaboración, asesoría, y sobretodo por su

insistencia en que todo se hiciera de manera correcta.

A la profesora Marta Pérez por esos buenos consejos durante la realización de la tesis.

A Julio Cruz, amigo incondicional, por su apoyo y colaboración en la realización de este

proyecto.

A toda la gente del GBBA Giancarlos, Daniel, Ariel, que de alguna manera u otra fueron de

gran ayuda.

A todos mis amigos y compañeros, que aún sin saberlo, me motivaron a terminar este

proyecto.

Yuber.

A mi papa, por apoyarme en todo momento.

A mi compañero de tesis Yuber, por su amistad.

Al profesor Villegas, por su colaboración a lo largo de todo el proyecto

A Julio Cruz, por sus valiosas observaciones.

A mis amigos, a mis compañeros del GBBA y a quienes me ayudaron a culminar de forma

satisfactoria este proyecto.

José Luis

i

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE GENERAL………………………………………………………………………… i

ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………………………………………. iii

ÍNDICE DE TABLAS……………………………………………………………………...vi

SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS………………………………………………………...vii

CAPÍTULO 1.- INTRODUCCIÓN………………………………………………………. 1

CAPÍTULO 2.- MARCO TEÓRICO…………………………………………………….. 3

2.1.- ELECTROCARDIOGRAFÍA……………………………………………….….. 3

2.1.1.- ONDAS QUE COMPRENDEN LA SEÑAL ECG……………………...4

2.2.- FIBRILACIÓN AURICULAR…………………………………………………..8

2.3.- BASE DE DATOS……………………………………………………………… 9

2.4.- ESTÁNDARES DE COMUNICACIÓN……………………………………….12

2.4.1.- Interfaz RS-232…………………………………………………………12

2.4.2.- Bus Serial Universal (Universal Serial Bus)…………………………... 13

2.4.2.1.- Funcionamiento……………………………………………… 14

2.4.2.2.- USB: CP2103 Breakout Board………………………………. 14

2.4.2.3.- Conversor Serial a USB………………………………………15

2.5.- PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN……………………………………….. 16

2.5.1.- CÓDIGO DE REDUNDANCIA CÍCLICA (CRC)…………………… 17

2.6.- DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO…………………………………. 18

2.7.- FILTROS ACTIVOS …………………………………………………………...19

CAPÍTULO 3.- DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ……………………………………...21

3.1.- REPRODUCTOR DIGITAL EN LabView (ECG Player) …………………….21

3.2.- TARJETA DE ADQUISICIÓN ………………………………………………..25

3.2.1.- DAC (Digital Analog Converter) ………………………………………26

3.2.2.- ALMACENAMIENTO DIGITAL: Memoria RAM …………………...29

3.2.3.- PANTALLA LCD (Liquid Cristal Display) ……………………………32

3.3.- REPRODUCTOR ECG ANALÓGICO ………………………………………..35

3.3.1.- MICROCONTROLADOR MC68HC908GP32 ……………………….36

ii

3.4.- DISEÑO DEL REPRODUCTOR ANALÓGICO ……………………………...42

3.5.- DETECTOR DE QRS…………………………………………………………..46

3.5.1.- OBTENCIÓN DEL INTERVALO RR ………………………………...46

3.5.2.- ASPECTOS INICIALES DEL DISEÑO ………………………………47

3.5.2.1.- Filtro QRS …………………………………………………….49

3.5.2.2.- Rectificador de media onda ………………………………….49

3.5.2.3.- Circuito de Umbral (Threshold circuit)………………………49

3.5.2.4.- Comparador ………………………………………………….49

3.5.2.5.- Monoestable ………………………………………………….49

3.5.3.- FILTRO PASABANDA DE SEGUNDO ORDEN…………………….50

3.5.4.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA ………………………………..53

3.5.5.- CIRCUITO DE UMBRAL (THRESHOLD CIRCUIT)………………..54

3.5.6.- COMPARADOR ……………………………………………………….55

3.6.- MICROCONTROLADOR MC68HLC908QT4……………………………….57

3.6.1.- PROGRAMACIÓN DEL MC68HLC908QT4 ………………………..59

3.7.- DISEÑO DEL CIRCUITO DE DISCRIMACION DE RITMO ……………….62

CAPÍTULO 4.- RESULTADOS …………………………………………………………65

4.1.- MÓDULO ECG Player ………………………………………………………65

4.2.- EQUIPO ECG PORTÁTIL …………………………………………………….68

4.2.1.- OPERACIÓN DEL EQUIPO PORTATIL ……………………………..71

4.3.- REPRODUCTOR Y DEL DETECTOR EN EL OSCILOSCOPIO …………..75

4.4.- EVALUACION DEL DETECTOR DE QRS…………………………………. 76

4.5.- SOFTWARE ECG Player EN LabView 7.1 …………………………………...81

CAPÍTULO 5.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ………………………83

REFERENCIAS ………………………………………………………………………….86

iii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1.- (a) Ubicación en la superficie corporal de las derivaciones de ECG

(b) Terminal Central de Wilson…………………………………………….. 5

Figura 2.2.- Ondas Presentes en un ECG…………………………………………………. 6

Figura 2.3.- ECG de la Fibrilación Auricular…………………………………………….. 8

Figura 2.4.- Formato del archivo .hea (registro 100)……………………………………. 10

Figura 2.5.- Formato 212: Ordenamiento de los bits por cada 3 bytes………………….. 12

Figura 2.6.- Foto del Breakout Board CP2103………………………………………….. 15

Figura 2.7.- Formato del Protocolo de Comunicación………………………………….. 16

Figura 2.8.- BQ4017 Memoria RAM 2048x8 KBits………………………………….… 18

Figura 3.1.- Ilustración de la Selección del Registro……………………………………. 22

Figura 3.2.- Ilustración de la Conversión de los datos en formato 212 ………………….22

Figura 3.3.- Ilustración de la Reproducción con el programa ECG Player ……………..23

Figura 3.4.- Configuración del puerto para transmisión de datos ……………………….24

Figura 3.5.- Ilustración de los datos transmitiéndose a la tarjeta. ………………………..24

Figura 3.6.- Tarjeta de Adquisición ……………………………………………………..25

Figura 3.7.- Diagrama de Bloques de la Tarjeta de Adquisición ………………………..26

Figura 3.8.- Diagrama Funcional del DAC ………………………………………………27

Figura 3.9.- Configuración del DAC …………………………………………………….27

Figura 3.10.- Salida para voltaje a la salida del DAC ±2.5VDC ………………………….29

Figura 3.11.- Encapsulado de la Memoria BQ4017 ……………………………………….30

Figura 3.12.- (a) Algoritmo para Escribir la RAM

(b) Algoritmo para Leer la RAM……………………………………………31

Figura 3.13.- Conexión del LCD con el HC08 ……………………………………………32

Figura 3.14.- Algoritmo Básico para inicialización y manejo del LCD …………………34

Figura 3.15.- Jumpers para seleccionar entre el SERIAL y el USB ………………………35

Figura 3.16.- Encapsulado del MC68HC908GP32 ………………………………………..38

Figura 3.17.- Módulos internos del MC68HC908GP32 …………………………………..39

Figura 3.18.- Puertos del microcontrolador MC68HC908GP32 ………………………….39

iv

Figura 3.19.- Tarjeta del circuito oscilador de 32.768 Hz ………………………………..40

Figura 3.20.- Mapa de la Memoria del MC68HC908GP32 ………………………………41

Figura 3.21.- Sistema Reproductor Analógico ECG ………………………………………44

Figura 3.22.- Diagrama de Bloques del Detector de QRS ………………………………...47

Figura 3.23.- Composición espectral de la onda ECG. ……………………………………48

Figura 3.24.- SNR entre el complejo QRS y los distintos tipos de ruido………………….48

Figura 3.25.- Diagrama de bloques del algoritmo Pan-Tompkins ………………………..50

Figura 3.26.- Circuito del Filtro Pasa Banda de segundo orden. ………………………….51

Figura 3.27.- Expresión de la Funcion de Transferencia del filtro pasabanda …………….51

Figura 3.28.- Grafica de la Funcion de Transferencia del filtro pasabanda ……………….52

Figura 3.29.- (a) Onda ECG sin Filtrar

(b) Onda ECG despues del filtro ……………………………………………52

Figura 3.30.- Onda ECG Filtrada y Rectificada ………………………………………….53

Figura 3.31.- Circuito Rectificador de Media Onda ………………………………………53

Figura 3.32.- Circuito de Threshold ……………………………………………………….54

Figura 3.33.- Evolución del umbral de Vt hasta la detección un QRS.……………………55

Figura 3.34.- Circuito Comparador ………………………………………………………..56

Figura 3.35.- Encapsulado del MC68HLC908QT4 ……………………………………….57

Figura 3.36.- Módulos internos del MC68HLC908QT4…………………………………..57

Figura 3.37.- Ventana Principal del CodeWarrior para la programación del QT4 ………..59

Figura 3.38.- Módulos de Programación disponibles para la programación del QT4 …….60

Figura 3.39.- Simulador del CodeWarrior.………………………………………………...61

Figura 3.40.- Cálculo de los tiempos en las Secuencias RR ………………………………62

Figura 3.41.- Diseño del Detector de QRS y Discriminador de Ritmo Cardíaco …………64

Figura 4.1.- Esquemático del Modulo Reproductor / Detector ECG Player ………….66

Figura 4.2.- Circuito Impreso ECG Player (a) Cara de Superior

(b) Cara de Inferior…………………………67

Figura 4.3.- Acabado final del PCB ECG Player sin componentes (Cara Superior) ……68

Figura 4.4.- Acabado final del PCB ECG Player sin componentes (Cara Inferior) …….69

Figura 4.5.- Acabado final del PCB ECG Player con sus componentes (Cara Superior) .69

Figura 4.6.- Acabado final del PCB ECG Player con sus componentes (Cara Inferior) ...70

v

Figura 4.7.- Prototipo del Módulo ECG Player acoplado a la Tarjeta de adquisición …...70

Figura 4.8.- Cable de alimentación y cable USB acoplados al Módulo ECG Player ……71

Figura 4.9.- Reproducción del Registro 100 en el osciloscopio………………………….75

Figura 4.10.- Información del Registro 100 en el LCD, reproduciendo el canal 1 ………..75

Figura 4.11.- Ilustración de la reproducción en software del registro 102 ………………..82

vi

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3.1.- Tabla de la Verdad del la Memoria RAM BQ4017 ………………………...31

Tabla 3.2.- Conexiones de la Pantalla LCD …………………………………………….33

Tabla 3.3.- Componentes del Oscilador ………………………………………………...40

Tabla 3.4.- Disposición de los Recursos del HC08 ……………………………………..45

Tabla 3.5.- Características del MC68HLC908QT4 ……………………………………..58

Tabla 3.6.- Recursos utilizados del MC68HLC908QT4 ………………………………..63

Tabla 4.1.- Especificaciones Técnicas del Módulo ECG Player.……………………….72

Tabla 4.2.- Lista de componentes utilizados para la construcción del prototipo ………..73

Tabla 4.3.- Porcentaje de aciertos en el registro 100. …………………………………...76

Tabla 4.4.- Porcentaje de aciertos en el registro 101. ...…………………………………77








Tabla 4.12.- Porcentaje de aciertos en el registro 200. ...……….………………………81

vii

SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS

ADC Conversor de analógico a digital (Analog to Digital Converter).

BIH Hospital Beth Israel (Beth Israel Hospital)

CRC Código de redundancia cíclica (Cyclic Redundancy Check).

DAC Conversor de digital a analógico (Digital to Analog Converter).

ECG Electrocardiograma.

FLASH Tecnología de memorias no-volátiles que se escriben y borran

por bloques.

Firmware Programa de elementos físicos (hardware). En este proyecto,

programa del microcontrolador.

Hardware Elementos físicos.

Kbps kilobits por segundo.

kBps kilobytes por segundo.

LabView Ambiente de desarrollo basado en programación Gráfica.

LCD Pantalla de Cristal Líquido (Liquid Cristal Display)

MB Megabytes.

Mbps Megabits por segundo.

MIT Instituto de Tecnología de Massachussets (Massachussets

Institute of Technology).

Offset Desviación

RAM Memoria de acceso aleatorio (Random Access Memory).

Rx Comunicación serial asíncrona: línea de Recepción.

Software Programa en computadora.

Tx Comunicación serial asíncrona: línea de Transmisión

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN

Las enfermedades cardíacas son una de las principales causas de muerte a nivel

mundial y es por ello que actualmente se dedican grandes esfuerzos para su estudio,

prevención y tratamiento.

La fibrilación auricular es la arritmia sostenida de mayor ocurrencia en pacientes

cardíacos. Se caracteriza por la pérdida de la activación cíclica y ordenada de las aurículas,

sustituida por una actividad continua y desordenada, donde pequeñas áreas auriculares se

despolarizan simultáneamente. Lleva a la pérdida de la contracción auricular organizada y

eficiente.

El estudio de la fibrilación auricular ha llevado a desarrollar durante muchos años,

sistemas de detección, capaces de reconocer algunos tipos de arritmia frecuentes en la

población. Para hacer un seguimiento continuo de la actividad del corazón se emplea el

electrocardiograma, el cual se ha convertido, por su sencillez y bajo costo, en una de las

técnicas de diagnóstico médico mas utilizadas.

Concretamente, el presente trabajo tiene como objetivo el diseño y la

implementación de un sistema reproductor de electrocardiograma (ECG) con un detector de

eventos ECG y discriminador de ritmo cardíaco. Dicho sistema permite reproducir

cualquier registro de la base de datos MIT-BIH (Massachussets Institute of Thecnology -

Beth Israel Hospital) que esté en formato 212, es decir de 12 bits incluyendo el bit de

signo.

El reproductor es un dispositivo de adquisición y procesamiento de dos canales

provenientes de un paciente, los cuales están ya almacenados en una base de datos digital,

en este caso. El registro es guardado por completo en una memoria RAM no volátil, de

manera que sea portátil y no requiera estar conectado al PC de forma permanente,

únicamente cuando se desea transmitir un nuevo registro de la base de datos digitalizada.

2

La transmisión de la base de datos se lleva a cabo por medio de una interfase serial

o una interfase USB, dando la oportunidad al dispositivo de adaptarse tanto a computadoras

obsoletas como a computadoras mas recientes, que poseen un concentrador USB. En este

caso es bueno saber que el módulo USB, el cual realiza la comunicación serial hacia el

microcontrolador y USB hacia el PC, opera con el estándar 2.0 para USB, y es compatible

con el 1.1 y el 1.0.

Luego de reproducir analógicamente las señales electrocardiográficas, se procede a

detectar el complejo QRS, el cual consiste en un algoritmo de detección implementado en

hardware. El equipo mide en todo momento el intervalo RR, de la siguiente forma: la onda

del ECG pasa por un filtro pasabanda de segundo orden de frecuencia central de 17 Hz y

con un ancho de banda de 6 Hz. Luego de ser filtrada, la señal pasa por un rectificador de

media onda, después pasa por un comparador, donde el valor de comparación es sacado de

un nivel de la misma señal del ECG. Finalmente, la señal llega a un microcontrolador

HC08 el cual mediante un algoritmo de detección discrimina la duración del tiempo de los

ciclos cardíacos.

El circuito del detector cuenta con la característica de emitir un pulso de 10

milisegundos cuando detecta que efectivamente la frecuencia cardiaca es mayor que un

umbral preestablecido por el usuario. También se puede señalar que cuando dicho disparo

ocurre, un buzzer emite un sonido para indicar de forma sonora que se detectó un QRS en

menor tiempo del establecido. Igualmente, un led se enciende cada vez que se ha detectado

un complejo QRS.

CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO

En este capítulo se introducen los conceptos fundamentales para el soporte teórico

del presente trabajo, el cual se puede dividir en 4 etapas.

En primer lugar, se realizará una introducción a la electrocardiografía y a los

conceptos de fibrilación auricular como un tipo de arritmia muy frecuente en pacientes con

problemas cardíacos. Posteriormente se definirá la forma en la cual están almacenados los

registros de la base de datos en el computador, el formato de la base de datos, los archivos

que lo conforman, el contenido de los mismos y el software que se implementa para

llevarlos al sistema reproductor. Luego se analizará el sistema reproductor de ECG, el

principio de su diseño, los estándares de comunicación, tanto el serial como el USB, el

medio de almacenamiento y el procesamiento de las señales electrocardiográficas mediante

el un conversor digital analógico (DAC), de 16 bits. Finalmente se dan a conocer los

conceptos de detección de QRS, fundamentos del circuito detector, y del algoritmo de

detección que se utiliza para discriminar el ritmo cardíaco.

2.1.- ELECTROCARDIOGRAFÍA

La Electrocardiografía es una técnica de medición de la actividad eléctrica del

músculo cardíaco para evaluar el estado del corazón y servir como herramienta para

diagnosticar disfunciones en dicho músculo. Estos análisis se basan en el estudio de una

representación en el tiempo del comportamiento eléctrico de diferentes derivaciones. Esta

representación se denomina electrocardiograma. [1]

El objetivo del ECG es determinar el funcionamiento del corazón usando como

referencia los cambios de potencial que se pueden medir superficialmente a través de

electrodos colocados sobre la piel. La señal eléctrica que se registra en el ECG antecede los

cambios mecánicos en el corazón, lo que permite relacionar de manera satisfactoria dicha

señal con la mecánica del corazón.

4

Se han establecido una serie de estándares que varían en cuanto al número de

electrodos y localización de los mismos en el cuerpo del paciente. Cada uno de estos

estándares se utiliza para un tipo de examen particular. Por ejemplo, para el uso del ECG

como herramienta de diagnóstico, el estándar establecido es el ECG de 12 derivaciones en

reposo que se basa en el uso de 10 electrodos. Cada derivación corresponde a un trazo del

ECG. Para facilitar el proceso de diagnóstico, cada derivación tiene un nombre en

específico que viene dado de acuerdo a la localización de los electrodos y la manera en que

se medirán los voltajes en los mismos.

2.1.1.- ONDAS QUE COMPRENDEN LA SEÑAL ECG

Las primeras tres derivaciones se denominan derivaciones estándar o derivaciones

bipolares de las extremidades, llamadas derivaciones I, II y III. Para registrar estas

derivaciones se utilizan tres electrodos: uno se coloca en el brazo derecho, denominado RA

(Right Arm); otro en el brazo izquierdo, LA (Left Arm); y otro en la pierna izquierda, LL

(Left Leg). Esta disposición de los electrodos se denomina Triángulo de Einthoven y se

observa de manera gráfica en la Figura 2.1(a). Este triángulo se comporta como una red

eléctrica, por lo que se debe cumplir que la suma de los potenciales sea igual a cero en todo

momento (ley de Kirchhoff). Este modelo teórico permite establecer que una derivación

puede obtenerse a partir de la suma algebraica de las otras [1].

Las otras derivaciones se denominan derivaciones unipolares. El nombre de cada

derivación se determina en función de la posición del electrodo explorador. Para todas estas

derivaciones unipolares se utiliza como referencia un electrodo virtual denominado

Terminal Central de Wilson, Figura 2.1(b). Eléctricamente, este terminal se logra uniendo

en un nodo los electrodos RA, LA y LL usando resistencias no inductivas de 5KΩ.

Matemáticamente, se puede obtener sumando los voltajes de los tres electrodos anteriores.

El propósito de este terminal es tener un voltaje tan constante durante el ciclo cardíaco que

pueda considerarse como un punto de referencia para hacer lecturas unipolares con los

electrodos exploradores, logrando medir una derivación directa y no diferencial.

5

Tres de las derivaciones unipolares en el ECG de 12 derivaciones son: aVR,

derivación unipolar del brazo derecho, el electrodo explorador sería RA; aVL, derivación

unipolar de brazo izquierdo y aVF, derivación unipolar de la pierna izquierda.

Las seis derivaciones unipolares restantes del ECG de 12 derivaciones son las

denominadas derivaciones torácicas. La Figura 2.1(a) muestra la posición de los electrodos

en el cuerpo. Los nombres de estas derivaciones corresponden a:

V1 - En margen derecha del esternón, a nivel del cuarto espacio intercostal.

V2 - Margen izquierda del esternón, en cuarto espacio intercostal.

V3 - Punto sobre una línea recta que al punto V2 y V4, equidistante a ambos.

V4 - Intersección del quinto espacio intercostal con la línea medio-clavicular.

V5 - Punto de intersección de la línea de axilar anterior con la horizontal que pasa por el

electrodo V4.

V6 - Intersección de la línea medio axilar con la horizontal del punto V4.

(a) (b)

Figura 2.1.- (a) Ubicación en la superficie corporal de las derivaciones de ECG.

(b) Terminal Central de Wilson

V1: 4º espacio intercostal derecho, línea paraesternal derecha.

V2: 4º espacio intercostal izquierdo, línea paraesternal izquierda.

V3: Simétrico entre V2 y V4.

V4: 5º espacio intercostal izquierdo, línea medioclavicular.

V5: 5º espacio intercostal izquierdo, línea anterior axilar.

V6: 5º espacio intercostal izquierdo, línea axilar media.

RA LA

LL

I

I II RA

LL

LA

Terminal central de Wilson

Electrodo Explorador

+-

Bioamplificad

Triangulo de Einthoven

6

En un ECG normal se pueden observar diferentes deflexiones, llamadas ondas y

complejos. De acuerdo al orden en el ciclo cardiaco, las podemos diferenciar por onda P, Q,

R, S, T y U como se muestra en la figura 2.2.

Figura 2.2.- Ondas presentes en un ECG

La onda P está constituida por la suma de la depolarización auricular. El complejo

QRS refleja la depolarización ventricular. La onda T representa la repolarización

ventricular [1]

La onda P es habitualmente baja y redondeada, dibujándose como un trazo ancho de

una duración no mayor de 0.10 s y de una amplitud de hasta unos 0.2mV. Corresponde a la

propagación del estímulo por las aurículas y permite, según su forma, duración, etc.,

deducir alteraciones funcionales en esas cavidades.

A continuación sigue un trazo recto denominado intervalo P-R o P-Q (según vaya

seguido de la onda negativa Q o de la onda positiva R) que representa, medido desde la

iniciación de la P hasta la iniciación de la onda siguiente, el tiempo que tarda el estímulo en

propagarse desde el nódulo sino auricular hasta el nódulo auriculoventricular. La duración

de este intervalo en el adulto normal es de 0.12 s a 0.16 s.

7

La onda Q, primera onda negativa del electrocardiograma normal, representa la iniciación

del proceso de activación o despolarización ventricular; es generalmente pequeña, de una

duración aproximada de 0.02 s, y no siempre se encuentra presente.

La onda R, positiva y aguda es normalmente más amplia, y su altura depende de la

dirección del eje eléctrico, aunque oscila generalmente entre 0.7mV y 1.7mV. Forma parte

del complejo QRS, cuya duración varía 0.06 s y 0.10 s. Este complejo representa el proceso

de activación o de despolarización de los ventrículos, y su duración se prolonga cuando el

proceso de activación se hace en forma anormal.

La onda S, negativa, es de profundidad cambiante según la derivación que se

registre y la dirección del eje eléctrico. A continuación de ella se encuentra el segmento S-

T, de duración variable.

La onda T, generada por el proceso de repolarización ventricular es positiva en la

derivación I y II, en el adulto. La onda T es de inscripción lenta y redondeada, cuyas

anomalías se vinculan fundamentalmente a cambios metabólicos del músculo cardíaco

(pérdida de balance electrolítico, isquemia miocárdica, estados carenciales o endocrinos,

entre otros). La onda T sufre también alteraciones en casos de sobrecarga ventricular [1].

La onda U aparece ocasionalmente y se inscribe como una deflexión que sigue

a la onda T. Esta onda es aún motivo de controversia, aunque existen bases

experimentales que la asocian con la repolarización de las Fibras de Purkinje o a

post-potenciales[2].

La frecuencia cardiaca está determinada por la ocurrencia de los complejos QRS, los

cuales se caracterizan por un amplio espectro morfológico. Para detectar los complejos QRS se

suele realzar su mérito con respecto al de las ondas P y T, los miopotenciales y los artefactos.

La señal procesada se compara luego con un umbral ajustable.

8

2.2.- FIBRILACIÓN AURICULAR

La fibrilación auricular es un trastorno del ritmo cardíaco (arritmia) por lo general

con ritmo cardíaco rápido en el cual las cámaras cardíacas superiores (aurículas) son

estimuladas a contraerse de manera muy desorganizada y anómala.

En una fibrilación auricular, las aurículas son estimuladas a contraerse con

demasiada rapidez y de manera diferente a la actividad normal que se origina del nódulo

sino auricular, lo que ocasiona una contracción inefectiva y descoordinada de las mismas.

La condición puede ser causada por impulsos que son transmitidos a los ventrículos

de forma irregular o por algunos impulsos que no son transmitidos. Esto hace latir a los

ventrículos de manera irregular, lo cual conduce a un pulso irregular (y por lo general

rápido) en la fibrilación auricular (ver figura 2.3).

Figura 2.3.- ECG de la Fibrilación Auricular

Las causas subyacentes de la fibrilación auricular incluyen disfunción del nódulo

sinusal (el "marcapasos natural" del corazón), así como una variedad de trastornos

cardíacos y pulmonares como la enfermedad de las arterias coronarias, enfermedad cardíaca

reumática, trastornos de la válvula mitral y pericarditis, entre otros. Por medio de la

9

cardioversión eléctrica es posible convertir la fibrilación auricular en un ritmo normal

(sinusual)[3].

2.3.- BASE DE DATOS DE ECG

Para este proyecto se estudiaron los distintos registros pertenecientes a la base de

datos de ECG del MIT-BIH de arritmia (MIT-BIH Arrhythmia Database), los cuales

constan de 3 archivos principales: el archivo .hea, el cual posee la información básica del

paciente y de las características de las señales que fueron digitalizadas tales como:

frecuencia de muestreo, resolución del conversor analógico-digital (ADC) utilizado,

formato, número de muestras, etc; el archivo .dat, el cual es un archivo binario que posee

los dos canales de ECG que se registraron en la superficie del paciente, y el .atr, que posee

la información sobre los eventos que ocurrieron durante el muestreo del ECG.

Archivo .hea: Es un archivo de texto donde se encuentran los datos asociados a

cada señal y sus atributos, la primera línea indica el nombre de la base de datos, el numero

de canales (generalmente 2 canales), frecuencia de muestreo y número de muestras por

canal. Las líneas subsiguientes indican los parámetros respectivos de cada canal: nombre de

archivo, formato de las muestras, ganancia, resolución del ADC, ADC cero, valor inicial,

checksum, tamaño del bloque y descripción. En la figura 2.4 se ilustra el archivo .hea del

registro 100.

• Nombre de archivo: Indica el nombre del archivo donde se encuentran

almacenadas las muestras correspondientes al canal respectivo, por lo general son de

extensión .dat.

• Formato: Con éste código especifica el tipo de formato con que los datos están

guardados y como se deben leer desde el archivo .dat. Para el caso de las bases de datos

MIT-BIH el formato es 212, lo cual se refiere a que los datos para cada canal son de 12 bits

con complemento a dos, es decir que por cada tres bytes se forma un dato de cada canal

incluyendo su bit de signo.

10

• Ganancia: Aquí se especifica la ganancia para cada canal en unidades ADC por

milivoltio.

• Resolución: Indica los bits de resolución del ADC utilizado para digitalizar la

señal.

• ADC Cero: Indica el valor ubicado exactamente en la mitad del rango que

ofrece la resolución del ADC, es decir el nivel DC de la señal.

• Valor Inicial: Indica el valor (ya convertido) de la primera muestra de cada

señal.

• Checksum: Indica la suma de todas las muestras de cada canal.

• Tamaño de Bloque: Indica el tamaño del bloque en que debe ser leídas las

muestras si aplica (generalmente tiene valor cero).

• Descripción: Aquí se especifica la derivación que fue tomada del paciente.

• Información Adicional: Las últimas dos líneas contienen el sexo y la edad de la

persona a quien se le tomaron las muestras, así como los medicamentos si sigue algún

tratamiento.

Figura 2.4.- Formato archivo .hea (registro 100)

11

Archivo .atr: Es un archivo que posee una etiqueta que señala muestras

específicas de una grabación digitalizada. Por lo general, las anotaciones marcan los

acontecimientos que ocurrieron durante la adquisición del ECG (latidos normales y

bruscos); las anotaciones se usan para indicar atributos persistentes. En las grabaciones que

contienen dos o más señales simultáneamente registradas, una anotación puede señalar a

todas las señales inmediatamente, o a una señal específica.

Cada anotación es declarada como un objeto que tiene seis atributos: el tiempo (el

número de los intervalos de la muestra que preceden la muestra marcada en la anotación);

un tipo de anotación (anntyp [sic], por lo general mostrado como un código de anotación

mnemónico; tres atributos numéricos (subtyp [sic], chan, y num); y un atributo opcional.

Sólo el atributo de tiempo tiene un significado fijo; todos los demás pueden ser redefinidos

para encajar las características de los datos y las necesidades del investigador. [4]

Todas las anotaciones tienen un número de bytes iguales. El primer byte de cada par

es el byte menos significativo. Los seis bits mas significativos de cada par son parte del tipo

de código del archivo atr, y los 10 bits restantes especifican el tiempo en el cual quedo

registrada la muestra.

Archivo.dat: Es un archivo binario en complemento a dos, donde se encuentran

almacenadas todas las muestras de las señales digitalizadas (2 canales) [5], el formato de los

datos es 212 (12 bits por dato con bit de signo), lo que implica tomar 3 bytes (24 bits) para

obtener 1 par de datos (1 muestra para cada canal). La forma en como se hace la obtención

de cada muestra de 12 bits es tomando los 4 bits menos significativos del segundo byte y

colocándolos como los mas significativos del primer byte, formando así una muestra de 12

bits del canal 1, luego los 4 bits mas significativos del segundo byte se colocan como los

mas significativos del tercer byte, formando así una muestra de 12 bits del canal 2. En la

figura 2.5 se ilustra la lectura de este archivo en su formato 212.

12

Figura 2.5.- Formato 212: Ordenamiento de los bits por cada 3 bytes para formar dos muestras de 12 bits

2.4.- ESTÁNDARES DE COMUNICACIÓN

En la realización de este trabajo, se utilizará el estándar RS-232 y el estándar USB

para comunicar el computador con el equipo reproductor ECG.

2.4.1.- Interfaz RS-232

El estándar RS-232 es una de las normas de comunicación serie asíncrona mas

popular y es ampliamente aceptada en la industria. Esta norma es utilizada para la

comunicación entre módems, impresoras, ordenadores, etc. El ordenador controla el puerto

serie mediante un circuito integrado específico, llamado UART (Transmisor-Receptor-

Asíncrono Universal). Normalmente se utilizan los siguientes modelos de este chip: 8250

(bastante antiguo, con fallos, solo llega a 9600 baudios), 16450 (versión corregida del 8250,

llega hasta 115.200 baudios) y 16550A (con buffers de E/S). A partir de la gama Pentium,

13

la circuitería UART de las placa base son todas de alta velocidad, es decir UART 16550A.

Se piensa utilizar una velocidad de 115.200 bps para la transmisión. Las tramas se

transmiten en paquetes de 10 bits, donde el primer bit es de inicio, los siguientes 8 son de

data y el último es el bit de parada.

2.4.2.- Bus Serial Universal (Universal Serial Bus)

El Bus Serial Universal (USB) es una arquitectura abierta con una interfaz Plug and

Play (PnP) que permite interconectar una PC con otros dispositivos periféricos. Es decir, su

objetivo fundamental es habilitar los dispositivos de diferentes fabricantes para operar en

una arquitectura conocida, permitiendo la instalación de periféricos sin manipular

físicamente el equipo[6][7]. El estándar USB permite utilizar para un mismo puerto hasta 127

dispositivos.

Una característica importante es que ofrece mayores tasas de transmisión de datos a

los dispositivos que así lo requieran. La velocidad de comunicación con dispositivos

periféricos llega a unos 12 Mbps, esto es de 3 a 5 veces más rápido que un dispositivo de

puerto paralelo y de 20 a 100 veces más rápido que un dispositivo de puerto serial.

Además, la arquitectura USB permite unificar la interfaz con los dispositivos

periféricos en forma simple y proveyendo mejores prestaciones en cuanto a velocidad,

robustez, conectividad y detección automática de dispositivos.

Inicialmente, este estándar surge con velocidades de 1.5 Mbps y 12 Mbps,

denominado USB 1.1. Luego, evoluciona a USB 2.0 o USB de alta velocidad, con

velocidades de hasta 480 Mbps. Es decir, cuarenta veces más rápido que las conexiones

mediante USB 1.1. Las características principales del USB se pueden resumir en base a los

criterios fundamentales para su creación. En primer lugar, facilidad de implementación del

bus en los periféricos. En segundo lugar, una solución de bajo costo que soporte altas tasas

de transferencia. En tercer lugar, necesidad de una flexibilidad del protocolo para modo

mixto de transferencia isócrona y mensajería asincrónica. Finalmente, necesidad de proveer

una interfaz estándar para múltiples plataformas.

14

2.4.2.1.- Funcionamiento

Este estándar trabaja como interfaz para transmisión de datos y distribución de

energía a sistemas periféricos. Esta interfaz se logra a través de 4 terminales: dos terminales

para transmisión de datos y dos terminales para proveer una alimentación de 5V.

Este bus se basa en una arquitectura de paso de un testigo. En general, el controlador

USB distribuye pases de testigos a través del bus. Cada uno de de los dispositivos

conectados al mismo comparan su identificación con la que porta el testigo. Si esta

identificación coincide, el dispositivo responde a los comandos enviados por el controlador.

2.4.2.2.- USB: CP2103 Breakout Board

Dado que el microcontrolador usado solo posee puerto Serial (RS232) y la necesidad

de adaptación a estándares actuales, se decidió usar un conversor USB/RS232 conocido

como el módulo CP2103, el cual implementa un chip conversor de protocolo USB v2.0 a

RS232, que no necesita de un oscilador externo, posee una memoria EEPROM de 1024

Bytes y 4 GPIOS controlables independientes.

Los drivers del CP2103 pueden conseguirse en la pagina web del fabricante,

http://www.sparkfun.com , para Windows 98 ME, 2000 y XP, así como para MAC y para

las computadoras que trabajan en ambiente LINUX. En la misma página se consigue el

esquemático del módulo así como el datasheet del CP2103.

Este módulo recibe por uno de sus extremos el cable USB de la PC y convierte por el

otro extremo el protocolo USB a RS232, obteniéndose 16 conexiones que van al dispositivo

serial con el que se desea trabajar. Para efectos de conectarlo con la tarjeta de adquisición

solo utilizamos los pines Rx, Tx y Ground. La conexión hacia el PC se implementa

instalando los drivers requeridos los cuales asignan un COM virtual que se suma a la lista

de los demás puertos COM reconocidos por el software.

15

Figura 2.6.- Foto del Breakout Board CP2103

Una característica que posee el módulo es con la de contar con un indicador visual que

permite saber que se encuentra conectado al PC.

La tarjeta de adquisición basada en el microcontrolador Motorola MC68HC908GP32

(HC08) cuenta con unos jumpers que permiten seleccionar entre el uso de la comunicación

serial o el de la comunicación USB, de modo que hay compatibilidad para conectar el

dispositivo reproductor ECG al tipo de computador que mejor se adapte.

2.4.2.3.- Conversor Serial a USB

En muchos casos, resulta necesario interconectar dispositivos de bajo nivel a la

especificación USB, para así gozar de todas las ventajas que la misma ofrece. Por supuesto,

no todos estos dispositivos tienen los recursos necesarios para implementar fácilmente esta

especificación. Sin embargo, usar una interfaz serial asíncrona es, por lo general, bastante

simple. En estos casos, suele utilizarse un conversor serial a USB que se comunique con la

plataforma host con USB y en un formato serial asíncrono con el dispositivo de bajo nivel.

Por supuesto, para poder interpretar los datos enviados por el dispositivo, es necesario

contar con un manejador (driver) en la plataforma host que interactúe con el conversor

serial-USB. Como estos conversores se utilizan comúnmente para actualizar

tecnológicamente dispositivos que utilizan el estándar RS-232, se suele utilizar un

manejador que registra en el sistema un nuevo puerto serial COM, llamado COM virtual.

Esto permite que la comunicación entre el dispositivo y una aplicación basada en el manejo

16

de puertos seriales COM sea transparente al utilizar USB, es decir, que no es necesario

hacer cambios en la aplicación, además, el manejo e COM virtuales permite seguir

trabajando con el protocolo de comunicación utilizado entre el PC y el microcontrolador sin

realizar modificaciones del mismo.

2.5.- PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN

Toda comunicación entre un ordenador y dispositivos periféricos requiere de un

protocolo que permita una comunicación de forma coordinada y que sea capaz de prevenir

los posibles errores debido a factores externos, como el ruido por el canal de comunicación

por ejemplo. Un protocolo simple como el que se muestra en la figura 2.7, envía todas las

muestras por trama y utiliza un código de redundancia cíclica para detectar errores de

transmisión.

Figura 2.7.- Formato del Protocolo de Comunicación

Inicio (0x01): Es el byte que indica que se ha iniciado una trama.

Num de Tramas: Son tres bytes que indican la trama que se esta mandando en el

momento, al llegar a cero finaliza la transmisión.

Data 3: Es el byte que contiene los ocho bits más significativos del canal 1

Data 2: Es el byte que contiene los ocho bits mas significativos del canal 2

17

Data 3: Es el byte que contiene en los 4 bits mas significativos, los 4 bits

menos significativos del canal 1, y en los 4 bits menos significativos

CRC High: Son los 8 bits más significativos del código CRC.

CRC Low: Son los 8 bits menos significativos del código CRC.

Final (0x03): Indicar que es el fin de una trama.

2.5.1.- CÓDIGO DE REDUNDANCIA CÍCLICA (CRC)

Los mensajes incluyen un campo de comprobación de error que está basado en un

método Comprobación de Redundancia Cíclica (CRC). El campo CRC controla el

contenido del mensaje completo. Se aplica con independencia de cualquier método de

control de paridad utilizado para los caracteres individuales del mensaje.

El campo CRC es de dos bytes, conteniendo un valor binario de 16 bits. El valor

CRC es calculado por el dispositivo emisor, que añade el CRC al mensaje. El dispositivo

receptor calcula el CRC durante la recepción del mensaje y compara el valor calculado con

el valor recibido en el campo CRC. Si los dos valores no son iguales, resulta un error.

Para calcular el valor CRC se precarga un registro de 16 bits, todos ellos a 1. Luego

comienza un proceso que toma los sucesivos bytes del mensaje y los opera con el contenido

del registro y actualiza éste con el resultado obtenido. Sólo los 8 bits de dato de cada

carácter son utilizados para generar el CRC. Los bits de arranque y paro y el bit de paridad,

no se tienen en cuenta para el CRC. Durante la generación del CRC, se efectúa una

operación booleana OR exclusivo (XOR) a cada carácter de 8 bits con el contenido del

registro. Entonces al resultado se le aplica un desplazamiento de bit en la dirección de bit

menos significativo (LSB), rellenando la posición del bit mas significativo (MSB) con un

cero. El LSB es extraído y examinado. Si el LSB extraído fuese un 1, se realiza un XOR

entre el registro y un valor hexadecimal fijo preestablecido (0xA001 por convención). Si el

LSB fuese un 0, no se efectúa un el XOR.

18

Este proceso es repetido hasta haber cumplido 8 desplazamientos. Después del

último desplazamiento (el octavo), el próximo byte es operado XOR con el valor actual del

registro y el proceso se repite con ocho desplazamientos más, como se ha descrito mas

arriba y así con todos los bytes del mensaje. El contenido final del registro, después de que

todos los bytes del mensaje han sido procesados, es el valor del CRC. Cuando el CRC es

añadido al mensaje, primero se añade el byte de orden bajo seguido del byte de orden alto.

2.6.- DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO

Cuando se realiza un diseño con almacenamiento local de mediana y larga duración,

se hace necesario contar con un sistema de memoria de capacidad para manejar los

registros más grandes de la base del M.I.T. Esta memoria debe de ser capaz de retener la el

registro del ECG el tiempo suficiente para desconectar el dispositivo reproductor de la PC,

trasladarlo a otra parte y poder así reproducir el registro completo con los dos canales.

También debe proveer una velocidad de grabado suficientemente alta como para permitir el

almacenamiento del ECG casi a la misma velocidad con la que se transmiten los datos y sin

pérdidas. También es importante que al producirse un fallo de energía en el sistema, la data

almacenada se mantenga intacta y sea adquirida cuando se reestablezca la alimentación, es

decir, la memoria debe ser no volátil.

A continuación, se presenta un medio de almacenamiento digital no-volátiles, basado

en tecnología FLASH, con sus características principales.

Figura 2.8.- BQ4017 Memoria RAM 2048x8 KBits

19

Los datos son almacenados en bloques de 8 bits, posee 21 bits de dirección y 3 bits

de control. La memoria que se muestra en la figura 8, se comunica con un bus de datos del

HC08 y es diseccionada por medio de 2 contadores de 12 bits, los cuales están en cascada

para lograr llenarla en toda su totalidad.

2.7.- FILTROS ACTIVOS

Los filtros son circuitos capaces de controlar las frecuencias permitiendo o no el

paso de éstas dependiendo de su valor. Se llaman activos ya que constan de elementos

pasivos (células R-C) y elementos activos como el OP-AMP (Amplificador Operacional).

Las células R-C están compuestas por una resistencia y un condensador y dependiendo del

número de estas células usadas se determinará el orden del filtro así como su respuesta y su

calidad.

El funcionamiento de las células se basa principalmente en su actuación como

divisor de tensión. Al aumentar la frecuencia de señal, la reactancia del condensador

disminuirá y entrará más o menos tensión al OP-AMP, dependiendo de si es pasa altos o

pasa bajos respectivamente. Para cualquier tipo de filtros se emplean las siguientes

definiciones:

• Frecuencia de corte. Es aquella en que la ganancia del circuito cae a -3 dB por

debajo de la máxima ganancia alcanzada. En los filtros pasa y elimina banda existen

dos: una superior y otra inferior.

• Banda pasante. Conjunto de frecuencias de ganancia superior a la de corte en

un margen menor o igual a 3 dB.

• Calidad: especifica la eficacia del filtro, es decir, la idealidad de su respuesta.

Se mide en dB / octava; dB / década. Lo ideal sería que tomara un valor de infinito.

20

Finalmente, el uso de un filtro pasa banda de segundo orden es fundamental si se

quiere implementar un detector de QRS analógico, ya que en su primera etapa es necesario

derivar dos veces la señal del ECG. La relación entre un filtro de segundo orden y la doble

derivada de una señal, es que la señal ECG compuesta de altas y bajas frecuencias se ve

atenuada en -40 dB / década, dando como resultado que el ECG queda suavizado centrado

en una frecuencia establecida.

CAPÍTULO 3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

En este capítulo se da la descripción del sistema desarrollado, analizando las

diferentes etapas y específicamente, los módulos en los que se divide: el reproductor de

ECG y el detector de eventos y ritmo.

Primero se explicará como se descargan los registros de la base de datos utilizando

el software implementado en LabView 7.1, el cual reproduce el ECG y manda por el

puerto COM el registro hacia la tarjeta de adquisición.

Posteriormente, la tarjeta de adquisición almacena el registro transmitido en la

memoria RAM no volátil, para que después de desconectar el dispositivo de la PC empiece

la reproducción del ECG. Sin embargo, existe otro método de reproducción, el cual se hace

en línea (On Line) desde la PC sin necesidad de almacenar en memoria. Es de hacer notar

que el equipo reproductor se manipula por software en modo On Line, mientras que en el

otro modo se manipula por software.

Finalmente el circuito detector toma en la entrada el ECG reproducido

analógicamente, y detecta cada vez que ocurre el complejo QRS, discriminando la

frecuencia cardiaca en el caso de que sea mayor que la preestablecida.

3.1.- REPRODUCTOR DIGITAL EN LabView (ECG Player)

El programa en LabView denominado ECG Player, busca el directorio donde se

encuentra el registro que contiene el ECG del paciente, luego aplica el algoritmo de lectura

de formato 212 y reproduce ambos canales pudiendo visualizarse a una frecuencia de 360

muestras por segundo. Después de que se reproduce el ECG, este es mandado del puerto

COM hacia el microcontrolador, a una velocidad máxima de 115.200 bits por segundo

(Bps). El software permite variar la escala del tiempo para visualizar con mayor precisión

el ECG. La figura 3.1 muestra como se selecciona el registro que se desea reproducir,

22

mostrando inmediatamente los datos del paciente como la edad, sexo, medicamentos y las

derivaciones de cada canal del ECG.

Figura 3.1.- Ilustración de la Selección del Registro

Después de seleccionar el registro se procede a convertir los datos para poder

visualizarlos en el monitor de LabView, como se puede observar en la figura 3.2.

Figura 3.2.- Ilustración de la Conversión los datos en formato 212

23

Este es el momento cuando se toma la base de datos tal como se puede descargar de

la base de datos MI-BIH, y el programa ECG Player lleva los datos de 11 bits a 12 bits, ya

que 11 bits para un DAC de 16 bits de resolución resulta dar una amplitud muy pequeña

para nuestro propósito de visualizar el ECG en el osciloscopio.

Luego que termina la conversión podemos ver los dos canales del ECG, como se

muestra en la figura 3.3.

Figura 3.3.- Ilustración de la Reproducción con el programa ECG Player

Mientras se observan los dos canales, podemos distinguir la derivación a la cual

corresponde cada canal, al igual que los datos del paciente que están a la izquierda del

monitor. Debajo de los datos del paciente esta la opción para empezar con la transmisión

del ECG al módulo. Una vez seleccionada, el programa pide la configuración puerto (ver

figura 3.4) COM1 ó COM4 correspondiente a los tipos de transmisión RS232 ó USB

respectivamente, para luego empezar el envío de la data, mostrando lo que se puede

observar en la figura 3.5.

24

Figura 3.4.- Configuración del puerto para transmisión de datos.

Figura 3.5.- Ilustración de los datos transmitiéndose a la tarjeta.

25

3.2.- TARJETA DE ADQUISICIÓN

Esta es una tarjeta de desarrollo en base a un microcontrolador HC08, el cual trabaja con

una arquitectura de 8 bits. La figura 3.6 muestra el prototipo de la tarjeta.

Figura 3.6.- Tarjeta de Adquisición

La tarjeta de adquisición de datos se implementó con el objetivo de que realice las

siguientes funciones:

• Recibir por el puerto serial o USB la data de la onda ECG transmitida desde el PC

hacia el reproductor ECG.

• Controlar una memoria RAM externa con el propósito de almacenar la onda ECG

con sus respectivos dos canales.

• Controlar una pantalla LCD de dos líneas con 16 caracteres para visualizar los datos

del paciente.

• Mandar la data del ECG ya almacenada en la memoria RAM hacia un DAC de 16

bits de resolución para convertir el ECG digital en una onda analógica.

26

Indicadores Visuales y Reset

Transmisión Desde el PC

• Controlar el canal que se desea visualizar utilizando la pantalla LCD como interfase

gráfica.

En la figura 3.7 se puede observar el diagrama de bloques básico del funcionamiento de

la tarjeta adquisición.

Figura 3.7.- Diagrama de Bloques de la Tarjeta de Adquisición

Para cumplir con los objetivos planteados, fue necesario agregar los componentes que

permitieron obtener el reproductor analógico ECG, los cuales son la memoria RAM de

2048 bytes, el display LCD de 2 filas x 16 caracteres y un DAC de 16 bits, todos

controlados con el microcontrolador HC08.

3.2.1.- DAC (Digital Analog Converter)

Este es un DAC de Analog Devices, modelo AD768 de 16 bits de resolución, con alta

velocidad de conversión de digital-analógica, puede hacer hasta 30 millones de

conversiones por segundo. Tiene latches en las entradas digitales, dividido en un latch para

los 12 bits menos significativos y otro match para los 4 bits más significativos. Este DAC

entrega en su salida valores de corriente que corresponde a la conversión digital –

analógica, aunque puede configurarse para que la salida sea de voltaje. En la figura 3.8 se

muestra el diagrama funcional del DAC.

Microcontrolador MC68HC908GP32

Alimentación

MAX 232

DB9

Conector 40 Pines

27

Figura 3.8.- Diagrama Funcional del DAC

La configuración que se utilizó para el DAC es la que se muestra en la figura 3.9 con

una modificación a la salida, cuyas conexiones se muestran en la figura 3.10 para cambiar

la configuración de corriente a voltaje. Por otra parte, se utilizaron los puertos A y B del

micro para enviar la muestra digital del ECG y el puerto D para controlar el DAC a través

de la señal de reloj. La forma como se implementó el proceso de conversión fue generando

un pulso cada vez que se coloca una muestra en los puertos.

Figura 3.9.- Configuración del DAC

28

El DAC utilizado se buscó con el propósito de poder observar la onda analógica del

ECG de forma que se cumpla con las especificaciones recomendadas para los

electrocardiógrafos. Hay que destacar los siguientes puntos:

• Las muestras se encuentran en el PC con 11 bits más un bit de signo, pero el

software ECG Player manda las muestras de la siguiente forma: se evalúa la

muestra verificando si tiene bit de signo, si lo tiene lo convierte a un dato de 11 bits

pero negativo, si no lo tiene lo deja positivo con los mismos 11 bits. A todas las

muestras se le restan el valor mínimo del registro y luego a todas las muestras

resultantes se les divide entre el nuevo valor máximo para normalizar los datos

(entre 0 y 19. Para finalizar a las muestras normalizadas se les multiplica por 212, de

esta forma quedan ya en escala de 12 bits. Cuando al micro le llegan los 12 bits, este

se encarga de colocar los 12 bits en los 12 pines más significativos del DAC,

dejando los 4 menos significativos en cero.

• El valor de corriente que se obtiene en la salida del DAC se calcula de la siguiente

forma:

( )RLadRLoadIoutVout

IrefinCODEDACIout

×=

××= 4535.65

_

El DAC_CODE es la representación decimal de la entrada del DAC, siendo un

entero que varía entre 0 y 65536. El valor máximo de la corriente de salida es

de 20 mA en el caso de que se use la máxima resolución, ya que de acuerdo a la

figura 3.9, Irefin es de 5 mA.

• Para manejar voltaje en la salida, es necesario incorporar en la etapa de salida del

DAC, un circuito recomendado por el fabricante que lleva el voltaje de salida en un

rango de -2.5 a 2.5 voltios. El circuito se muestra en la figura 3.10. Los modelos de

amplificadores A1 que recomienda el fabricante son de Analog Devices AD811,

29

AD8001, y AD9631. Los más apropiados serían el AD845 y el AD797 por ser de

bajo ruido. En este caso se decidió usar el AD797.

Figura 3.10.- Circuito para voltaje a la salida del DAC ±2.5 VDC

El AD797 es un amplificador ultra low noise. Es importante resaltar también que el

uso de este circuito para convertir la corriente en voltaje, disminuye el efecto de ruido que

se puede tener en la salida del DAC.

3.2.2 ALMACENAMIENTO DIGITAL: Memoria RAM

Para escoger este medio de almacenamiento digital se consideraron los siguientes

factores fundamentales: En primer lugar, el tamaño de los registros de la base de datos del

MIT-BIH, en segundo lugar el hecho de que sea no volátil. Por último, el hecho de que hace

al equipo reproductor portátil. En la figura 3.11 puede verse las conexiones por pines de la

memoria RAM.

30

Figura 3.11.- Encapsulado de la Memoria BQ4017

Características de Operación

• Voltaje de alimentación en un rango de 4.5 a 5.5 voltios.

• Temperatura de Operación entre 0ºC y 70ºC.

• La velocidad de acceso es de 70 ns.

• Batería interna con capacidad de retención de hasta 10 años.

• La memoria RAM cuenta con tres pines de control, CE para habilitar el chip, WE

para seleccionar lectura o escritura y OE para habilitar la entrada o la salida.

La memoria RAM es de 21 bits, por lo que es posible direccionar 221 posiciones de

memoria de tamaño 1 byte, es decir, tiene 2 Megabytes de capacidad de almacenamiento.

Los algoritmos para escritura y lectura en la memoria RAM se muestran en la figura 3.12

(a) y (b) respectivamente.

31

(a) (b)

Figura 3.12.- (a) Algoritmo para Escribir la RAM. (b) Algoritmo para Leer la RAM

Los algoritmos utilizados en el microcontrolador para leer y escribir en la RAM,

fueron implementados usando la tabla 3.1.

MODE CE WE OE Not Selected H X X

Output Disable L H H

Read L H L

Write L L X

Tabla 3.1.- Tabla de la Verdad de la Memoria RAM BQ4017

NO

FIN

Alta Impedancia

Modo Escritura

Se coloca el dato en el Puerto

SI

INICIO

WE y OE en ALTO

Fin de

Escritura

WE en BAJO

Dato en el Puerto

NO

FIN

Alta Impedancia

Modo Lectura

Se lee el dato del Puerto

SI

INICIO

WE y OE en ALTO

OE en BAJO

Dato en el Puerto

Fin de

Lectura

32

3.2.3.- PANTALLA LCD (Liquid Cristal Display)

El LCD está constituido por un circuito impreso en el que están integrados los

controladores del display y los pines para la conexión del display. Sobre el circuito impreso

se encuentra el LCD en sí, rodeado por una estructura metálica que lo protege. En total se

pueden visualizar 2 líneas de 16 caracteres cada una, es decir, 2 x 16 = 32 caracteres. A

pesar de que el display sólo puede visualizar 16 caracteres por línea, puede almacenar en

total 40 por línea. Es el usuario el que especifica que son solo 16 caracteres los que se van a

visualizar.

El LCD dispone de una matriz de 5x7 puntos para representar cada carácter. En total

se pueden representar 256 caracteres diferentes. 240 caracteres están almacenados dentro

del la memoria del LCD y representan las letras mayúsculas, minúsculas, signos de

puntuación, números, etc. Existen 8 caracteres que pueden ser definidos por el usuario. La

figura 3.13 muestra como se controla la pantalla LCD con el microcontrolador.

Figura 3.13.- Conexión del LCD con el HC08

33

Descripción de los Pines

Pin Nº Símbolo Descripción

1 Vss Tierra (gnd)

2 Vdd Alimentación +5v

3 Vo Contraste del cristal liquido. ( 0 a +5V )

4 RS Selección del registro de control/registro de datos

5 R/W Señal de lectura/escritura

6 E Habilitación del módulo

7 – 14 DB0 – DB7 Bus de datos bidireccional

15,16 -Led, +Led BackLight del Display

Tabla 3.2.- Conexiones de la Pantalla LCD

El contraste se varía a través de un potenciómetro de 10K. Colocando el pin RS en

nivel bajo se selecciona el registro de control y colocándolo en nivel alto se selecciona el

registro de datos. Colocando el pin R/W en nivel bajo se selecciona el modo escritura y

colocándolo en nivel alto se selecciona el modo lectura. Colocando el pin de Enable E en

nivel bajo se deshabilita el LCD. EL manejo de la pantalla LCD se implementó utilizando

un bus de datos de 4 bits, donde los pines mas significativos reciben el dato multiplexado,

es decir, primero los 4 bits de la parte alta y luego los 4 bits de la parte baja.

El código en lenguaje C que se implemento para la inicialización y manejo del

display se realizó tomando como referencia el algoritmo que se describe a continuación en

la figura 3.14.

34

Borrar Pantalla RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Mover el Cursor al Inicio RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

0 0 0 0 0 0 0 0 1 X

Dirección de Movimiento del Cursor RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

0 0 0 0 0 0 0 1 I/D X

Apaga o Prende el Cursor RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

0 0 0 0 0 0 1 D C B

Establece el Tamaño de la Interfase con el Bus de Datos (4 ó 8 bits), Número de Líneas del Display y tipo de Carácter

RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

0 0 0 0 1 D/L N F X X

Figura 3.14.- Algoritmo Básico para inicialización y manejo el LCD

35

3.3.- REPRODUCTOR ECG ANALÓGICO

Lo primero que se hizo en este proyecto fue trabajar con el prototipo de la tarjeta de

adquisición que facilitó el Grupo de Bioingeniería y Biofísica Aplicada (GBBA). El

cerebro de esta tarjeta es el microcontrolador HC08. Luego de evaluar los componentes que

eran necesarios para realizar el reproductor ECG, se estudiaron los recursos disponibles de

dicho microcontrolador para optar por los dispositivos mas adecuados.

El objetivo inicial de este proyecto era partir de la tarjeta de adquisición existente,

optimizando las primitivas de funcionamiento y adaptarla al prototipo de la tarjeta del

reproductor de ECG analógico.

La primera mejora que se realizó fue añadirle el CP2103 Breakout Board de

comunicación USB, que permite comunicar la tarjeta con las PC’s y Laptops que no poseen

puerto serial alguno. A pesar de que la velocidad de transmisión del USB que es de 480

Mbps es mucho mayor que la velocidad serial, esta se ve limitada por la recepción del

HC08, la cual es de hasta 115.200 bps..

Figura 3.15.- Jumpers para seleccionar entre el SERIAL y el USB

La figura 3.15 muestra los jumpers con los que se selecciona el puerto por donde

entra la data al microcontrolador. Los dos de extrema derecha son para la comunicación

serial con el aislador óptico utilizado en los laboratorios del LABC. Los dos del centro son

para seleccionar el serial por medio del MAX232, y los dos de extrema izquierda son para

36

seleccionar el serial por el conector de 40 pines, el cual se conecta al CP2103 Breakout

Board conviertirndo de serial a USB.

El módulo CP2103 es peer to PC, es decir maneja por un lado serial y por el otro

está esperando a comunicarse con un PC, por lo tanto fue necesario instalar en el PC los

drivers que maneja el CP2103 que incorpora un nuevo puerto COM virtual, cualquier

programa de alto nivel como LabView reconoce este puerto como si fuese otro puerto

serial, de modo que no hay que realizar ningún cambio al software respecto al protocolo de

comunicación.

3.3.1.- MICROCONTROLADOR MC68HC908GP32

Este microcontrolador pertenece a la familia HC08 de Motorola, cuyas principales

características son:

• Modelo de programación HC05 mejorado.

• Control de bucles optimizado.

• 16 modos de direccionamiento.

• Registro de índice y puntero de pila de 16-bits.

• Transferencia de datos de memoria a memoria.

• Rápidas instrucciones de multiplicación de 8x8.

• Rápidas instrucciones de división de 16/8.

• Instrucciones BCD (Binario codificado en decimal).

• Optimización para aplicaciones de control.

• Soporte eficiente del lenguaje C.

Se pueden ver todos los componentes de esta familia en la página

http://www.freescale.com, en la sección de la familia HC08G. Las características

principales del microcontrolador MC68HC908GP32 son:

• Arquitectura de alto rendimiento M68HC08 optimizada para compiladores C.

• Compatible con la familia 68HC05.

37

• Frecuencia interna del bus de 8-MHz.

• Código de seguridad para la lectura y programación de la memoria FLASH.

• Firmware On-chip para la programación desde PC.

• Programable en el circuito.

• Sistemas de protección:

• "Watch Dog" opcional ( Computer Operating Properly (COP) reset).

• Detección de baja tensión con reset opcional.

• Detección de código ilegal con reset.

• Detección de direccionamiento ilegal con reset.

• Diseño de bajo consumo, completamente estático y varios modos de operación.

• 32 Kbytes de memoria FLASH programable en circuito.

• 512 bytes de memoria RAM.

• Módulo de interfaz serie asíncrono (SPI).

• Módulo de interfaz serie síncrono (SCI).

• Dos temporizadores de 2 canales de 16 bits (TIM1 y TIM2) con captura de entrada

seleccionable, comparadores y capacidad de PWM en cada canal.

• 8 canales para conversión AD por aproximaciones sucesivas de 8 bits.

• Módulo generador de reloj con PLL "on-chip"C.

• Hasta 33 pines de entradas/salidas de propósito general.

• Resistencias de Pull up seleccionables en los puertos A, C, y D. La selección puede

ser de forma individual, por bit.

• Corriente de entrada/salida de hasta 10mA por bit individual de cada puerto

• Puerto de 8-bits para el manejo de teclado.

• Encapsulado plástico 40 pines DIP, 42 pines SDIP o 44 pines QFP (quad flat pack).

El encapsulado del microcontrolador HC08 que usa la tarjeta de adquisición es de

tipo dip de 40 pines. Según se mestra en la figura 3.16.

38

Figura 3.16.- Encapsulado del MC68HC908GP32

La plataforma sobre la cual se programó el HC08, es el CodeWarrior 2.1, un

ambiente que se basa en lenguaje C con la ayuda de módulos llamados beans, los cuales

son herramientas que permiten configurar de forma muy fácil los recursos del

microcontrolador.

El microcontrolador HC08 cuenta con módulos que le permiten realizar funciones

de control, estos módulos pueden apreciarse en la figura 3.17.

39

Figura 3.17.- Módulos internos del MC68HC908GP32

El bus interno del microcontrolador tiene conexión directa a los puertos, los cuales

son los periféricos del HC08, las entradas y salidas hacia los dispositivos que se desea que

el micro opere de forma controlada. La figura 3.18 muestra los puertos del HC08:

Figura 3.18.- Puertos del microcontrolador MC68HC908GP32

PROGRAMMABLE

TIMEBASE

SINGLE BREAKPOINT

BREAK

DUAL VOLTAGE

INHIBIT MODULE

8 BIT KEYBOARD

INTERRUPT

2-CHANNEL TIMER

INTERFACE 1

SERIAL COMMUNICATIONS

INTERFACE

SERIAL PERIPHERAL

INTERFACE

COMPUTER OPERATING

PROPERLY

MONITOR

MODULE

2-CHANNEL TIMER

INTERFACE 2

DATA BUS SWITCH

MODULE

MEMORY MAP

MODULE

CONFIGURATION

REGISTER 1

CONFIGURATION

REGISTER 2

Internal BUS

PORT

PORT

PORT

PORT

PORT

PTA7/KBD7 – PTA0/KBD0

PTB7/AD7 – PTB0/AD0

PTD5 – PTD0

PTC4 – PTC0

PTE1/RxD PTE0/TxD

40

El microcontrolador necesita de un reloj externo para generar los pulsos de reloj,

internamente es capaz de multiplicar esa frecuencia del reloj externo para llegar a una mas

alta, en nuestro caso utilizamos un oscilador de cristal de 32.768 Hz, y programamos el

micro para que la frecuencia interna de reloj sea de 8 MHz, que es la máxima que nos

permite. El reloj utilizado es como el que se muestra en la figura 3.19.

Este oscilador se encuentra integrado en la tarjeta de adquisición, ya que en el caso

de necesitar utilizar el microcontrolador a una frecuencia distinta es posible hacerlo

mediante software, pero para nuestros propósitos solo bastó con trabajar a 8 MHz, ya que la

velocidad de transmisión serial máxima es de 115.200 bps sólo a esa frecuencia, lo cual es

clave para la transmisión del ECG.

Figura 3.19.- Tarjeta del circuito oscilador de 32.768 Hz

Los componentes que forman parte del oscilador se muestran en la tabla 3.

Item Cantidad Referencia Valor

1 2 C1,C2 0,33pF 2 1 C3 0,033uF 3 1 C4 0,01uF 4 1 C5 0,1uF 5 1 J1 CON5 6 1 R1 10M 7 1 R2 330K 8 1 R3 10K 9 1 Y1 32.768Khz

Tabla 3.3.- Componentes del Oscilador

41

Figura 3.20.- Mapa de la Memoria del MC68HC908GP32

La memoria RAM del microcontrolador es de 512 bytes como se ve en la figura 3.20, pero

no se encuentra toda disponible para programar, ya que 40 bytes están reservados para los

registros internos del micro, y la pila utiliza un tamaño fijado por el usuario, así que en la

práctica la RAM termina menor.

I/O Registers 64Bytes

RAM 512 Bytes

Unimplemented 32 KBytes

Flash Memory 32 KBytes

SIM Break Status Register

SIM Reset Status Register

SIM Break Flag Control

Interrupt Status Register 1



Reserved

Flash Control Register

Break Address Register H

Break Address Register L

Break Status and Control

LVI Status Register

Unimplemented 3 Bytes

$0000

$003F

$0040

$023F

$0240

$7FFF

$8000

$FDFF

$FE00

$FE01

$FE02

$FE03

$FE04

Reserved (SUBAR)

42

3.4.- DISEÑO DEL REPRODUCTOR ANALÓGICO

Luego de analizar todos los módulos que conforman el equipo reproductor

analógico de ECG, podemos ver en un esquema general el dispositivo que realiza la

función de tomar una base de datos que se encuentra almacenada en forma digital en un

PC, y reproducir en forma analógica la señal de ECG de un paciente cualquiera. Cabe

destacar que este sistema es parte del prototipo biomédico que además de reproducir una

onda ECG debe detectar cambios en el ritmo cardíaco. El esquema de cómo funciona la

parte de detección de eventos será explicado en el siguiente punto.

Este es un sistema basado completamente en el uso de un microcontrolador con una

arquitectura de 8 bits, con control de componentes periféricos que son parte del diseño del

equipo reproductor. Finalmente, el sistema reproductor analógico comprende los siguientes

componentes:

• Tarjeta de adquisición en base al microcontrolador HC68MC908GP32, con

registros de 8 bits. Posee interfaz serial para comunicarse con una PC.

• Comunicación RS232 y también con un conversor USB serial CP2103, para efectos

del microcontrolador la comunicación es serial pero visto desde le PC, se puede

transmitir el ECG por un puerto COM si es con cable serial o por medio de un

puerto COM virtual si la comunicación es con un cable USB.

• El protocolo de comunicación entre la tarjeta de adquisición y el PC permite una

conexión con computadoras de escritorio y laptops.

• Una pantalla de cristal líquido que sirve de interfaz para que el usuario pueda saber

que canal es el que se esta reproduciendo, además de poder visualizar la

información básica del paciente y de permitir el funcionamiento del dispositivo.

43

• Memoria RAM no volátil que permite el almacenamiento del registro del ECG,

haciendo portátil al dispositivo reproductor, independiente de la conexión con el PC

y trasladable hacia el lugar donde se encuentre el osciloscopio.

• Conversor digital analógico de 16 bits, con mayor resolución de la realmente

necesaria, ya que las muestras están en un formato de 12 bits.

• A partir de estos elementos es posible considerar que se tiene un sistema al cual se

le pueden transmitir los registros de la base de datos del MIT-BIH., ya sea por

comunicación serial o USB, ello se configura desde el software ECG Player en

LabView. El equipo permite seleccionar si se desea transmitir un registro completo

o reproducir uno ya almacenado en la memoria RAM, a la cual no se lo borran los

datos cuando se le corta la alimentación al dispositivo, ya que posee una batería

interna. El DAC, además de sacar la onda analógica del ECG, tiene la salida que va

a tomar el sistema detector de eventos para discriminar los cambios de frecuencia

cardiaca del paciente. La figura 3.21 muestra el diagrama de bloques del sistema

reproductor analógico.

44

Figura 3.21.- Sistema Reproductor Analógico de ECG

45

La tabla 3.4 muestra como están distribuidos los recursos del HC68MC908GP32

para controlar los distintos componentes que forman el sistema reproductor, los recursos

del micro salen a través de los puertos que manejan datos o realizan funciones de control

Pines del Microcontrolador Asignación Dispositivo que utiliza el recurso

PTC0 LCD_DATA_0 PTC1 LCD_DATA_1 PTC2 LCD_DATA_2 PTC3 LCD_DATA_3

Bus de datos hacia la pantalla LCD

PTC4 MODO EJECUCIÓN Selecciona el modo (Transmisión desde PC o Reproducción desde Memeoria)

PTE0 TxD PTE1 RxD

Transmisión Serial

PTD0 RS PTD1 RW PTD2 E

Pines de control y manejo de la pantalla LCD

PTD3 DAC_CLOCK Señal de reloj del DAC PTD4 COUTERS_RESET PTD5 COUTERS_CLOCK

Pines de control de los contadores para el direccionamiento de la memoria

PTA7 ECG_DATA_11 PTA6 ECG_DATA_10 PTA5 ECG_DATA_9 PTA4 ECG_DATA_8 PTA3 ECG_DATA_7 PTA2 ECG_DATA_6 PTA1 ECG_DATA_5 PTA0 ECG_DATA_4

Byte mas significativo de la data de ECG digital que conecta al DAC

PTB7 ECG_DATA_3 PTB6 ECG_DATA_2 PTB5 ECG_DATA_1 PTB4 ECG_DATA_0

4 bits menos significativos de la data de ECG digital que conecta al DAC

PTB3 Potenciómetro TIME_SET Valor analógico que preselecciona el ritmo cardíaco usado por el discriminador

PTB2 CE PTB1 RW PTB0 OE

Pines de control para el manejo de la memoria RAM (Lectura/Escritura)

Tabla 3.4.- Disposición de los Recursos del HC08

46

3.5.- DETECTOR DE QRS

Después de reproducir analógicamente la señal del ECG, se implementó un circuito

por el cuál pasaría dicho ECG, y que este sea capaz de detectar confiablemente el complejo

QRS de la señal. La detección del QRS es la base de nuestro estudio para discriminar el

ritmo cardiaco del paciente.

3.5.1.- OBTENCIÓN DEL INTERVALO R-R

Se pueden distinguir dos procedimientos diferentes para la obtención de la serie RR

en función de la instrumentación empleada:

• Obtención de la serie RR a partir de registros electrocardiográficos ya

obtenidos y almacenados sobre cualquier soporte de memoria.

• Obtención directa de la serie RR en tiempo real.

Sea cual sea el procedimiento, para obtener la serie temporal RR se deben realizar los

siguientes pasos:

• Amplificación del ECG

• Detección del complejo QRS

• Obtención del intervalo R-R midiendo el tiempo respecto al complejo anterior

En nuestro caso el ECG ya almacenado en la base de datos con una ganancia

específica, sin embargo se le agregó una etapa de acondicionamiento que filtra y amplifica

el ECG. Lo que sigue para medir el intervalo R-R es la detección del QRS. Este detector de

es el punto crítico en la medida de la serie R-R y puede ser de dos tipos: detector por

software o detector por hardware.

El detector que se empleo es por hardware, ya que el objetivo es simular el ECG

analógico, en tiempo real y detectar en ese mismo instante de tiempo el complejo QRS. El

47

QRS Filter Half – wave

rectifier

Threshold

circuit Comparator

ECG

amplifier

Monoestable

TP1 TP2 TP3

TP4 TP5 TP6

detector se basa en el modelo descrito por Willis J. Tompkins en su texto Biomedical

Digital Signal Processing [8], cuyo funcionamiento en diagrama de bloques puede verse en

la figura 3.22.

Figura 3.22.- Diagrama de Bloques del Detector de QRS [8]

3.5.2.- ASPECTOS INICIALES DEL DISEÑO

Antes de la descripción del circuito y del algoritmo de detección resulta conveniente

observar las características de la señal con la que se trabajará. La señal de ECG está

compuesta por los complejos QRS, las ondas P y T, interferencia de la red (50-60 Hz) y

“artefactos de movimientos” debido al movimiento de los electrodos. Para poder lograr una

detección exitosa se debe separar de la señal el complejo QRS. En la figura 3.23 se muestra

el espectro relativo de la señal de ECG, los complejos QRS, ondas P y T y otros ruidos,

basado en un estudio desarrollado por Thakor (1983). [9]

48

Figura 3.23.- Composición espectral de la onda ECG.[8]

De otro estudio desarrollado por Thakor (1984), se puede examinar el espectro de

potencia de la Relación Señal a Ruido (SNR) de los QRS con respecto a todos los demás

ruidos mencionados anteriormente. Thakor muestra que el máximo de la SNR se obtiene

utilizando un filtro pasabanda con frecuencia central de 17Hz y ancho de banda de 6Hz.

.

Figura 3.24.- SNR entre el complejo QRS y los distintos tipos de ruido.[8]

49

La etapa de amplificación no se consideró como parte del detector, sino que forma

parte de la etapa de acondicionamiento, lo cual es externo al detector. En el diagrama de

bloques de la figura 3.22 podemos distinguir lo siguiente: el detector puede ser analizado

por etapas y cada etapa posee puntos de pruebas que nos permiten visualizar la evolución

del ECG hasta el momento de ser detectado el QRS. El detector de QRS consiste en las

siguientes 5 etapas:

3.5.2.1.- Filtro QRS.

El espectro de potencia de una señal de ECG normal tiene una relación de señal a

ruido alrededor de 17 Hz. Es por eso que para detectar el complejo QRS, el ECG es pasado

a través de un filtro pasa banda con una frecuencia de corte de 17 Hz y un ancho de banda

de 6 Hz.

3.5.2.2.- Rectificador de media onda.

Después de filtrar la señal se rectifica la onda para quedarnos solo con la parte

positiva y compararla posteriormente con un valor umbral.

3.5.2.3.- Circuito de Umbral (Threshold circuit).

El voltaje pico de la onda rectificada y filtrada es almacenada en un capacitor. Una

fracción de este voltaje es comparado con la señal filtrada y rectificada.

3.5.2.4.- Comparador.

El pulso del QRS es detectado cuando el voltaje de umbral es excedido. El capacitor

se carga con un nuevo voltaje de umbral después de cada pulso. Por lo tanto, un nuevo

valor de umbral es determinado de la señal después de ser generado cada pulso.

3.5.2.5.- Monoestable.

Un pulso de 200 milisegundos es generado con cada complejo QRS que es

detectado para evitar que sean detectadas las ondas T y se produzcan falsas detecciones.

50

El algoritmo de detección de QRS implementado esta basado en el desarrollado por

Pan y Tompkins. En la figura 3.25 se muestra el diagrama de bloques de dicho algoritmo,

donde se observan los filtros involucrados en el análisis de la señal de ECG.

Figura 3.25.- Diagrama de bloques del algoritmo Pan-Tompkins [8]

El algoritmo de Pan y Tompkins implementa un filtro pasa banda de 2do orden

combinando un filtro pasabajo y un filtro pasaalto, para reducir el ruido junto con las

señales interferentes fuera de la banda de frecuencias en la que se encuentra el QRS. Un

derivador que enfatiza las pendientes de la onda R. Eleva al cuadrado para aumentar aún

más las altas frecuencias que corresponden al complejo QRS. Por último se hace una

estimación de la energía con una ventana móvil del tamaño del QRS más largo sin llegar a

la onda T.

3.5.3.- FILTRO PASABANDA DE SEGUNDO ORDEN

El filtro pasa banda se utiliza en la detección de QRS para filtrar las componentes de

frecuencia que están fuera del rango ocupado por el complejo QRS. El ancho de banda del

filtro se elige como un compromiso entre la reducción de ruido y la pérdida de detalles de

alta frecuencia.

Un ancho de banda fijo es una limitante debido a la gran variabilidad que presentan

los complejos. Del estudio desarrollado por el modelo de Tompkins, se puede examinar el

espectro de potencia de la SNR de los QRS con respecto a todos los ruidos que se generan

51

con el ECG. Tompkins muestra que SNR máximo se obtiene utilizando un filtro pasa

banda con frecuencia de corte igual a 17 Hz y factor de calidad igual a 3.

El circuito de la figura 3.26 muestra el circuito eléctrico que se utilizó para el filtro

pasa banda de segundo orden.

Figura 3.26.- Circuito del Filtro Pasa Banda de Segundo Orden

La onda ECG es filtrada por el pasa banda de forma que actúe como un derivador

amplificando las características de alta frecuencia del complejo QRS, mientras atenúa las

bajas frecuencias de la onda P y de la onda T.

Aplicando los cálculos respectivos, se tiene que la función de transferencia obtenida

para el circuito eléctrico del filtro pasabanda anterior es:

Figura 3.27.- Expresión de la Función de transferencia del filtro pasabanda implementado

( ) ( ) 12331.003177.0001505.01022.202174.00006947.0

2345

23

+⋅+⋅+⋅+⋅×⋅−⋅−

= − sssssssH

52

Por otra parte la gráfica de dicha función de transferencia se muestra en la figura

3.28

Figura 3.28.- Gráfica de la Función de transferencia del filtro pasabanda implementado

En la entrada del filtro debe verse una señal como la de la figura 3.29(a) y la señal

filtrada debería de ser como se muestra en la figura 3.29(b).

(a) (b)

Figura 3.29.- (a) Onda ECG sin filtrar. (b). Onda ECG después del filtro

53

3.5.4 RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

Después de que la señal es filtrada, se procede a pasarla por un circuito rectificador,

de forma que los QRS que sean negativos debido a la derivación que se tome del paciente

sean también detectados. El rectificador eleva al cuadrado la señal del ECG, y lo que se

obtiene en la salida de esta etapa es lo que se muestra en la figura 3.30.

Figura 3.30.- Onda ECG Filtrada y Rectificada

Después de rectificar la señal, se le hace pasar por una ventana de tiempo para

desechar falsas detecciones de QRS, pero eso dependerá del algoritmo de detección que se

implemente. La figura 3.31 muestra el circuito eléctrico que se implementó para rectificar

la onda filtrada de ECG.

Figura 3.31. Circuito Rectificador de Media Onda

54

3.5.5.-CIRCUITO DE UMBRAL (THRESHOLD CIRCUIT)

Este módulo almacena el último valor pico de la última onda del ECG filtrada y

rectificada. El propósito de guardar este valor es llevar un registro del valor máximo del

ECG en todo instante de tiempo, de forma que cada vez que se supere ese umbral se pueda

decir que se ha detectado un complejo QRS. El circuito de la figura 3.32 muestra como fue

que se implementó esta etapa del detector.

La señal del ECG llega al amplificador operacional de OP496 y es comparado con

el valor de voltaje referencia (Vt) que esta en el capacitor Cdet4, si este valor es menor, el

capacitor mantiene su nivel de voltaje, de lo contrario un nuevo valor es almacenado en el

capacitor. Dicho circuito detecta que se ha producido un QRS cuando la señal de ECG

filtrada y rectificada supera el umbral de Vt. El umbral de Vt se fija en el momento en que

se detecta un QRS.

Figura 3.32.- Circuito de Threshold

Este umbral de Vt va decayendo exponencialmente hasta el siguiente QRS que se

detecta. En la figura 3.33 se muestra como evoluciona el umbral hasta detectar un QRS. La

señal de ECG está dibujada para que se reconozcan fácilmente los QRS, pero se debe tener

presente que una vez filtrada y rectificada, el aspecto de la señal no es del típico ECG.

55

Básicamente, el umbral consta de un valor fijo constante mas el valor de pico de la

señal ECG filtrado que se obtiene en un instante posterior a la detección del QRS. Este

tiempo es de 10 milisegundos, es decir que se la da 10 milisegundos para que llegue a su

valor pico.

Cada vez que se detecta un complejo QRS inmediatamente se genera una ventana de

tiempo de 200 milisegundos con el fin de no detectar las posibles ondas T que pudieran

estar presentes luego del filtro y se produzcan falsas detecciones.

Figura 3.33.- Evolución del umbral de Vt hasta la detección un QRS.

3.5.6.- COMPARADOR

Esta es la etapa previa de detección de QRS, aquí se mide el valor de la señal del

ECG y se compara con una fracción del valor que se encuentra almacenado en el circuito de

umbral.

Si el valor de la onda ECG es mayor que el valor que cae sobre la resistencia de 820

Kohm, entonces es muy probable que se haya detectado un complejo QRS. Si por el

contrario, no se supera ese valor, entonces la salida es cero.

56

De acuerdo al modelo que se decidió utilizar para construir el detector de QRS, la

última etapa esta formada por un monoestable, el cual es redisparable y tiene un período de

200ms en el cual espera por cada complejo QRS.

Para este caso se decidió sustituir el monoestable por un microcontrolador de la

familia HC08, específicamente el MC68HLC908QT4 (QT4), el cual aparte de realizar la

última etapa del detector de QRS, es capaz de seleccionar entre 5 rangos de frecuencias y

discriminar entre el ritmo cardíaco del paciente. Además, si detecta que el ritmo cardíaco

esta por encima del tiempo prefijado, manda una señal de disparo de 10 milisegundos que

se usa para rechazar el envío de shock eléctrico de los desfibriladores.

En la figura 3.34 se ilustra el circuito eléctrico del comparador y el

microcontrolador QT4 que calcula los tiempos de los intervalos R-R y discrimina el ritmo

cardíaco según el tiempo preestablecido.

Figura 3.34.- Circuito Comparador

57

3.6.- MICROCONTROLADOR MC68HLC908QT4

El HC68HLC908QT4 (QT4) es un miembro de la familia de controladores de alto

rendimiento con arquitectura de 8 bits. La familia HC08 posee un set de instrucciones

complejo (CISC).

Figura 3.35.- Encapsulado del MC68HLC908QT4

El micro QT4 cuenta con módulos que le permiten realizar funciones de control,

estos módulos pueden apreciarse en la figura 3.36. Una ventaja que posee este

microcontrolador respecto a otros de la misma familia, es que es capaz de trabajar con un

reloj interno, este reloj interno tiene una velocidad máxima de operación de 4MHz.

Figura 3.36.- Módulos internos del MC68HLC908QT4

58

El micro sólo cuenta con un puerto, el cual tiene asignado para sus pines los

distintos recursos que ofrece, como interrupción por teclado, 4 canales de ADC, timer, entre

otros. Los pines disponibles son solo 6, ya que dos de los ochos del QT4 están destinados

para la alimentación y tierra. En la tabla 3.5 puede observarse mejor las características de

este microcontrolador y los recursos que ofrece.

Tabla 3.5.- Características del MC68HLC908QT4

Para el diseño del de la etapa del monoestable correspondiente al detector se decidió

usar el microcontrolador MC68HLC908QT4, ya que nos ofrece las siguientes ventajas:

• Grabar el intervalo de tiempo R-R.

• Indicar visualmente cada vez que se detecta un QRS.

• Mandar una señal de disparo de 10 milisegundos cuando hay una variación en el

ritmo cardiaco que cae fuera del rango establecido.

• Indicar de forma sonora que se ha establecido una señal de disparo hacia un

desfibrilador.

• Ajustar el tiempo para la discriminación ritmo.

• Programar de forma sencilla las rutinas de interrupción.

• No requiere circuito oscilador externo.

• Es de bajo consumo.

59

Además de las ventajas que nos da el microcontrolador, se puede decir que con respecto

a un monoestable nos ofrece lo siguiente:

• Flexibilidad en el diseño.

• Posibilidad de reprogramar las ruinas de interrupción.

• Reduce el volumen del circuito.

3.6.1.-PROGRAMACIÓN DEL MC68HLC908QT4

La programación de este microcontrolador al igual que el utilizado en el reproductor

analógico, es el lenguaje C, por medio del programa CodeWarrior. Este programa que

cuenta con una interfaz para familiarizar al programador con el microcontrolador, es de uso

para toda la familia de los HC08.

Figura 3.37.- Ventana Principal del CodeWarrior para la programación del QT4

60

La figura 3.37 muestra en ambiente principal de programación del micro

MC68HLC908QT4, ahí se pueden distinguir distintas ventanas, está el Target CPU donde

se muestra el modulo del QT4 con los recursos que están siendo utilizados en sus pines. En

la esquina inferior izquierda esta el Bean Selector, donde se van agregando al proyecto los

distintos módulos que ofrece el QT4, los cuales son fácilmente configurables. Arriba del

Bean Selector está el Project Panel, que nos da información de los beans que han sido

cargados al proyecto, permitiendo que se hagan cambios durante la programación así como

cargar los métodos que posee cada bean, los cuales facilitan la programación del QT4. En

el Project panel también se configura el CPU del micro. A la derecha se observa el panel de

programación, que posee los archivos donde se escribe el código del programa fuente.

Figura 3.38.- Módulos de programación disponibles para la programación del QT4

Son tres archivos principales: el archivo events.c, donde se encuentran las rutinas de

los vectores de interrupción. En los casos donde produce una interrupción, el programa

entra al módulo correspondiente del evento y ejecuta el código de dicha rutina. El segundo

es el que posee el nombre del proyecto, ahí es donde se encuentra el código principal y las

61

funciones que debe ejecutar el QT4. El tercero es el de las variables y es un archivo .h,

dentro de él están las variables comunes tanto para el events.c como archivo que lleva el

nombre del proyecto. Además es posible trabajar con más módulos que, los cuales pueden

ir agregándose al proyecto.

Este software permite también “debugear” el programa compilado antes de

programar el microcontrolador. La figura 3.39 muestra como se ejecuta línea por línea el

código del programa en el simulador dando una idea de cómo se comportaría el micro una

vez programado en físico.

Figura 3.39.- Simulador del CodeWarrior.

62

3.7.- DISEÑO DEL CIRCUITO DE DISCRIMINACIÓN DE RITMO

Luego de analizar todos los módulos que conforman el circuito detector de complejo

QRS, podemos ver en un esquema general el dispositivo que realiza la función de medir el

intervalo R-R de la onda del ECG que le manda el reproductor analógico, utilizando un

timer para medir el tiempo entre el QRS anterior y el QRS actual.

Al medir el intervalo R-R con un timer, se comete un error de Tc segundos en cada

intervalo R-R, donde Tc es el período de oscilación del timer.

Figura 3.40.- Cálculo de los tiempos en las Secuencias RR

Utilizando el QT4 se le dió una ventana de 200ms, durante el cual hace caso omiso

a cualquier pulso que venga del detector ya que se supone que es suficiente para dejar pasar

la onda T sin ser detectada como falso QRS. Luego de que pasan 200 ms, se evalúa si el

período de la señal tardó mas tiempo o menos tiempo que el de referencia fijado por el

usuario, de ser menor este tiempo, significa que la frecuencia cardiaca fue mayor y se envía

la señal de disparo hacia el desfibrilador, en caso contrario, de que el tiempo sea mayor no

se realiza ninguna acción y reiniciando la cuenta para comparar la próxima detección.

El tiempo que posee el temporizador es de 1 milisegundo, es decir que cada

milisegundo incrementa un contador que va acumulando el tiempo que tarda en llegar el

próximo QRS.

63

La tabla 3.6 muestra como están distribuidos los recursos del QT4 para controlar los

distintos componentes que forman el sistema discriminación de ritmo. Los recursos del

micro salen a través de los puertos que manejan datos o realizan funciones de control..

Pines del Microcontrolador Asignación Dispositivo que utiliza el recurso

PTA0 PULSO_DESF Conector hacia el desfibrilador PTA1 BUZZER_PULS Señal que activa el Buzzer PTA2 QRS_DET Señal que viene del detector de QRS PTA3 RESET Reset, en sincronía con el IRQ del GP32

PTA4 Potenciómetro TIME_SET Valor analógico que preselecciona el ritmo cardíaco usado por el discriminador

PTA5 QRS_SIG Led indicador de detección de QRS

Tabla 3.6.- Recursos utilizados del MC68HLC908QT4

Este es un sistema basado en componentes analógicos complementado con el uso

del microcontrolador QT4 de arquitectura de 8 bits, para la programación del algoritmo de

detección, con control de indicadores que ayudan a saber el momento en cual ha ocurrido la

detección de la señal de QRS. Finalmente, el sistema detector de QRS comprende los

siguientes componentes:

• Un filtro pasa banda de frecuencia central de 17 Hz, ancho de banda de 6 de Hz y

factor de calidad de 3 para lograr una mayor relación de señal a ruido.

• Un rectificador de media onda para hacer positivos todos los QRS.

• Un circuito de threshold que almacena el valor pico del último QRS detectado.

• Un comparador para establecer el umbral que debe superar la señal para que se le

considere un QRS.

• Un microcontrolador que se encarga por software de desechar las señales que no

son QRS.

64

• Además, es el microcontrolador el que realiza la etapa final de mandar una señal de

disparo hacia un desfibrilador cuando hay un cambio en el ritmo cardíaco. La figura

3.41 muestra el diagrama de bloques del detector de QRS.

Figura 3.41.- Diseño del Detector de QRS y Discriminador Ritmo Cardíaco

65

CAPÍTULO 4 RESULTADOS

En este capítulo, se presenta un resumen de los logros alcanzados durante este

proyecto. La división del capítulo se basa en las diferentes secciones que forman el

proyecto, siguiendo el mismo orden con el que se ejecutó. En general, se presentarán las

evaluaciones de los resultados obtenidos mostrando el producto final así como su

desempeño, y las pruebas que se obtuvieron con los registros de base de datos de MIT-BIH.

4.1.- MÓDULO ECG Player

El desarrollo del proyecto se fue realizando en montajes de circuitos hechos sobre

protoboard. Después de montar el circuito reproductor y detector en el protoboard y de

realizar las pruebas correspondientes a la ejecución, la base de datos que se descarga desde

el PC, se procedió a realizar el diseño de la tarjeta para su posterior fabricación. En primer

lugar se procedió con el diseño del todos los circuitos en forma esquemática, partiendo de

los circuitos correspondientes a las alimentaciones reguladas tanto positivas como

negativas, colocando los respectivos capacitores de bypass en las alimentaciones de cada

dispositivo, así como también la colocación de tierras analógicas y digitales por separado

para evitar la generación de ruido en la tarjeta. El circuito esquemático de todo el módulo

reproductor/detector ECG Player se muestra en la figura 4.1

Posteriormente se diseño el layout del circuito impreso del módulo utilizando para

ello el software Protel DXP 2004, el cual posee herramientas especiales para fabricación de

tarjetas PCB (Printed Circuit Board). El diseño requirió de una tarjeta de doble cara para

poder adaptarla a las dimensiones de la tarjeta de adquisición, tal como se muestran en las

figuras 4.2(a) correspondiente a la cara de superior y 4.2(b) correspondiente a la cara

inferior. Ambas imágenes están impresas en escala real.

66

Title

Number RevisionSize

A4

Date: 14/01/2006 Sheet of File: C:\Documents and Settings\..\ECG Player.SCHDOCDrawn By:

+9V -5V

IN1

2

OUT 3

GND

UA78M05

+5V

D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0

OutA 1

OutB 27

RefOut 3

NC 4

RefIN 6NR 2

-5V 26+5V 25

Clock

LadCom 28

RefCom 5

DCom 15

DAC

AD768AR

Ecg11Ecg10Ecg09Ecg08Ecg07Ecg06Ecg05Ecg04Ecg03Ecg02Ecg01Ecg00

Rd775

Rd624.9

Rd520

2

3

1

74

8

6

5

+V

-VAD797A

-5V

+5V-5V

-5V

+5V

CLKIN1 FILTIN8

CLKR 3

AGND6 LS2

+VCC 7

-VCC 4

FILTO 5

TCL04+5V

-5V

ECG+5V -5V

2

31

OP2A

OP496 6

57

+V4 -V 11

OP2B

OP496

9

108

OP2C

OP496

13

1214

OP2D

OP496

ECG

D1

+5V -5V

D2

D7D6D5D4D3D2D1D0

CEOEWE

NC1

NC34

GND18 A0 14A1 13A2 12A3 11A4 10A5 9A6 8A7 7A8 29A9 28A10 25A11 27A12 6A13 30A14 5A15 33A16 4A17 32A18 3A19 35A20 2+VCC36

SRAM

RST 11

CLK 10

GND 8

Q19 Q27 Q36 Q45 Q53 Q62 Q74 Q813 Q912 Q1014 Q1115 Q121 +VCC 16Count_hi

RST 11

CLK 10

GND 8

Q19 Q27 Q36 Q45 Q53 Q62 Q74 Q813 Q912 Q1014 Q1115 Q121 +VCC 16

Count_lo

MEM_ClockReset_count

Reset_count

+5V

+5V

+5V

Ecg11Ecg10Ecg09Ecg08Ecg07Ecg06Ecg05Ecg04

Plug

+9V PTA7

PTA4PTA3

PTA6PTA5

PTA2

Gnd9

Vcc10

PTA1PTA0

PTB7

PTB4PTB315

PTB6PTB5

PTB2

PTD5PTD4

PTB1PTB0

PTC2 32

PTC3 31

PTC4 30

TxD 29

RxD 28

IRQ 27

PTD0 26

PTD1 25

PTD2 24

PTD3 23

Gnd 22

Vcc 21

Vcc 40

Gnd 39

38 38

37 37

36 36

Reset 35

PTC0 34

PTC1 33

HC08GP32Ecg11Ecg10Ecg09Ecg08Ecg07Ecg06Ecg05Ecg04

Ecg03Ecg02Ecg01Ecg00

LCD_Data0LCD_Data1LCD_Data2LCD_Data3

+5V

Sate_selectTxD

RxD

LCD_RSLCD_RWLCD_EDac_Clock

GND+5V

ContRSR/WED0D1D2D3D4D5D6D7Led+Led-

LCD_Header

+5V

LCD_Data0LCD_Data1LCD_Data2LCD_Data3

LCD_RSLCD_RWLCD_E

+5V

+5V

Dac_Clock

MEM_ClockReset_count

+5V

MEM_CEMEM_WEMEM_OE

MEM_CE

MEM_WEMEM_OE

Vss

AD0/KBI0AD1/KBI1

IRQ/KBI2

RST/KBI3AD2/KBI4

AD3/KBI5Vcc HC08-QT4

Q2

Q1

+

Buzzer

+5V

QRS_Sig

Buzzer_Sig

+5V

Tim

e_Se

t

Time_Set

Inv1A Inv1B

+5V

QRS_Det

QRS_Det

QRS_Sig

Buzzer_Sig

Inv1C Inv1D

Sw1

ON/ OFF

Pulso_Desf

TxD

Pul s_Sta teSa te_select

+5V

GN

DA

GN

D

Ti erras

ECG

Pulso_Desf

2

3

1

74

8

6

5

+V

-VAD797B

-5V

+5V

Ca10.47uF

Ca40.47uF

Ca210uF

Ca30.1uF

Ca510uF

Ca60.1uF

Cam11uF

Cam21uF

Cc10.1uF

Cc20.1uF

Cd10.1uF

Cd210uF

Cd310uF

Cd40.1uFCd5

10uF

Cd61uF

Cd71uF

Cd81uF

Cf10.1uF

Cf20.1uF

Cf31.5uF

Cf50.1uF

Cf41.5uF

Cdet10.47uF

Cdet20.47uF

Cdet30.47uF

Cdet41uFCdet6

1uFCdet51uF

Ci11uF

Cl11uF

Cm10.1uF

Cm210uF

Contrst10K

Cu10.1uF

Cu21.5uF

Cu310uF

Pot_a1

Pot_Buz

Ra1 10K

RBuz31K

Rd1

1K

Rd2

1K Rd31K

Rd41K

Rdet162K

Rdet2

120K

Rdet4820K

Rdet3

820K

Rdet5100K

Rdet6100K

Rdet7

1K

Rdet9820K

Rf11K

RLed_ON100

Rq11K

Rq2100

R_Sel

1K

GND1 CNTL 5

OUT 3THR6

TRIG2

+VCC 8

RST 4DISC7

TL555C

RBuz2 1K

RBuz11K

+5V

CBuz10.1uF

CBuz20.1uF

Buzzer_Puls

Buzzer_Puls

RSTQT4

GND3

D+ 4D- 5

VDD6 REGIN7

VBUS 8

/RST9

NC 10

/SUSPEND11

SUSPEND12

RI2

DCD1

NC 15

NC 16

NC 17

NC 18

NC 19

NC 20

NC 21

NC 22

CTS23 RTS24

RXD25

TXD26

NC 13

NC 14

DSR27 DTR28

CP2101

+51

D-2

D+3

NC4

GND5

Mini_USB

RSTQT4

1

2

Ecg_sig

1

2

Desfibril ado

IN13

OUT 2

GND

PT78NR105S

Cd90.1uF

DA

RxD

+5V

Pot_TimeSet

VBUS

VBUSCusb_11uF

Cusb_20.1uF

Figura 4.1.- Esquemático del Módulo Reproductor / Detector ECG Player

67

(a)

(b)

Figura 4.2.- Circuito impreso ECG Player, (a) Cara Superior, (b) Cara Inferior

Una característica de este diseño es que por la cara de arriba están solo los

componentes que comprenden el sistema reproductor analógico, mientras que por la cara

de abajo están solo los componentes que comprenden el detector de QRS.

68

El diseño en el software de Protel DXP 2004 esta hecho con el propósito de utilizar

componentes superficiales en casi toda su totalidad, con la excepción de la memoria RAM

cuyo encapsulado no es superficial, además de algunos jumpers. Otra característica del

diseño de la tarjeta es que tiene bien definidas las áreas digitales, analógicas, así como las

tierras y las áreas de alimentación.

4.2.- EQUIPO ECG PORTÁTIL

Con los layout hechos en Protel se decidió mandar a hacer la tarjeta con la empresa

Monte Vitare, para luego soldar los componentes que conforman la tarjeta del reproductor

analógico y detector de eventos con discriminador de ritmo cardíaco, los acabados finales

de la tarjeta sin componentes se muestran a continuación en las figuras 4.3 y 4.4

Figura 4.3.- Acabado final del PCB ECG Player, sin componentes (Cara Superior)

69

Figura 4.4.- Acabado final del PCB ECG Player, sin componentes, (Cara inferior)

Figura 4.5.- Acabado final del PCB ECG Player con sus componentes, (Cara Superior)

70

Figura 4.6.- Acabado final del PCB ECG Player con sus componentes, (Cara Inferior)

Después de finalizar la elaboración de la tarjeta, se procedió a acoplarla con la

tarjeta de adquisición que facilitó el GBBA, para luego incorporarla a una caja y tener el

producto terminado. Las figuras 4.7 y 4.8 muestran el prototipo del sistema reproductor y

detector de eventos con discriminador de ritmo cardíaco.

Figura 4.7.- Prototipo del Módulo ECG Player acoplado a la Tarjeta de adquisición

71

Figura 4.8.- Cable de alimentación y cable USB acoplados al Módulo ECG Player

4.2.1- OPERACIÓN DEL EQUIPO PORTÁTIL

Después de que el equipo ECG portátil recibe la data del registro que sea mandado

desde el PC, esta se encuentra almacenada en la memoria RAM, por lo que no importa que

se desconecte la comunicación, el equipo puede ya reproducir dos canales de una onda

ECG.

Al encender el equipo, lo primero que hace es verificar si la memoria esta vacía, de

ser así, pide de forma inmediata la transmisión de un registro desde el software en

LabVIEW, si por el contrario encuentra que la memoria tiene ya almacenada un registro,

pasa a estar en modo detenido y mostrando la información del paciente a la cual pertenece

la data.

En todo momento el LCD muestra en pantalla esta información, y el usuario puede

seleccionar si desea transmitir un nuevo registro desde el PC por medio de un pulsador, o si

desea empezar a reproducir el registro existente.

72

Otro pulsador es el que permite empezar a reproducir el canal 1 del ECG

almacenado, si se vuelve a presionar el botón, se cambia al canal 2 desde el comienzo del

ECG, y se presiona una vez más, se vuelve al modo detenido.

Antes de visualizar cualquiera de los dos canales, se debe seleccionar con un

potenciómetro el ritmo cardíaco que se desea discriminar en el detector de eventos, de

modo que si el tiempo es menor, se manda la señal de disparo hacia el desfibrilador, pero si

el tiempo R-R es mayor, no se toma ninguna acción.

La pantalla LCD muestra en la primera línea el número de registro que se encuentra

en la memoria RAM, seguido del modo de operación, ya sea detenido, derivación del canal

1 o derivación del canal 2. En la segunda línea se muestra el sexo del paciente y su edad,

seguido del ritmo cardíaco preestablecido como umbral para la discriminación., esto se

ilustra en la figura 4.9. Por otra parte es necesario mencionar que el consumo en corriente

del equipo es bajo ya que consume un máximo de 380mA, sin embargo el consumo puede

ser menor al deshabilitar la luz de fondo de la pantalla LCD la cual tiene un consumo de

100mA. Los datos técnicos se especifican el la tabla 4.1.

Tabla 4.1. Especificaciones Técnicas del Módulo ECG Player

Características de Operación Valor Nominal

Alimentación de Entrada 7 - 12 VDC

Alimentación Regulada 5 VDC

Consumo de Corriente máxima 380 mA

Modo en Espera Si

73

Los componentes utilizados para la fabricación de la tarjeta ECG Player se

describen en la tabla 4.2

Descripción Parte Componente

Schmit Trigger Inverter 74LS14 Schmit Trigger Inverter

Timer 555 555 TL555C

Non Volatile SRAM 2048Kx8 2048 Kbytes SRAM BQ4017MC-70

Regulador +5V superficial 7805 Regulador +5V

16 Bits Fast Digital-Analog Converter AD768AR AD768AR

Opamp AD797 Opamp

Trimer 50K Amplif

Micro_Switch BackLight MicroSwitch

Buzzer Buzzer Buzzer

Capacitor cerámico 0.47uF Ca1,Ca4, Cdet1, Cdet2, Cdet3 0.47uF

Capacitor Tántalo 10uF Ca2, Ca5, Cd2, Cd3, Cd5, Cm2, Cu3 10uF

Capacitor cerámico 0.1uF Ca3, Ca6, CBuz1, CBuz2, Cc1, Cc2, Cd1, Cd4, Cd9, Cf1, Cf2, Cf5, Cm1, Cu1, Cusb_2

0.1uF

Capacitor cerámico 1uF Cam1, Cam2, Cd6, Cd7, Cd8, Cdet4, Cdet5, Cdet6, Ci1, Cl2, Cusb_1

1uF

Capacitor Tántalo 1.5uF Cf3, Cf4, Cu2 1.5uF

Header, 16-Pin Conector LCD LCD

Trimer 10K Contrst 10K

12-Bit Counter Counter_hi, Couter_low MM74HC4040

Conversor USB-Serial CP2101 Chip USB/Serial

Diodo Rectificador Standard D1, D2 Diodo

Diodo de protección DA Diodo_Alim

Conector SMA Desfibrilador, Ecg_sig Conector SMA

Mini Conector USB Mini_USB Mini_USB_5Pin

Led Superficial Rojo ON/OFF Led Superficial

Low Power Opamp OP496 OP496

Trimer 1K Pot_Buz

Regulador inversor -9V PT78NR105S PT78NR105S

Transistor NPN 2N3904 Q1, Q2 2N3904

Led Superficial Verde QRS Led Superficial

HC08-QT4 QT4 Microcontroller HC08QT4

Resistencia sup 0805 Ra1 10K

Resistencia sup 0805 RBuz1, RBuz2, RBuz3, Rd1, Rd2, Rd3, Rd4, Rdet7, Rf1, Rq1, R_Sel 1K

74

Resistencia 1/8W Rd5 20

Resistencia 1/8W Rd6 24.9

Resistencia 1/8W Rd7 75

Resistencia sup 0805 Rdet1 62K

Resistencia sup 0805 Rdet2 120K

Resistencia sup 1206 Rdet3, Rdet4, Rdet9 820K

Resistencia sup 0805 Rdet5, Rdet6 100K

Resistencia sup 0805 RLed, Rq2 100

Pulsador sencillo State Pulsador

2-Conductor Jack Supply Conector de Alim

Conector 40 Pins Tarjeta de Adquisición HC08GP32 HC08GP32

Butterworth 4th Order lowpass filter TCL04 Filtro

Header, 2-Pin TIERRAS Jumper Tierras

Trimer 10K TIME_SET

Tabla 4.2. Lista de componentes utilizados para la construcción del prototipo

75

4.3.- REPRODUCTOR Y DETECTOR EN EL OSCILOSCOPIO

En la figura 4.9 puede observarse la reproducción en el osciloscopio del registro 100

de la base de datos que corresponde a un paciente de sexo masculino de 69 años de edad,

cuyo ECG fue tomado a partir de las derivaciones V1 correspondiente al canal 1, y MLII

correspondiente al canal II. Por otra parte se puede observar un tren de pulsos asociado a la

detección de cada complejo QRS, (en este caso el canal 1). En la figura 4.10 se observa la

información de lo que se está reproduciendo, como lo es el número del registro, la el canal,

el sexo, la edad y el período que se establece como umbral para la señal del ECG.

Figura 4.9.- Reproducción del Registro 100 en el osciloscopio

Figura 4.10.- Información del Registro 100 en el LCD, reproduciendo el canal 1

76

4.4.- EVALUACIÓN DEL DETECTOR DE QRS

El sistema de detección de QRS fue probado reproduciendo 10 registros distintos

(solo el canal 1) de ECG con el propósito de cuantificar el porcentaje de aciertos en la

detección de los QRS a lo largo de cada registro, es decir, aproximadamente 30 minutos de

reproducción, ya que cada registro contiene 650.000 muestras por cada canal. Los

resultados obtenidos fueron comparados con los proporcionados en las anotaciones de la

base de datos del MIT-BIH, de forma que se pudo evaluar que tan confiable es el detector

de QRS. Además de ello se contó el número de intervalos de tiempo R-R menores de los

tiempos preseleccionados para la discriminación de ritmo, para estas pruebas los tiempos

fueron de 300ms y 400ms

Registro: 100 Paciente: Masculino. 69 años de edad Canal 1: V5 Canal 2: MLII QRS detectados: 2.274 (según anotaciones en la base de datos)

Ritmo Cardíaco Preseleccionado 300ms 400ms

Número de QRS detectados 2.241 2.241

Número de intervalos R-R menores del ritmo cardíaco seleccionado

158 889

PORCENTAJE DE ACIERTOS 98,54%

Tabla 4.3. Porcentaje de aciertos en el registro 100

77

Registro: 101 Paciente: Femenino. 75 años de edad Canal 1: MLII Canal 2: V1 QRS detectados: 1.874 (según anotaciones en la base de datos)



6 776



Registro: 102 Paciente: Femenino. 84 años de edad Canal 1: V5 Canal 2: V2 QRS detectados: 2.192 (según anotaciones en la base de datos)




5 1.402



78

Registro: 103 Paciente: Masculino. Edad no registrada Canal 1: MLII Canal 2: V2 QRS detectados: 2.091 (según anotaciones en la base de datos)




78 705



Registro: 104 Paciente: Femenino. 66 años de edad Canal 1: V5 Canal 2: V2 QRS detectados: 2.311 (según anotaciones en la base de datos)




7 1.232



79





456 1.077



Registro: 116 Paciente: Masculino. 68 años de edad Canal 1: MLII Canal 2: V1 QRS detectados: 2.421 (según anotaciones en la base de datos)




0 0



80





0 213







8 2.451



81





0 384



4.5.- SOFTWARE ECG Player EN LabView 7.1

El software ha sido desarrollado para manejar cualquier registro de la base de datos

del MIT-BIH. Éste posee herramientas que permiten analizar la onda del ECG desde el

computador, permite además conocer la información básica del paciente. Solo maneja el

formato 212.

El tiempo que tarda en descargarse un registro en la memoria RAM depende del

tamaño de dicho registro y de la velocidad a la que se configure la transmisión. En nuestro

caso, se utiliza una tasa de transmisión de 155.200 bps y registros de 1.950.000 bytes, dicho

tiempo es de 2,82 minutos, es decir 2 minutos con 50 segundos aproximadamente es lo que

se toma el software ECG Player en transmitir un registro completo a la memoria RAM del

módulo reproductor. En la figura 3.4 del capítulo anterior se ilustra la ventana del software

82

para confirmar el puerto de transmisión, es de hacer notar que los tiempos de transmisión

son similares para cualquiera de los dos puertos.

El monitor del reproductor en LabView permite visualizar en la misma ventana las

dos derivaciones correspondientes a los dos canales del ECG. Cada registro tarda un

determinado tiempo en aparecer en la ventana con sus dos canales, ya que primero se

realiza una conversión del formato 212 para poder obtener la data de cada canal, en la

figura 4.11 se muestra como se reproduce en el software de LabView los dos canales del

registro 102 una vez que los datos ya han sido convertidos.

Figura 4.11. Ilustración de la reproducción en software del registro 102.

Después que el programa muestra los dos canales, se puede hacer un análisis con las

herramientas que proporciona el LabVIEW. Estas herramientas permiten realizar las

siguientes funciones sobre la onda del ECG.

• Desplazarse por el registro completo con el uso del scrollbar.

• Visualizar los 30 minutos de señal en una sola imagen.

• Trasladar la ventana de forma que se vea un solo canal.

• Realizar acercamientos (zoom) para observaciones detalladas del ECG

CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Se desarrolló un prototipo de un sistema reproductor ECG analógico con

discriminador de ritmo cardíaco, basado en una tarjeta de adquisición con el

microcontrolador HC08. El dispositivo es compatible con las computadoras que trabajan

con el puerto serial y con aquellas que lo hacen con el puerto USB, y tiene capacidad de

almacenamiento de un registro completo en una memoria RAM no volátil. En lo referente al

detector de eventos, se realizó un prototipo analógico al cual se le añadió en su última etapa

un pequeño microcontrolador MC68HC908QT4. En este proyecto se logró el propósito de

reproducir registros de una base de datos digital de señales de electrocardiografía, y

también la implementación de discriminación del ritmo cardíaco del ECG en observación.

A partir de los resultados obtenidos se presentan conclusiones y posteriormente se

sugieren recomendaciones relacionadas con el proyecto, para sus posibles mejoras del

mismo.

5.1.- CONCLUSIONES

5.1.1.- Reproductor de ECG:

• La versión final del reproductor analógico, reproduce señales que están en

formato 212.

• A la tarjeta de adquisición se le añadió una memoria RAM no volátil, una

pantalla LCD y un DAC de 16 bits de resolución.

• La transmisión de la data por el puerto USB, se realiza de forma sencilla

utilizando un puerto virtual COM, el cual se instala en el PC con el driver del

módulo USB – SERIAL.

• El microcontrolador puede ser programado con el BOOTLOADER estando en la

misma tarjeta, no hay necesidad de que sea removido permitiendo que se le

hagan mejoras al firmware.

84

• Mediante la pantalla LCD y el botón de play/stop, el usuario puede escoger

entre los dos canales posibles que se van a reproducir, si desea que se trasmita

un nuevo registro o si prefiere tener el dispositivo en stand by.

5.1.2.- Detector de QRS

• El circuito analógico empleado, detecta el intervalo de tiempo RR de la señal del

electrocardiograma que sale del reproductor.

• El microcontrolador HC908QT4 utilizado en la etapa final del detector,

funciona además para discriminar el ritmo cardiaco.

• El detector manda una señal de amplitud 5 voltios durante 10 milisegundos

cuando el ritmo cardiaco es preestablecido es mayor que el intervalo de tiempo

R-R determinado.

• Un sonido emitido por un buzzer sirve de indicador para saber el momento en el

cual se disparo el pulso de 10ms, igualmente el detector posee un indicador

visual que se enciende cada vez que se detecta un complejo QRS.

5.1.3.- Software en LabView 7.1

• El programa en LabView permite abrir la carpeta donde se encuentra guardada

la base de datos del MIT-BIH.

• Luego de elegir el registro específico, se manda a reproducir, y es posible

apreciar los dos canales de la onda del ECG de ese paciente en particular.

• Las herramientas del LabView permiten hacer un estudio de cada canal una vez

reproducido, como observar con detalle un intervalo en particular, ver la onda

completa o hacer un zoom a un trozo del ECG que se desee apreciar mejor.

• Después de reproducir los dos canales, se configura la velocidad de transmisión

y el puerto COM por el cual se envía el ECG hacia el equipo reproductor.

85

5.2.- RECOMENDACIONES

El Módulo ECG Player es un dispositivo de pruebas para reproducir señales de

onda ECG con dos canales, de pacientes que tienen frecuencias cardiacas irregulares. La

detección de QRS y el disparo de la señal hacia el desfibrilador ocurren en tiempo real,

mientras se reproduce la onda ECG.

Para lograr un sistema que tenga posibilidades de ser comercial, se tienen las

siguientes recomendaciones:

• Dadas las limitaciones del la familia de microcontroladores HC08 debido a su

arquitectura de 8 bits, sería de gran utilidad reemplazarlo por un microcontrolador

más potente de mayores recursos, como un HC12, que tenga mas memoria RAM,

mas módulos periféricos y mas puertos.

• Sustituir la memoria RAM paralela por una del tipo SD, de forma que siga siendo

no volátil pero con la opción de darle portabilidad a la información almacenada.

• Añadirle el manejo de otros formatos estándar aparte del 212, como por ejemplo el

de 16 bits que también puede descargarse de la página del MIT

• Agregarle al equipo un sistema de alimentación de respaldo, para que cuente con

autonomía en los casos en que se corte la alimentación principal.

• Llevar los filtros analógicos y las etapas del detector de QRS a implementaciones

con algoritmos digitales, de forma que se economice en componentes y costo,

siempre y cuando se cuente con un microcontrolador capaz de hacerlo en tiempo

real.

REFERENCIAS

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