Control y adquisición de señal del ECG, 6101 desde una computadora

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(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Biomédica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

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(5) i. PENSAMIENTO. ¿Para qué, sino para poner paz entre los hombres, han de ser los adelantos de la ciencia? José Martí..

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(7) ii. DEDICATORIA. A mi familia por apoyarme siempre, en especial a mi abuela Monín que tanto me adora, a mis padres por darme su ayuda incondicional, así como su esfuerzo y comprensión que me brindaron en todos estos años de mi vida, a Reinaldo quien más que abuelo es papá y, a tí hermano, que más que hermano eres mi HERMANO. A mis amigos que siempre me apoyaron en las buenas y en las malas y, a aquellos que no pueden estar más presentes entre nosotros, Tito, Ricaño, quienes ya se hubiesen graduado entre nosotros..

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(9) iii. AGRADECIMIENTOS. A todos los profesores que de una forma u otra han tenido que ver con la realización de esta Tesis y por toda la dedicación con la que me han transmitido sus conocimientos a través de todos estos años, en especial a mis tutores. A mi familia, en especial a mis padres, mis abuelos, mis tíos y mis tías Eli, por cuidarme siempre y Lurdes por estar siempre pendiente de cómo marcha mi vida. A mis amigos por compartir conmigo una parte de su vida sin pedir nada a cambio, en especial: A Oslaivi por ser amigo en las buenas y en las malas, a Bismar, que desde preescolar matriculamos juntos y desde entonces siempre he contado con su amistad en todo momento, a Yodelvis quien desde el Pre nunca dejó de brindar su amistad, a Yenisleidi Batista por haberme entregado su amistad, a ti Dayami por dejarte ayudar y entregarme todo el amor que puedes darme con todos los hermosos momentos que hemos pasado juntos. A todos mis compañeros de beca que soportaron mi convivencia todos estos años, William, Osvaldo, Iroel y Campillo, quienes además de compañeros de cuarto fueron compañeros de carrera, Jochi y Dunia, quien más que compañera es amiga. En fin, a todas esas personas, que de una manera u otra hicieron posible la realización de este trabajo..

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(11) iv. TAREA TÉCNICA. 1. Revisión. bibliográfica. sobre. sistemas. para. la. adquisición. de. señales. electrocardiográficas 2. Estudio de sistemas programables en un chip (PSoC). 3. Estudio del paquete LabVIEW. 4. Diseño de interfaz con PSoC entre electrocardiógrafo (ECG-6101) y computadora. 5. Diseño de interfaz gráfica en la computadora basada en el LabVIEW. 6. Puesta a punto y comprobación de los diseños.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

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(13) v. RESUMEN. Años atrás para la medición de señales bioeléctricas, proliferaban sistemas totalmente analógicos con registradoras de papel incorporadas. Con el paso del tiempo, muchas de dichas registradoras han dejado de ser funcionales, por roturas catastróficas, no disponibilidad de los papeles especiales requeridos, u otras causas, por lo que sistemas completos han sido desechados. En muchos casos, no obstante, los sensores y demás componentes para el acondicionamiento primario de la señal (front-end) se encuentran en perfecto estado. Teniendo en cuenta las facilidades ofrecidas por las computadoras en la actualidad, resulta conveniente reutilizar dicho el front-end conectándolos a las mismas. Para ello se diseña una interfaz y conectar a modo de ejemplo el front-end de un electrocardiógrafo ECG-6101 a una computadora personal (PC) haciendo uso de un sistema programable en un chip (PSoC). A través de esta se controlan todas las funciones del ECG mediante una interfaz visual desarrollada en LabVIEW con la misma apariencia del panel frontal del ECG, sustituyendo el teclado y display del mismo. La alimentación del circuito que comprende la interfaz, se realiza a partir de las líneas de alimentación del ECG-6101. Se logra aislamiento galvánico para la protección del paciente, con el uso de optoacopladores alimentados a partir de las líneas del puerto serie, tomadas del conector DB9. Este sistema ECG-interfaz-PC puede usarse con fines originales, docentes e investigativos, aprovechando todas las facilidades ofrecidas por las PC para almacenar y procesar las señales digitales. Palabras claves: ECG, LabVIEW, aislamiento, alimentación..

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(15) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA................................................................................................................iv RESUMEN .............................................................................................................................v INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................1 Objetivo general..................................................................................................................1 Objetivos específicos ..........................................................................................................2 CAPÍTULO 1.. SISTEMAS. PARA. LA. ADQUISICIÓN. DE. SEÑALES. ELECTROCARDIOGRÁFICAS ...........................................................................................3 1.1. Módulo acondicionador de biopotenciales .............................................................4. 1.1.1. Etapa de protección.........................................................................................5. 1.1.2. Selección de derivaciones...............................................................................5. 1.1.3. Preamplificador y realimentación a pierna derecha........................................7. 1.1.4. Filtrado analógico ...........................................................................................7. 1.2. Conversión analógico-digital y comunicación con la PC.......................................8. 1.2.1. Conversión analógico-digital..........................................................................8. 1.2.2. Comunicación con la PC.................................................................................9. 1.3. Circuito adaptador de niveles ...............................................................................11.

(16) vii 1.4. Aislamiento galvánico con la PC..........................................................................11. 1.5. Software y visualización.......................................................................................11. CAPÍTULO 2.. MATERIALES Y MÉTODOS.................................................................13. 2.1. PSoC .....................................................................................................................13. 2.2. Multisim / Ultiboard .............................................................................................15. 2.3. LabVIEW..............................................................................................................16. 2.4. ECG-6101 .............................................................................................................18. 2.5. Análisis del circuito de control del front-end, motor e impresión y display del. ECG-6101, mediante teclado............................................................................................19 2.5.1. Circuitos de control conformador de código para la selección y señalización. de derivación electrocardiográficas ..............................................................................21 2.5.2. Circuitos de control conformador de código para la selección y señalización. de las sensibilidades de trabajo.....................................................................................22 2.5.3. Circuitos de control para la atención a las teclas de arranque/parada del. motor, inicialización (“reset”), conexión y desconexión del filtro y velocidades del motor………………………………………………………………………………….22 2.6. Interfaz ECG-PC...................................................................................................24. 2.6.1. Alimentación.................................................................................................25. 2.6.2. Circuito de aislamiento y adaptador de niveles ............................................26. 2.6.3. Esquemático y circuito impreso de la interfaz ECG-PC...............................27. 2.6.4. Pruebas realizadas a la interfaz ECG-PC......................................................28. 2.6.5. Programacion del PSoC ................................................................................29. 2.7. Interfaz visual en LabVIEW .................................................................................35. 2.7.1. Indicadores y envío de comandos .................................................................36. 2.7.2. Configuración del puerto serie......................................................................37.

(17) viii 2.7.3. Menú .............................................................................................................38. 2.7.4. Adquisición de los datos trasmitidos ............................................................38. 2.7.5. Acondicionamiento de los datos adquiridos .................................................39. CAPÍTULO 3.. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ..............................................................40. 3.1. Interfaz ECG-PC...................................................................................................40. 3.2. Interfaz visual .......................................................................................................41. 3.3. Análisis económico...............................................................................................44. 3.4. Conclusiones del capítulo .....................................................................................45. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................46 Conclusiones.....................................................................................................................46 Recomendaciones .............................................................................................................46 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................47.

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(19) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Años atrás proliferaban para la medición de señales bioeléctricas, sistemas totalmente analógicos con registradoras de papel incorporadas. Con el paso del tiempo, muchas de dichas registradoras han dejado de ser funcionales, por roturas catastróficas, no disponibilidad de los papeles especiales requeridos, u otras causas, por lo que sistemas completos han sido desechados. En muchos casos, no obstante, los sensores y demás componentes para el acondicionamiento primario de la señal (front-end) se encuentran en perfecto estado. Resulta evidente que sería muy útil encontrar vías factibles para reutilizar esos costosos y especializados front-ends para los fines originales, o para uso docente, y/o de investigación. Teniendo en cuenta las facilidades ofrecidas por las computadoras en la actualidad, incluyendo procesamiento digital de las señales, graficación, impresión, almacenamiento, comunicación, etc., resulta conveniente conectar el front-end a las mismas. Esto puede lograrse con el uso de tarjetas de adquisición con conversión analógica-digital (CA/D), pero resultan relativamente caras y en la mayoría de las aplicaciones quedarían subutilizadas [1], [2]. El uso de la entrada de audio puede introducir distorsiones apreciables, debido a las limitaciones espectrales del canal. En este trabajo se aborda, a modo de ejemplo, el acople del front-end de un electrocardiógrafo ECG-6101 [3], de Nihon Kohden, con una computadora personal (PC). Objetivo general Gobernar y adquirir señal ECG de un electrocardiógrafo ECG-6101 desde una computadora..

(20) INTRODUCCIÓN. 2. Objetivos específicos Diseñar interfaz con PSoC entre el electrocardiógrafo (ECG-6101) y la computadora. Diseñar interfaz gráfica basada en el LabVIEW para controlar el ECG desde la computadora..

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(22) CAPÍTULO 1. SISTEMAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. 3. CAPÍTULO 1. SISTEMAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. En la actualidad existe una gran tendencia en el mundo al procesamiento digital, análisis o creación de una base de datos de señales biomédicas, por lo que existen diversos equipos para el registro de biopotenciales en la PC. Ejemplos de ellos son: •. Los electrocardiógrafos digitales de las series ECG-1101 y ECG-1103, los cuales. contienen todas las facilidades de un electrocardiógrafo convencional; además, guardan internamente en memoria hasta 15 exámenes y cuentan con interfaz de comunicación RS232 para descarga de estos a la PC. •. El CARDIOCID T50 [4] cuenta con 512 Kb de memoria FLASH para programas y. 512 Kb de memoria RAM; además, incluye un controlador de tiempo, un controlador de interrupciones, líneas de entrada/salida, dos puertos serie RS-232 y comunicación USB. •. El Welch Allyn CardioPerfect PCR [5] permite la adquisición de 12 derivaciones (ver. 1.1.2), contiene capacidades de trabajo en red, transmisión integrada para aplicaciones de telemedicina. •. El electrocardiógrafo SE-3, modelos A Y B portátil [6], es un sistema de 12/6 (VET). derivaciones, contiene pantalla LCD abatible que muestra curva, y parámetros configurados con capacidad de almacenar hasta 100 pacientes y transferirlos mediante USB, Ethernet o RS232, con software de conexión a PC. •. El SE-12 [6] contiene pantalla de alta resolución de 5,7”, Interfaz USB, RJ45 y. RS232 para trasmitir datos a PC..

(23) CAPÍTULO 1. SISTEMAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. 4. Por su importancia, desarrollo y tendencia en el mundo, en diversos trabajos se aborda la adquisición de biopotenciales, su acondicionamiento, comunicación y visualización utilizando la PC, manteniendo en común las etapas fundamentales para su desarrollo (Figura 1.1).. Figura 1.1 Diagrama en bloque general para la adquisición de biopotenciales como el ECG. Para registrar los biopotenciales se utilizan electrodos perfectamente polarizables y perfectamente no polarizables. Estos son una interfaz entre el cuerpo y el equipo de medida, que es necesario tener en cuenta porque por ellos fluirá una corriente, generalmente muy pequeña pero no despreciable. Además, los electrodos forman una interfaz de transducción entre la corriente de naturaleza iónica generada por el cuerpo y la señal eléctrica transmitida al bioinstrumento. En electrocardiografía los electrodos más usados son los de plata-cloruro de plata (Ag/AgCl) [7], [8], que son electrodos prácticos, que minimizan los artefactos por movimientos, con un acercamiento a las características del electrodo no polarizable. 1.1. Módulo acondicionador de biopotenciales. Este módulo puede encontrarse en cualquier equipo biomédico, como por ejemplo: •. El electroencefalógrafo argentino marca BERGER de larga data [9], para las salidas. del graficador de agujas, se toman las señales electroencefalográficas (EEG) ya amplificadas en las escalas de voltios. •. El módulo de EKG (MON OUT) [10], el cual está diseñada para conectar un “plug”. de micrófono para obtener la señal. Esta etapa de acondicionamiento tiene por fin ubicar la.

(24) CAPÍTULO 1. SISTEMAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. 5. señal entre 0 y 5 voltios, debido a que la señal obtenida posee valores negativos y picos de voltaje mayores a 5 voltios, lo cual no se encuentra dentro del rango de valores de voltaje que garantizan óptimas condiciones de operación para el microcontrolador utilizado en las etapas siguientes. En electrocardiografía (ECG o EKG), en general, este módulo consta de diferentes bloques (Figura 1.2), que en su conjunto conforman el acondicionamiento primario de la señal (front-end).. Figura 1.2 Diagrama en bloque general del Módulo acondicionador de biopotenciales para la adquisición de ECG. 1.1.1 Etapa de protección Para garantizar una alta impedancia de entrada, y así minimizar cualquier contacto entre el paciente y el sistema de adquisición de la señal, pueden utilizarse amplificadores operacionales con entrada FET, configurados como seguidores de voltaje [11], o amplificadores de aislamiento como el amplificador AD202j de Analog Devices con un factor de amplificación de uno [12]. Estos circuitos se denominan buffers de entrada, los cuales se caracterizan porque tienen una alta impedancia de entrada y una muy pequeña impedancia de salida, lo que les permite ser utilizados como etapa de aislamiento. Desde el punto de vista de la entrada, es la carga ideal, y visto desde la salida es un generador de tensión ideal [13]. 1.1.2 Selección de derivaciones •. Existen configuraciones adecuadas para la conexión de los electrodos al cuerpo, llamadas derivaciones, que son las combinaciones de puntos corporales desde los cuales se registra el ECG.. Las derivaciones electrocardiográficas involucran puntos situados sobre las manos (RA y LA), los pies (LL y RL) y el tórax (V) del paciente. Frank Norman Wilson (1890-.

(25) CAPÍTULO 1. SISTEMAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. 6. 1952) investigó sobre los potenciales unipolares de electrocardiografía, siendo estos medidos con respecto a un terminal de referencia, WCT [13].. Figura 1.3 Circuito, Red de Wilson. La red de Wilson (Figura 1.3) incluye los puntos necesarios para las derivaciones clínicas. Con esta red y un multiplexor se pueden seleccionar las diferentes derivaciones, sin necesidad de variar la posición de ninguno de los electrodos conectados al paciente. El selector puede emplear líneas digitales, debidamente optoacopladas [12]. En electrocardiografía clínica se usan 12 derivaciones: •. Tres bipolares de miembros: formadas por las combinaciones entre el brazo derecho (RA), el brazo izquierdo (LA) y la pierna izquierda (LL). o I = D1 = RA – LA o II = D2 = LL – LA o III = D3 = LL – RA. •. Tres unipolares aumentadas de miembros: medidos entre cada uno de los tres miembros RA, LA y LL, con respecto al promedio de los dos restantes. o aVR = RA – (LA+LL)/2 o aVL = LA – (RA+LL)/2 o aVF = LL – (RA+LA)/2. •. 6 precordiales: medidos entre 6 punto en el tórax alrededor del corazón con respecto al terminal central de Wilson, WCT. o V1~6 = V1~6 – WCT.

(26) CAPÍTULO 1. SISTEMAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. 1.1.3. 7. Preamplificador y realimentación a pierna derecha. En el cuerpo del paciente, con respecto al común de la red de alimentación, aparece el voltaje de modo común (VMC). Debido a que el VMC puede ser transformado en una señal diferencial de interferencia, es importante reducirlo lo más posible. Para ello se utiliza el circuito de manejo de pierna derecha realizado generalmente con un amplificador operacional, resistencias y capacitores [11]. Este circuito amplifica la señal de modo común (VMC) y la señal resultante se inyecta al electrodo del pie derecho (RL); de esta forma se provee un camino de baja impedancia entre el paciente y el común del amplificador, reduciéndose así considerablemente el VMC. La amplificación de la señal se lleva a cabo con amplificadores de instrumentación (AI), los cuales se seleccionan de forma tal que tengan un alto rechazo al modo común (CMRR) y una elevada impedancia de entrada para disminuir las corrientes de fuga, las cuales pueden ocasionar que algún evento externo afecte el normal funcionamiento [14], garantizando que se cumpla la norma AAMI [15]. El AI se puede construir con un arreglo de operacionales como el OP07CP de Analog Devices [14], o se puede encontrar encapsulado como el INA114 de Texas Instruments [16]. Los AI encapsulados disminuyen el efecto de las tensiones de offset sobre los mismos. Por medio de dos potenciómetros del tipo trimpot multivueltas, se regula la ganancia y el rechazo a las señales de modo común RRMC [17]. Finalmente, uno de los principales problemas que se tiene en el registro de un ECG es el corrimiento de la línea base producido por causas tan variadas como movimientos involuntarios del paciente, polarización de los electrodos por un mal contacto, fluctuaciones de temperatura, etc. Ese corrimiento dificulta una buena estabilidad de la señal registrada, por lo que contar con un sistema de compensación de offset es necesario. Esta etapa puede implementarse mediante un integrador analógico y un arreglo de optoacopladores tipo 4N28 [18], este arreglo funciona como una fuente controlada que contrarresta los corrimientos de la línea basal, manteniéndola a la salida sin alteraciones. 1.1.4. Filtrado analógico. Por la necesidad garantizar un nivel adecuado en la etapa de conversión y eliminar el ruido de bajas y altas frecuencias presentes en el sistema, debido a que en la señal ECG las.

(27) CAPÍTULO 1. SISTEMAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. 8. componentes relevantes solo se encuentran entre 0,05 Hz y 100 Hz, es necesario realizar un filtraje analógico [11]. Para el diseño de este bloque se toma en cuenta básicamente dos consideraciones: la interferencia y el ancho de banda. La interferencia en la señal del ECG se origina principalmente por la línea de corriente alterna de 60 Hz. Por otra parte, la señal del ECG también se puede ver contaminada por los componentes residuales de las frecuencias portadoras introducidas en el circuito de modulación por el amplificador de aislamiento y que se fugan del circuito del modulador en modo común [18]. Se pueden implementar filtros paso bajo y paso alto [16], así como un filtro variable de estado para eliminar la interferencia de 60Hz [14], dejando pasar solo el rango de frecuencias característico de la señal de ECG. Un filtro notch o de muesca, con elevado factor de mérito, Q, atenúa las interferencias producidas por la red eléctrica en el monitoreo. El filtro notch está compuesto por un filtro pasa banda de banda estrecha, de aquí su elevado Q, cuya señal de salida se suma a la señal original con su fase invertida, es decir que se resta. De esta manera se consigue un filtro de muesca con frecuencia de eliminación 60Hz [17]. Este circuito debe estar constituido por resistores y capacitores apareados, por lo tanto el montaje lleva un trimpot multivuelta para efectuar la calibración y así obtener la mayor atenuación posible a la frecuencia deseada. En los electrocardiógrafos comerciales este filtro es de uso opcional. 1.2. Conversión analógico-digital y comunicación con la PC. Varios artículos se refieren al uso de microcontroladores por las facilidades que estos nos brindan en cuanto a conversión analógico/digital (CA/D) y comunicación ya sea por IrDA, RS232 o USB, además de su fácil adquisición. 1.2.1. Conversión analógico-digital. Los convertidores A/D son dispositivos electrónicos que establecen una relación biunívoca entre el valor de la señal en su entrada y la palabra digital obtenida en su salida. La relación se establece en la mayoría de los casos, con la ayuda de una tensión de referencia [19]. Un aspecto a tener en cuenta es la resolución del convertidor; en el caso de la señal ECG, para una adecuada digitalización se usan normalmente 12 bits [11], [14], [20], aunque la resolución mínima es de 10 bits [16], [18], [17]..

(28) CAPÍTULO 1. SISTEMAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. 9. La conversión analógica a digital tiene su fundamento teórico en el teorema de muestreo o Teorema de Nyquist-Shannon, que establece que la frecuencia mínima de muestreo necesaria para evitar el “aliasing” debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima de la señal que se desea muestrear. En el caso de la señal ECG, para que no existan pérdidas de información se debe muestrear alrededor de 5 veces su frecuencia máxima [11], [20], [18], [17], [14], [16]. Los C A/D contenidos en los microcontroladores y seleccionados mediante la programación, para usar con señales ECG, pueden ser: 1. C A/D de aproximaciones sucesivas Es el más común en convertidores integrados, cuando la exactitud requerida no es determinante, ya que su diseño supone un equilibrio entre velocidad y complejidad. Se caracteriza por incluir un registro de aproximaciones sucesivas (SAR; Sucesive Approximation Register), que contiene las distintas aproximaciones de la palabra digital. 2. Convertidores sigma-delta Son apropiados para aplicaciones con requisitos de resolución elevados (hasta 21 bits en algunos modelos) que involucren frecuencias bajas-medias (entre 10 Hz y 100 kHz). En este circuito, la frecuencia de muestreo puede ser muy elevada comparada con la de la señal de entrada, por lo que el filtro “antialiasing” es muy simple. Tampoco es necesario el circuito de muestreo y retención, S&H. La operación básica de un convertidor sigma-delta es intercambiar tasa de muestreo por resolución. Las señales son muestreadas a una tasa mucho mayor que la de Nyquist, pero con un solo bit de resolución en amplitud [12]. 1.2.2. Comunicación con la PC. La necesidad de intercambiar información de manera rápida y confiable entre dispositivos como cámaras digitales, agendas electrónicas, teléfonos móviles, relojes, equipos médicos, computadores y equipos de red, fue en sus inicios, sinónimo de sistemas, siendo utilizados interfaces de comunicación como son:.

(29) CAPÍTULO 1. SISTEMAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. 10. 1. IrDA Los estándares de IrDA definen comunicaciones bidireccionales punto a punto, empleando un haz de luz infrarroja que requiere línea de vista, un ángulo no mayor de 30 grados y una distancia que no excede un metro, para obtener tasas de transmisión de datos entre 9,6Kbps y 16Mbps, dependiendo del entorno [21]. Presenta como desventaja que el espectro del infrarrojo requieren línea de vista entre los dos extremos, en consecuencia reduce enormemente los efectos de las interferencias por parte de otros dispositivos y al mismo tiempo implica un procedimiento de apuntamiento hacia el destino que no es atractivo para el usuario dado que al mismo tiempo debe cuidar que durante la comunicación tampoco se obstruya este espacio y presenta carente capacidad de involucrar más de dos elementos dentro de una misma comunicación [22]. 2. RS-232 El puerto serie RS-232, presente en todos los ordenadores actuales, es la forma mas comúnmente usada para realizar transmisiones de datos entre ordenadores y dispositivos como equipamiento médico. Las señales con las que trabaja este puerto serie son digitales, de +12V (0 lógico) y -12V (1 lógico), para la entrada y salida de datos, y a la inversa en las señales de control. El estado de reposo en la entrada y salida de datos es -12V. Dependiendo de la velocidad de transmisión empleada, es posible tener cables de hasta 15 metros [23], [16]. Antes de iniciar cualquier comunicación con el puerto RS232 se debe de determinar el protocolo a seguir dado que el estándar del protocolo no permite indicar en que modo se está trabajando, es la persona que utiliza el protocolo la que debe decidir y configurar ambas partes antes de iniciar la transmisión de datos. Los parámetros a configurar son los siguientes: ¾ Protocolo serie (número de bits-paridad-bits de parada) ¾ Velocidad de puerto ¾ Protocolo de control de flujo (RTS/CTS o XON/XOFF)..

(30) CAPÍTULO 1. SISTEMAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. 11. 3. USB USB, Universal Serial Bus, es una interfaz plug&play entre la PC y ciertos dispositivos tales como teclado, mouse, escáner, impresora, módem, tarjeta de sonido, cámara, etc. Una característica importante es que permite a los dispositivos trabajar a velocidades mayores, en promedio a unos 12 Mbps. Esto es, más o menos, de 20 a 40 veces más rápido que un dispositivo de puerto serie. La norma USB simplifica los procesos de validación y los test de compatibilidad de diferentes combinaciones de hardware y software, de forma que los OEM puedan desarrollar con anticipación determinados segmentos de mercado y responder con más agilidad a los mercados emergentes [24]. 1.3. Circuito adaptador de niveles. Como la señal procedente de los microcontroladores está comprendida entre los 0 y 5 V y los niveles de voltaje del puerto serie de la PC son de ±12 V, se necesita un circuito capaz de ajustar dichos niveles [16]. Para ello se puede utilizar el circuito integrado MAX232 [14], [18], o el HIN232CP [10], los cuales permiten convertir señales TTL/CMOS a RS232. También puede usarse un circuito alternativo sencillo y de bajo costo que reemplaza el MAX232, utilizando transistores complementarios bc547 y bc557 [20]. 1.4. Aislamiento galvánico con la PC. Para cumplir con los requerimientos de aislamiento, por la necesidad e importancia de protección al paciente, es necesario utilizar un conversor DC/DC que aísla galvánicamente al paciente de la red eléctrica [11]. Además, para lograr el aislamiento con la PC se deben utilizar optoacopladores en las líneas de transmisión y recepción [11], [12], como por ejemplo el HCNW2201. De esta forma, quedan aisladas galvánicamente las líneas de Tx y Rx. 1.5. Software y visualización. Para la adquisición y visualización de los datos transmitidos a la PC, se debe programar un software que cumpla con los requerimientos de los datos para su acondicionamiento y.

(31) CAPÍTULO 1. SISTEMAS PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. 12. visualización, para ello existen diferentes lenguajes de programación como C++, Visual Basic, LabVIEW y Delphi. LabVIEW es un sistema de programación de propósito general, pero también incluye bibliotecas de funciones y herramientas de desarrollo, diseñadas específicamente para adquisición de datos y control de instrumentos [16]. La primera tarea es lograr la comunicación entre el conversor y el hardware de adecuación y captura de la señal proveniente de los electrodos para posteriormente configurar la frecuencia del modulador y la tasa de diezmado [12]. Los datos se almacenan en el buffer del puerto serie y se leen secuencialmente [10]. El lenguaje Visual Basic permite visualizar y capturar bloques de datos seriales de la señal, además se otorga la posibilidad al usuario de almacenar los datos adquiridos, para luego ser postprocesados [14], [18]. C++ Builder de Borland permite desarrollar interfaz gráfica con captura de datos series, los que son procesados y una vez clasificados son presentados en pantalla mediante el uso de las bibliotecas gráficas del entorno de desarrollo [17]. Resultan ser métodos complejos para programar donde bondades como el direccionamiento de memoria, una de sus características más atractivas, resultan difíciles de aprender y manejar. El Ergocid Plus es un software desarrollado sobre ambiente Windows XP en Delphi 7.0, el cual recibe en tiempo real las 12 derivaciones simultáneas, realiza automáticamente las mediciones de presión, mantiene la base de datos del sistema con información de los pacientes y sus estudios [20]. Delphi es un software que va quedando en desuso por lo antiguo que resulta programar en Pascal por lo cual se consideran entornos no apropiados para nuevos desarrollos aunque sigan vigentes sus aplicaciones..

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(33) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 13. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. En este Capítulo se exponen los materiales y métodos utilizados para el desarrollo de las interfaces necesarias para el acople del ECG-6101 a la PC. Se aborda el análisis del circuito correspondiente a teclado y display para el control del ECG en cuanto a selección de derivaciones, orden de calibración, reset, ganancia y conexión y desconexión del filtro, con el objetivo de sustituir el mismo por una interfaz visual capaz de cubrir dichas funciones, además de permitir la graficación y almacenamiento de la señal adquirida, visualización de señales guardadas con anterioridad y lo relacionado con el componente fundamental de la interfaz ECG-PC, el PSoC. Para su adecuado funcionamiento, es necesario un circuito para la alimentación del mismo a partir de la fuente de alimentación del ECG y un circuito adaptador de niveles para la conversión TTL-RS232 y RS232-TTL, además de aislamiento galvánico para protección al paciente. 2.1. PSoC. Para el desarrollo de la interfaz entre el ECG-6101 y la PC, se decidió utilizar el PSoC de la serie CY8C27443 [25] ya que este ofrece 12 bloques analógicos, 8 bloques digitales y una microcomputadora empotrada de 8 bits, todo configurable, en un encapsulado de 28 terminales, por menos de 4,00 USD/unidad. El usuario define qué funciones realizar y cuándo ellas aparecen (re-configuración dinámica), y cómo se interconectan. Los PSoC ofrecen múltiples ventajas para el acondicionamiento, al tener amplificadores operacionales con bajo offset de entrada (5 mV) y bajo ruido (80 nV/√Hz) [25], [26], [27], [28] amplificadores de ganancia programable (hasta 48×) y amplificadores de instrumentación (topologías de dos y tres operacionales), con razón de rechazo al modo común de unos 60 dB. La ganancia DC en lazo abierto de los amplificadores es de 80 dB,.

(34) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 14. el ancho de banda para ganancia unitaria es de 12 MHz y la razón de cambio es de 8 V/µs, mientras que los resistores no difieren en más de 0,5 %. Los terminales de entrada/salida son configurables y cada uno puede entregar hasta 10 mA (existen 4 salidas de 40 mA) y recibir hasta 25 mA [25]. Existe además una amplia gama de filtros que se pueden configurar a la medida del acondicionamiento requerido [29], [30], [31]. Tanto la referencia como el potencial de tierra pueden ser seleccionados de acuerdo a la aplicación de que se trate: VBandGap para sistemas de voltaje absoluto, Vdd/2 para sistemas radio-métricos y referencia externa, Vref, para incrementar flexibilidad [27], [28]. El CY8C27443 posee multiplexores de 4 y 8 entradas analógicas. Para implementar los filtros anti-aliasing cuenta con topologías de filtros paso-bajo activos con bloques de tiempo continuo, que son las más recomendadas [29], [30], pero también se dispone de configuraciones basadas en bloques de capacitores conmutados (también útiles en el acondicionamiento general), que no requieren de ninguna componente externa [31]. La configuración de amplificador de instrumentación con tres operacionales (última etapa con capacitores conmutados) puede sincronizarse con los convertidores A/D, por lo que no requieren de bloques de muestreo/retención. El CY8C27443 tiene un núcleo microprocesador empotrado M8C, con arquitectura Harvard, que puede trabajar hasta 24 MHz (4 MIPs). Además, contiene un multiplicador por hardware, que permite implementar funciones básicas de procesamiento digital, así como el control de los convertidores, amplificadores, filtros y demás bloques del sistema. Este dispositivo da múltiples opciones de comunicación, destacándose el chequeo que puede realizar de redundancia cíclica (CRC) de 2 a 16 bits, así como la implementación de los estándares: I2C (de Philips), SPI y UART (para comunicación serie), e IrDA (por infrarojo). Además, existen algunos dispositivos de la familia capaz de comunicarse inalámbricamente. Tiene 16 KBytes de memoria de programa flash con protección robusta de lectura/escritura; también, ofrece emulación de EEPROM en flash y poseen 256 Bytes de SRAM. El CY8C27443 resulta adecuado desde el punto de vista de su bajo consumo, incluso a alta velocidad, presentando flexibles modos de reposo (sleep), con corrientes tan bajas como.

(35) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 15. 3µA. Sus voltajes de trabajo van desde 3V hasta 5,25V, aunque puede ser bajado a 1V, usando SMP (switch mode pump). 2.2. Multisim / Ultiboard. Para la puesta a punto del circuito diseñado y creación del impreso se decidió utilizar el paquete Multisim/Ultiboard 10.1 como poderosa herramienta de ayuda al diseño y simulación. Multisim es una herramienta ampliamente usada en el campo profesional, gracias a su potente entorno interactivo, no requiere un conocimiento amplio en simulación, ni una amplia experiencia en el uso de herramientas de simulación. Con Multisim se realiza captura, simulación y postprocesado en el mismo entorno [32], lo que elimina los altos costos de realizar el diseño en múltiples etapas repetitivas, asegurando la alta calidad en la simulación y medidas en el diseño. La familia de productos a nivel profesional de Multisim (Base, Full y Power Pro) ofrece un amplio conjunto de herramientas para los diseñadores profesionales: ¾ Entorno de diseño intuitivo ¾ Cableado sin modelado y colocación ¾ Instrumentos virtuales interactivos ¾ Asistentes para creación automática de circuitos ¾ Rubberbanding sobre componentes y cableado ¾ Fácil exportación al diseño PCB usando NI Ultiboard ¾ 24 tipos de análisis ¾ Más de 16 000 componentes, todos con modelos listos para ser simulados ¾ Fácil adición de nuevas partes y modelos de simulación ¾ Simulación con microcontroladores y co-simulación VHDL ¾ Intercambio de información e instrumentos desde y hacia LabVIEW y Signal Express.

(36) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 16. Ultiboard es una herramienta intuitiva para el diseño de circuitos impresos, PCB Layout y enrutamiento. Los usuarios pueden hacer diseños PCB usando los existentes desde Multisim o realizándolos desde el inicio, usando las partes que conforman la amplia base de datos de Ultiboard [33]. Ultiboard contiene múltiples características que ahorran mucho tiempo y ayudan al usuario a comprender mejor el comportamiento del circuito y el por qué de su diseño. ¾ Prepara a los estudiantes para las actividades de diseño profesional con PCB y autoenrutamiento ¾ Anotación bidireccional ¾ Exporta formatos estándar, incluyendo Gerber ¾ Diseños de hasta cuatro capas y 1000 pines ¾ Visualización 3D del diseño 2.3. LabVIEW. Para el desarrollo de la interfaz visual, para la graficación de los datos adquiridos se decidió utilizar LabVIEW de National Instruments. Este nos proporciona un potente entorno de desarrollo gráfico para el diseño de aplicaciones de adquisición de datos, análisis de medidas y presentación de datos, ofreciendo una gran flexibilidad gracias a un lenguaje de programación sin la complejidad de las herramientas de desarrollo tradicionales. Es usado principalmente por ingenieros y científicos para tareas como: ¾ Adquisición de datos. ¾ Control de instrumentos. ¾ Automatización industrial o PAC (Controlador de Automatización Programable). ¾ Diseño de control: prototipaje rápido y hardware-en-ciclo (HIL). ¾ Diseño Embebido. ¾ Domótica. ¾ Control de procesos..

(37) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 17. Su principal característica es la facilidad de uso, válido tanto para programadores profesionales como para personas con pocos conocimientos en programación, los que pueden hacer (programas) relativamente complejos, imposibles para ellos de hacer con lenguajes tradicionales. También es muy rápido hacer programas con LabVIEW y cualquier programador, por experimentado que sea, puede beneficiarse de él. Los programas en LabVIEW son llamados instrumentos virtuales (VIs). Para los amantes de lo complejo, con LabVIEW pueden crearse programas de miles de VIs (equivalente a millones de páginas de código texto) para aplicaciones complejas, programas de automatizaciones de decenas de miles de puntos de entradas/salidas, proyectos para combinar nuevos VIs con VIs ya creados, etc. Incluso existen buenas prácticas de programación para optimizar el rendimiento y la calidad de la programación. El LabVIEW 7.0 introduce un nuevo tipo de subVI llamado VIs Expreso (Express VIs). Estos son VIs interactivos que tienen una configuración de caja de diálogo que permite al usuario personalizar la funcionalidad del VI Expreso. Los VIs estándar son VIs modulares y personalizables mediante cableado y funciones que son elementos fundamentales de operación de LabVIEW, además presentan facilidades para el manejo de: 1. Interfaces de comunicaciones: ¾ Puerto serie, Puerto paralelo. ¾ GPIB, PXI, VXI. ¾ TCP/IP, UDP, DataSocket. ¾ IrDA, Bluetooth, USB. 2. Capacidad de interactuar con otros lenguajes y aplicaciones: ¾ DLL: bibliotecas de funciones. ¾ .NET. ¾ ActiveX. ¾ Multisim, Matlab/Simulink. ¾ AutoCAD, SolidWorks, etc..

(38) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 18. 3. Herramientas gráficas y textuales para el procesado digital de señales. 4. Visualización y manejo de gráficas con datos dinámicos. 5. Adquisición y tratamiento de imágenes. 6. Control de movimiento (combinado incluso con todo lo anterior). 7. Tiempo real, estrictamente hablando. 8. Programación de FPGAs para control o validación. 9. Sincronización entre dispositivos. 2.4. ECG-6101. El electrocardiógrafo ECG-6101 [35] (Figura 2.1), de la firma japonesa Nihon Kohden [3], a pesar de los años de explotación, tiene aceptables características técnicas: ¾ Sistema de 12 derivaciones estándar ¾ Razón de rechazo al modo común: 100 dB ¾ Respuesta de frecuencia: 0,05 Hz a 100 Hz ¾ Señal de prueba: 1 mV ± 3 % ¾ Salida CRO: 1 ± 0,1 V ¾ Voltajes de alimentación: ± 8 V Aunque varios de los botones del panel frontal se encuentran deteriorados por el pasar de los años, a pesar de ello estos funcionan perfectamente y cumplen con todas sus funciones: ¾ El botón (1) corresponde al encendido y apagado. ¾ El botón 2 (25-50 mm/s) selecciona las velocidades del papel (25 y 50 mm/s) para la impresión de la señal. ¾ El botón 3 (FILTER) se utiliza para la conexión y desconexión del filtro para eliminar la interferencia de 60 Hz de la línea de alimentación. ¾ Los botones 4, 5 y 6 (SENSITIVITY) seleccionan las diferentes ganancias (100, 50 y 25) del amplificador de instrumentación..

(39) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 19. ¾ El botón 7 (RESET) prevé que la plumilla del registrador sea enviada a su posición normal o línea de base. ¾ El botón 8 (START/STOP) enciende y apaga el motor que desenrolla el papel. ¾ El botón 9 (1mV) pone a la entrada una señal de 1mV para la calibración del equipo ¾ los botones 10 y 11 (Up y Down) seleccionan las diferentes derivaciones.. Figura 2.1 Panel frontal del ECG-6101. 2.5. Análisis del circuito de control del front-end, motor e impresión y display del ECG-6101, mediante teclado. En este sub-epígrafe se llevó a cabo el análisis del circuito de la Figura 2.2, el cual comprende la atención de teclado y display para el control del ECG en cuanto a selección de derivaciones, orden de calibración, reset, ganancia y conexión y desconexión del filtro con el objetivo de sustituir el mismo por una interfaz visual capaz de cubrir dichas funciones..

(40) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. Figura 2.2 Circuito de control del front-end, motor e impresión y display del ECG-6101, mediante teclado. 20.

(41) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 21. 2.5.1 Circuitos de control conformador de código para la selección y señalización de derivación electrocardiográficas El circuito IC203, es un contador de 4 bits, cuyos terminales de salida, se conectan a la entrada del circuito IC206 (MC 14 028 B), el cual es un registro de desplazamiento que cuando sus entradas tienen valor “0”, el bit de salida menos significativo Q0 toma valor “1” y los restantes bits de salida toman valor “0”. Si la salida Q0 del IC206 toma el valor de “1” entonces la salida # 11 del IC219 (MC 14 070 B) será un tren de pulsos de 32 Hz, el cual sirve para visualizar la indicación de “TEST” en el visualizador (“display”), en correspondencia a la conexión que es hecha inicialmente por la sección de conmutación del bloque de entrada. En otras palabras; al energizar el equipo aparece en el visualizador la palabra “TEST”. Las características del contador IC203 (MC 14 516 B) es que si su entrada “UP/DOWN” (Terminal # 10) hay un “1”, el contador se incrementa por cada pulso que llega por el “clock” (Terminal # 15), pero si en la entrada “UP/DOWN” hay un “0”, el contador se decrementa con cada pulso de reloj. Desde esta lógica de control descrita, son enviadas señales de control, a la sección de comunicación de la unidad de entrada del front-end, a través de la cinta conectora de 22 terminales, (Tabla 2.1) para la activación y selección de los conmutadores contenidos en los circuitos IC404, IC405, IC406, y IC407 (todos HD 14 052-BP). Tabla 2.1 Selección de derivaciones. Derivaciones Test I II III aVR aVL aVF V1 V2 V3 V4 V5 V6. B 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0. A 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0. C1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1. C2 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1. C3 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1. C4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0. Código Defecto 65 X 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77.

(42) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 22. Cada vez que se cambia el modo de operación del equipo, pulsando los interruptores SW201 o SW202, la electrónica del equipo prevé que la plumilla del registrador sea enviada a su posición normal o línea de base, haciendo funcionar la parte del sistema de inicialización (“reset”) encargada de estas funciones. 2.5.2. Circuitos de control conformador de código para la selección y señalización de las sensibilidades de trabajo. Al encender el equipo, el capacitor C212 impone un”0” momentáneo para la entrada IN2 (terminal # 14) del IC202, lo que permite establecer la sensibilidad en X 1, que es el modo normal de trabajo del equipo. Al pulsar SW203 para duplicar la sensibilidad (X 2), se activa la entrada IN1 y al pulsar SW205 para reducir a la mitad la sensibilidad (X 1/2) se activa la entrada IN3. Mediante los bits de control A y B, salidas OUT1 (terminal # 2) y OUT3 (terminal # 4) del IC202 (Figura 2.2) el front-end identifica la ganancia que debe tener el amplificador de instrumentación. Tabla 2.2 Selección de la ganancia del amplificador. A 0 1 1. B Sensibilidad Ganancia Código Defecto 1 ×2 100 78 X 1 ×1 50 79 0 ×½ 25 80. 2.5.3. Circuitos de control para la atención a las teclas de arranque/parada del motor, inicialización (“reset”), conexión y desconexión del filtro y velocidades del motor. Para atender las cuatro teclas de control al motor (arranque, parada y las dos velocidades), “reset” y conexión del filtro es empleado el IC201 (TC 9 130 P) (Figura 2.2). Este circuito es inicializado mediante el capacitor C214 conectado a su terminal # 10 (“reset común”). El IC201 tiene cuatro biestables que se activan con caídas de pulsos. Si se oprime el interruptor SW206 (“start/stop”), a la salida del inversor IC211 (MC 14 069 UB) aparece un “0”, que pone en funcionamiento el motor, o un “1”, que detiene el funcionamiento el motor..

(43) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 23. Esta función es sustituida por la orden al PSoC de conversión y detener la conversión A/D con los códigos correspondientes (Tabla 2.3) enviados desde la PC. Tabla 2.3 Activación de CA/D. PSoC Código Defecto Start Orden de conversión 81 Stop Detiene la conversión X Si se oprime el interruptor SW207 (“reset”), se fija a la entrada del biestable correspondiente un “0” y este cambia su estado poniendo un”1” en su salida, el cual pasa por una compuerta “OR”, IC213 (TC 9130 P), y el inversor IC211 (MC 14 069 UBCP), existiendo en la entrada del “OR exclusivo” correspondiente IC216 (MC 14 070 B) un “0”, el cual prevé que la plumilla del registrador sea enviada a su posición normal o línea de base y borra del visualizador (“display”), el símbolo de la señal electrocardiográfica. Tabla 2.4 Conexión y desconexión del filtro. INSTP Reset Código Defecto 0 Línea de base 82 1 Envía señal X Si se acciona el interruptor SW208, se fija la salida “OUT 3” del IC201 en “1”, permitiendo que la señal de 32Hz active el terminal #7 del visualizador, el que proyecta la indicación de filtro conectado, al mismo tiempo en el preamplificador. A través del terminal HUM (Tabla 2.5) de la cinta de 22 conexiones, se ejecuta la conexión del filtro para la eliminación del ruido de interferencia de 60 Hz de la línea de alimentación mediante el IC410. Tabla 2.5 Conexión y desconexión del filtro. HUM Estado Código Defecto 1 Filtro conectado 83 0 Filtro desconectado X La orden para calibrar el equipo se establece mediante el interruptor SW210, que pone un “1” en el inversor IC212, enviando este un “0” al circuito para la calibración en el preamplificador, a través de la cinta de 22 conexiones..

(44) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 24. Tabla 2.6 Orden de calibración. CAL. Calibración. 0 1. Orden de calibración Se detiene la orden. 2.6. Código Defecto 84. X. Interfaz ECG-PC. En esta sección se presenta la interfaz para el acople del front-end de un electrocardiógrafo ECG-6101 [3], de Nihon Kohden, con la PC (Figura 2.3). Consta de un PSoC CY8C27443 [25], [34], [35], de Cypress Microsystem como componente principal, un bloque que comprende un circuito acondicionamiento de niveles y aislamiento galvánico entre el ECG6101 y la PC, para protección al paciente, y un bloque para la alimentación de la interfaz a partir de la fuente alimentación del ECG-6101.. Figura 2.3 Diagrama en bloques simplificado de la arquitectura del interfaz. A continuación se explican cada uno de los bloques que conforman la interfaz ECG-PC de la Figura 2.3..

(45) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 25. 2.6.1 Alimentación. Por la necesidad de obtener 5 V de Vss a Vdd para la alimentación digital del PSoC y ± 2,5 V para la parte analógica del PSoC, a partir de ± 8V del ECG-6101 y lograr un montaje compacto, fiable, con poca variación con la temperatura, se decidió utilizar reguladores integrados “programables”. Se seleccionaron el LM317 [36] y el LM337 [37] por estar disponibles, al haber sido recuperados de otros equipos médicos en desuso. Estos reguladores entregan un voltaje regulado en la salida en dependencia de los valores de R1 y R2 (R3 y R4), según la expresión: ⎛ R ⎞ Vo = VREF ⎜⎜1 + 2 ⎟⎟ + I ADJ R2 , R1 ⎠ ⎝. (1). donde el voltaje de referencia (VREF) es de 1,25 V para el LM317 y -1,25 V para el LM337; la corriente IADJ es del orden de 10 µA, por lo que se desprecia [36], [37]. Según (1), se tomaron valores de R1, R2, R3 y R4 iguales a 330 Ω. Estos se seleccionaron de un grupo de ellos con tolerancias del 20%, pero cuidando que estuvieran lo más pareado posibles, lo que equivale a una selección de componentes con mucho menor tolerancia., para obtener voltajes de ± 2,5 V a partir de los ± 8 V. En este diseño (Figura 2.4), se utilizaron capacitores de 2,2 µF para filtrar las pequeñas variaciones de voltaje que puedan producirse, en paralelo con 0,1 µF que responde mejor a las altas frecuencias..

(46) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 26. Figura 2.4 Circuito de la fuente de alimentación del PSoC y del optoacoplador. 2.6.2. Circuito de aislamiento y adaptador de niveles. Por la necesidad e importancia que representa la seguridad bioeléctrica del paciente, es preciso garantizar el aislamiento galvánico de la interfaz [1], [38]. Por otro lado, se requiere la conversión de niveles TTL a RS232 y viceversa, para la comunicación por el puerto serie, ya que el PSoC utiliza transmisión y recepción con niveles TTL (entre 0 y 5 V) y la PC utiliza niveles RS232 (entre +12 V y -12 V). Como además se necesita que este bloque de aislamiento sea de poco peso y tamaño reducido, se decidió utilizar optoacopladores. Se seleccionó el CNY17 [39] por estar disponible, al haber sido recuperado de otros equipos médicos en desuso. Para lograr un aislamiento galvánico efectivo se necesitan dos fuentes de alimentación, una para la parte del ECG y otra para la parte de la PC. Para lograr esto, se tomaron los 5V del PSoC, de Vdd a Vss, para alimentar su bloque de transmisión y recepción. Para la parte de transmisión (TxD) y recepción (RxD) de la PC, los voltajes de alimentación se tomaron del conector DB-9 del puerto serie (Figura 2.5), usando GND como tierra de referencia, los +12V son proporcionados en los terminales RTS y DTR, este se niega por software y se conecta a través de un diodo en paralelo con RTS y así proporciona mayor corriente al circuito. Como TxD está la mayor parte del tiempo en alto (-12 V) se tomaron los -12V.

(47) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 27. necesarios. Cuando TxD está en bajo el capacitor está cargado manteniendo su carga, logrando los -12 V hasta que TxD vuelva a estar en alto (Figura 2.5). En el laboratorio se le efectuaron pruebas al circuito de la Figura 2.5, para cada optoacoplador. Para ello se llevó a cabo el montaje del circuito en una breadboard, se alimentó el circuito con fuentes diferentes (tierras aisladas) y se usó un generador de ondas Iwatsu Electric Co., para proporcionar una onda cuadrada por TxD de ambas partes. De la parte del ECG se usaron niveles TTL (entre 0 y 5 V) y de la parte de la PC se usaron niveles RS232 variables (mínimo de -3 V a 3 V y máximo de -12 V a +12 V). Se varió la frecuencia de la onda cuadrada, observando en un osciloscopio la forma de onda en RxD (de ambas partes: ECG y PC) para determinar la máxima frecuencia que podía ser transmitida por el optoacoplador CNY17 en los montajes del diseño propuesto.. Figura 2.5 Circuito de aislamiento y adaptador de niveles para la comunicación entre el PSoC y la PC. 2.6.3 Esquemático y circuito impreso de la interfaz ECG-PC. En la Figura 2.6, se muestra el esquemático del circuito final del interfaz diseñado, editado en Multisim 10.1..

(48) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 28. Figura 2.6 Esquemático del circuito final de la interfaz. Usando Ultiboard se diseñó el circuito impreso (Figura 2.7). Un conector DB9 con cable apantallado sirve para la conexión con la PC. El enlace con la salida es el CRO del ECG6101. Los voltajes de ± 8 V y GND, llegan a la interfaz proveniente del front-end en el conector de 22 terminales del mismo.. Figura 2.7 Circuito impreso final de la interfaz. 2.6.4 Pruebas realizadas a la interfaz ECG-PC. Se llevó a cabo la simulación del circuito diseñado (Figura 2.4) en el Multisim 10.1 para comprobar que los voltajes a la salida del mismo fueran los requeridos; posteriormente se.

(49) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 29. pasó al montaje del circuito en una breadboard, donde se alimentó con la fuente regulada de la breadboard ajustada para obtener de la misma ± 8 V (voltaje que entrega la fuente de alimentación del ECG-6101) para comprobar con el multímetro los resultados obtenidos en la simulación, para ello se usó un multímetro digital VP-2661A de Matsushita Communication Industrial Co., LTD., Japón. Primeramente, el PSoC es programado con un eco a diferentes velocidades de transmisión (alrededor de la sugerida en el experimento realizado con los optoacopladores); o sea, al enviar cualquier carácter desde el software programado en LabVIEW al PSoC (interfaz) y este recibirlo, lo transmite nuevamente a la PC, donde es visualizado por el software. De funcionar correctamente la transmisión y recepción en ambos sentidos (PC-interfaz y viceversa), debe visualizarse el mismo carácter enviado. Posteriormente se lleva a cabo una nueva programación del PSoC para que envíe, 01010101 “indefinidamente” a la PC, a través de los optoacopladores. La PC recibe, el carácter enviado por el PSoC y lo visualiza en un software programado en LabVIEW. Con eso se prueba la transmisión para el peor de los casos, en que se usa al máximo el ancho de banda del canal, al dar una secuencia crítica de ceros y unos, pero si el carácter es visualizado correctamente no se tiene seguridad que estén llegando todas las muestras trasmitidas lleguen a su destino. Para estar seguro, se realizó una nueva programación del PSoC donde este envía una secuencia de números consecutivos de 0 a 255, estos son obtenidos, guardados en una variable y graficados, de funcionar correctamente, se grafica una señal diente de sierra. 2.6.5. Programacion del PSoC. En la programación del PSoC son utilizados dos bloques analógicos y uno digital, seleccionado en color verde (Figura 2.8) para el conversor A/D sigma-delta de 11 bits (DELSIG11). Este al ser seleccionado se conecta al puerto 2_2 como entrada. Se prefieren los CA/D sigma-delta por ser más inmunes al ruido, además en su operación, intercambian tasa de muestreo por resolución, las señales de entrada son muestreadas a una tasa mucho mayor que la de Nyquist. Están compuestos por un modulador Sigma–Delta, un filtro digital y un diezmador. Empleando conversores Sigma – Delta se tiene el mismo ruido total pero distribuido a lo largo de un amplio rango de frecuencias, por lo tanto, el.

(50) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 30. ruido dentro de la banda de interés es menor [40], [12]. Se seleccionó una frecuencia de muestreo de 480 muestras/s para que esta sea un múltiplo de 60 y casi 5 veces la frecuencia máxima de la señal ECG. Para la comunicación serie (UART) de las conversiones A/D se utilizan dos bloques digitales del PSoC, seleccionados en color azul (Figura 2.8), este al ser seleccionado se conecta el bloque de TxD al puerto 1_4 y el bloque RxD al puerto 0_0. Se empleó formato 8N1, con bit de parada en 1, sin paridad y sin control de flujo. Como cada conversión se envían dos bytes, que constituyen 20 bits y siendo la frecuencia de muestreo de 480 muestras/s, entonces la frecuencia mínima de transmisión es de 9600 bits/s. Se decidió utilizar comunicación serie pues no se contaba con el hardware necesario para implementar las demás comunicaciones contenidas en la serie del PSoC a utilizar.. Figura 2.8 Bloques seleccionados para el CA/D y comunicación serie..

(51) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 31. Para la configuración del DELSIG11 y el UART (Figura 2.9) se necesita una señal de reloj (DataClock). Para ello se calcula (Ecuaciones 2 y 3) el divisor correspondiente para utilizar el reloj interno del PSoC (SysCLK) de 24 MHz. Divisor ( DELSIG ) =. SysClk SampleRate × 1024. (2). SysClk BaudRate × 8. (3). Divisor (UART ) =. Para las acciones a ejecutar por el PSoC tras los comandos recibidos (Tablas 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 y 2.6), para dar la orden al front-end para la selección de derivaciones, conexión y desconexión del filtro, reset, y sensibilidad se configuraron los pines (Figura 2.10) que correspondían a los puertos utilizados solo para salida, poniéndolos en Strong para que cambien de alto a bajo y viceversa.. Figura 2.9 Configuración del DataClock para los módulos de UART y DELSIG11.

(52) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 32. Figura 2.10 Pines del PSoC empleados para la conexión a la cinta de 22 terminales y la comunicación. Después de seleccionar y configurar los bloques antes mencionados se da paso a la programación del PSoC correspondiente al diagrama de flujo de las Figuras 2.11 y 2.12, para que cumpla con las funciones deseadas (CA/D, comunicación serie, y control del front-end del ECG-6101)..

(53) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 33. Inicio Configurar y encender el UART. Se Inicializa los registros de los puertos y los comandos. cmd = Z Enviar Y. cmd. 2. Atención a comandos cmd = StartStop. xor ss, ss Se detiene la conversión A/D. SS = 1. Orden de conversión al CA/D SS = 1 Tomo la 1ra muestra de la señal y envió los LSB y los MSB se guardan en b1 Tomo la 2da muestra de la señal y los MSB se guardan en b2 y los LSB en b3 1 Figura 2.11 Diagrama de flujo. Al encender la interfaz desarrollada, primeramente en el PSoC se inicializan los registros de los puertos para la inicialización del ECG-6101, se configura el UART en cuanto a paridad y control de flujo, se enciende el mismo y se espera por el comando (cmd) Z indicando que la interfaz visual está lista para recibir datos. Al recibir este cmd el PSoC envía el cmd Y.

(54) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 34. como respuesta, indicando que se encuentra listo para recibir instrucciones y espera por un cmd para ejecutar acciones. Al llegar algún comando se chequea cual llegó y se ejecuta la acción correspondiente (Tablas 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 y 2.6), al llegar el comando StartStop se le hace un xor a SS que fue inicializada en 0 con ella misma, se compara si es 1, si es 1 se enciende el CA/D, se toma la primera muestra de la señal y se envía los 8 bits menos significativos (LSB) y los 3 bits más significativos (MSB) se guardan en un espacio de memoria (b1). Posteriormente se toma la segunda muestra de la señal y los 3 MSB se guardan en un espacio de memoria (b2), entonces se pasa a la subrutina de la Figura 2.12. Si ss es 0, se apaga el CA/D y se espera por un nuevo comando. Como la frecuencia de muestreo es de 480 muestras/s y el convertidor es de 11 bits, por cada muestra hay que enviar dos bytes, y con cada par de bits de arranque y parada suman 20 bits por muestra, es decir, por cada 480 muestras/s hay que enviar 9600 bits/s. Al ser la comunicación a 9600 Bauds, nos queda justo el tiempo de envío de los datos antes de volver a muestrear. Para solucionar el problema, se llevó a cabo una subrutina en la que por cada dos muestras de la señal se envían tres bytes (Figura 2.12). Primeramente, se chequea que se hayan enviado los LSB de la primera muestra; si no ha sido enviada, se espera que esta sea enviada para luego enviar los LSB de la segunda muestra. Los MSB de la segunda muestra se corren cuatro lugares a la izquierda y se hace un OR de los MSB de la primera muestra con los MSB de la segunda muestra, se espera que hayan sido enviado los LSB de la segunda muestra y se envía el dato conformado con los MSB de las dos muestras adquiridas. Se chequea que haya sido enviado y después se chequea si llegó un nuevo comando; si llegó, ejecuta la acción correspondiente (Tablas 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 y 2.6) y se siguen tomando muestras y enviando hasta ser detenido el CA/D, sino llego ningún nuevo comando se continua tomando muestras y enviando hasta ser detenido el CA/D..

(55) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 35. 1. ¿Se envió los LSB de la 1ra muestra?. Enviar LSB de la 2da muestra Se pone el carry en 0, b2 se desplaza 4 lugares a la izquierda Se hace un or de b1 con b2. ¿Se envió los LSB de la 2da muestra?. Enviar b1. ¿Se envió los b1?. 2 Figura 2.12 Diagrama de flujo de la subrutina para el envió de los bytes. Para comprobar la programación realizada, se colocó la entrada del convertidor en el PSoC un generador de ondas Iwatsu Electric Co., se transmiten diferentes formas de onda conocidas (cuadrada, triangular, sinusoidal) y se comprueba que sean visualizadas correctamente en la PC. Luego, se prueba con la señal de calibración del ECG-6101. Además, se prueba el estado de los pines del PSoC al enviarle los diferentes comandos (Tabla 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 y 2.6) y por último se prueba con la señal electrocardiográfica real de un paciente. 2.7. Interfaz visual en LabVIEW. Se decidió que la interfaz gráfica se desarrollara utilizando LabVIEW, que fuera lo más parecido posible al panel frontal de ECG-6101 (Figura 2.1) para lograr así una mejor familiarización del usuario con la interfaz. Para ello, se le tomaron fotos al ECG-6101 en los diferentes estados como encendido y apagado, conexión y desconexión del filtro,.

(56) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 36. sensibilidad o ganancias del amplificador y, a partir de imágenes tomadas de estas fotos, crear botones e indicadores y un fondo para lograr reproducir el panel frontal del ECG. LabVIEW consta de dos ventanas de trabajo, el Front Panel donde se crea el fondo, los botones e indicadores para lograr reproducir el panel frontal del ECG y el Block Diagram donde, por medio de programación gráfica, se asigna todas las funcionalidades de lo creado en el Front Panel. Para ello, se conformaron diferentes subVIs, correspondientes al diagrama en bloque de la Figura 2.13.. Figura 2.13 Diagrama en bloque de los diferentes subVIs que conforman la interfaz gráfica. El estado de los botones está dado por el botón del power editado en la ventana Front Panel, al cual, en la ventana Block Diagram, se conecta un indicador tipo led que indica el on/off y con un case. Si el power está off este desactiva los botones, filter, sens, reset, Start/Stop, 1 mV y los de la selección de derivaciones; y al power estar on se activan todos estos para su manipulación. Al oprimir el botón del power se envia el comando Z, al PSoC y como respuesta se reciba el comando Y. Si este comando no es recibido los botones de filter, sens, reset, Start/Stop, 1 mV y los de la selección de derivaciones quedan desactivados y se muestra un cartel de ERROR que indica revisar las conexiones del ECG o resetear el ECG, hasta que el comando es recibido. Al power ser accionado, envía al PSoC el comando Z y este lo recibe, queda listo para su operación. 2.7.1 Indicadores y envío de comandos. Primeramente, utilizando bibliotecas del LabVIEW se conforma un array con todos los botones con build array, con search 1D array, se extrae la posición que ocupa cada botón.

(57) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 37. en el arreglo al ser oprimido, este valor se incrementa en una vez para desechar el cero (Figura 2.14), para posteriormente, con un case, encender el indicador correspondiente a cada botón, enviar los comandos correspondientes para cada función (Tabla 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 y 2.6), utilizando Serial Port Write (Figura 2.15), el cual envía por el puerto serie los caracteres deseados.. Figura 2.14 Botones, build array, search 1D array, increment. Figura 2.15 Serial Port Write. 2.7.2 Configuración del puerto serie. La configuración del puerto serie para la comunicación RS-232 se realiza utilizando las bibliotecas de LabVIEW disponibles para tal fin (Figura 2.16), la cual inicializa el puerto serie seleccionado.. Figura 2.16 Serial Port Init. Buffer size: selecciona el tamaño del buffer del puerto serie. Port number: Selecciona el puerto serie con que se va a trabajar..

(58) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y METODOS. 38. Baude rate: Selecciona la velocidad de lectura de los datos. Este valor tiene que ser igual. que el valor de transmisión de los bits desde el PSoC. En caso de que sean diferentes la señal que se obtiene no se corresponderá con la que se quiere obtener. Data bits: Este botón sirve para seleccionar el número de bits que se van a leer desde el. buffer procedentes del PSoC, este valor tiene que ser igual que el del PSoC. Stop bits: Puede ser 0 o 1 e indica el fin de la palabra digital. 2.7.3 Menú. Se decidió crear un menú que nos permitiera salvar la señal adquirida y abrir la señal salvada, llamar al subVI para la configuración del puerto serie, selección de las diferentes derivaciones y una ayuda para el software creado. El menú creado es guardado en Current VI’s Menubar y al ser seleccionado cualquier opción del menú con Get Menu Selection se obtiene a la salida una cadena de caracteres con el nombre de dicha opción (Figura 2.17) y con un case se asigna la función deseada.. Figura 2.17 Current VI’s Menubar, Get Menu Selection. La señal adquirida es guardada en dat, la cual puede ser leída desde MatLab para posteriores procesamientos. 2.7.4 Adquisición de los datos trasmitidos. Los datos recibidos se almacenan en el buffer del puerto serie y se lee secuencialmente, utilizando una de las bibliotecas de Labview disponibles para este fin (Serial Port Read), a la cual se le debe indicar el número de bytes que se leerán del buffer de entrada (Bytes At Serial Port) del puerto serie seleccionado (Figura 2.18).. Figura 2.18 Bytes At Serial Port, Serial Port Read.