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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
ELECTROCARDIÓGRAFO PORTÁTIL PARA LA EMPRESA
CRONIX
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
DAKY PINTAG LEMA MALES
DIRECTOR: ING. VLADIMIR BONILLA
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© Universidad Tecnológica Equinoccial 2016.
iii FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1004359509
APELLIDO Y NOMBRES: Lema Males Daky Pintag
DIRECCIÓN: Carcelén Bajo
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 025135577
TELÉFONO MOVIL: 0988572237
DATOS DE LA OBRA
TITULO: “Electrocardiógrafo portátil para la empresa Cronix”
AUTOR O AUTORES:
Lema Males Daky Pintag FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: Septiembre 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Ing. Vladimir Bonilla
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA:
Ingeniero en Mecatrónica
RESUMEN: Mínimo 250 palabras El material de investigación constituido comprende el desarrollo de un
electrocardiógrafo portátil capaz de adquirir la
señal bioeléctrica del corazón, realizar la
medición del ritmo cardiaco y representarlo
gráficamente a través de una aplicación
cargada en un dispositivo móvil. En virtud de
ello, la telesalud y la telemedicina son dos
campos donde la aplicación de las
tecnologías de la información y comunicación
son trascendentales en cuestión de mejorar
la calidad de vida del ser humano, y una
solución de alta eficiencia en la distribución
de los recursos sanitarios. Además, el
iv
fundamental para pacientes crónicos, lo cual
el servicio se satisface si el centro médico en
las áreas rurales dispone del equipamiento
necesario.
La implementación de los circuitos
electrónicos conllevo la configuración del
amplificador de instrumentación para adquirir
la señal del corazón, que luego transcurre
hacia un pre procesamiento a través de filtros
activos pasa bajos, pasa altos y de tipo Notch
que eliminan en su mayoría el ruido del
ambiente. Posteriormente, se realizó la
conversión analógica digital con el fin de
aplicar el algoritmo de procesamiento digital
donde se incluyeron los filtros digitales, el
cálculo de la frecuencia cardiaca y la
transmisión inalámbrica de los datos hacia
una aplicación móvil en plataforma Android
con conectividad UDP. Las pruebas de
validación del prototipo demandaron la
medición del electrocardiograma a un grupo
de personas de sexo y edades diferentes.
PALABRAS CLAVES: Electrocardiograma, cardiología, bioseñales, filtro activo, telesalud, telemedicina, portable
ABSTRACT: The research material constituted includes the development of a portable
electrocardiograph capable of acquiring heart
bioelectric signal, the measurement of heart
rate and represent it graphically through a
loaded on a mobile device application. Under
it, telehealth and telemedicine are two areas
where the application of information
technology and communication are
transcendental in a matter of improving the
quality of human life, and a solution of high
efficiency in the distribution of resources
v
key test for chronic patients, which the service
is satisfied if the medical center in rural areas
have the necessary equipment.
The implementation of electronic circuits led
to the configuration of the instrumentation
amplifier to acquire the signal of the heart,
which then passes to a pre-processing
through active low pass filters, high pass and
Notch type mostly eliminated ambient noise.
Subsequently, the digital analog conversion is
performed in order to implement the digital
processing algorithm where digital filters
included, the calculation of the heart rate and
the wireless transmission of data to a mobile
application in Android platform connectivity
UDP. Validation tests of the prototype
electrocardiogram measurement sued a
group of people of different ages and sex.
KEYWORDS Electrocardiogram, cardiology, bio signals active filter, telehealth, telemedicine,
portable
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
f:__________________________________________ LEMA MALES DAKY PINTAG
vi DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, LEMA MALES DAKY PINTAG, CI 1004359509 del proyecto titulado:
ELECTROCARDIÓGRAFO PORTÁTIL PARA LA EMPRESA CRONIX previo a la obtención del título de INGENIERO EN MECATRÓNICA en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de
Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de
Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del
referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de
información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública
respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una
copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio
que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual
vigentes.
Quito, 10 de octubre de 2016
f: __________________________________________ LEMA MALES DAKY PINTAG
vii
DECLARACIÓN
Yo, LEMA MALES DAKY PINTAG, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ LEMA MALES DAKY PINTAG
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CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “ELECTROCARDIÓGRAFO PORTÁTIL PARA LA EMPRESA CRONIX”,
que, para aspirar al título de INGENIERO EN MECATRÓNICA, fue desarrollado por LEMA MALES DAKY PINTAG, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
__________________________ VLADIMIR BONILLA
DIRECTOR DEL TRABAJO
ix
AGRADECIMIENTO
A Dios; expresión legítima de la Verdad
A los Padres que me dio la vida, quienes desde la concepción siempre juntaron sus talentos para mantener el rumbo correcto.
A mis hermanos; cada uno de ellos construye la esencia de la palabra familia. A la acción que cada Docente y compañero de aula que esta institución convocó durante mi formación académica y humana.
Reconocer el aporte de la comunidad de compañeros que la empresa CRONIX ha demostrado.
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ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN ... vii
ABSTRACT ... viii
1.INTRODUCCIÓN 2. MARCO TEÓRICO 2.1 ELECTROCARDIOGRAMA……….……..…..…………..3
2.1.1 EL CORAZÓN ... 3
2.1.2 DERIVACIONES UNIPOLARES DE LOS MIEMBROS ... 5
2.1.3 ONDAS, INTERVALOS Y SEGMENTOS DEL ECG ... 6
2.1.4 MEDICIÓN DEL RITMO CARDIACO ... 10
2.2 ELECTROCARDIÓGRAFO……….10
2.3 IMPORTANCIA DE SISTEMA MÓVIL ECG……….11
2.3.1 TELESALUD ... 11
2.3.2 TELEMEDICNA ... 11
2.3.3 BENEFICIOS DE UN PLAN DE TELEMEDICINA ... 12
2.4 PROCESAMIENTO DE SEÑALES 13 2.4.1 RUIDO EN EL ECG ... 14
2.4.2 FILTROS ... 15
2.5 SOFTWARE SISTEMAS DE INFORMACIÓN 16 2.5.1 .NET Y XAMARIN... 16
2.6 TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN……….16
2.6.1 REDES INALÁMBRICAS ... 16
2.6.2 ESTÁNDAR IEEE (802.11) ... 17
2.6.3 COMUNICACIÓN SERIAL ... 19
3. METODOLOGÍA Y DISEÑO 3.1 METODOLOGÍA MECATRÓNICA……….22
3.2 METODOLOGIA DEL PROYECTO………...22
3.3 REQUERIMEINTOS DEL SISTEMA……….23
3.3.1 ESPECIFICACACIONES DE EQUIPOS ... 24
3.4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN CIRCUITO ECG………..26
3.4.1 AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN ... 27
3.4.2 AMPLIFICACIÓN DE GANANCIA ... 28
3.4.3 FILTRO ACTIVO PASA BAJO ... 28
ii
3.4.5 FILTRO NOTCH ... 31
3.4.6 COMUNICACIÓN SERIAL ARDUINO - RPi ... 31
3.5 DISEÑO DE SOFTWARE………32
3.5.1 ADQUISICIÓN SEÑAL ECG ... 32
3.5.2 FILTROS IIR ... 34
3.5.3 CÁLCULO RITMO CARDIACO ... 34
3.5.4 APLICACIÓN MÓVIL ... 37
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS 4.1 ADQUISICIÓN Y FILTRADO DE ECG………..41
4.2 PROCESAMIENTO DIGITAL……….43
4.3 PLATAFORMA DE COMUNICACIÓN………..46
4.4 PLATAFORMA CLIENTE………47
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES………50
RECOMENDACIONES………..51
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Cavidades y tejidos del corazón ... 4
Figura 2. Papel electrocardiográfico ... 4
Figura 3. Onda de electrocardiograma general ... 5
Figura 4. Localización electrodos en derivaciones unipolares ... 6
Figura 5. Intervalos y segmentos del ECG ... 7
Figura 6. Intervalo PR ... 7
Figura 7. Complejo QRS ... 8
Figura 8. Caracterización del segmento ST y la unión J ... 8
Figura 9. Espectro de frecuencias para intervalos de ECG ... 9
Figura 10. Electrocardiógrafos comerciales (marcas Cardiovex y CSE) ... 10
Figura 11. Procesamiento digital de una señal analógica ... 13
Figura 12. Modelos OSI y sus protocolos ... 18
Figura 13. Interface de comunicación serial asíncrona ... 19
Figura 14. Modelo en V del diseño mecatrónico ... 22
Figura 15. Arquitectura de la red cliente – servidor ... 24
Figura 16. Diagrama amplificador de instrumentación INA 118 ... 27
Figura 17. Amplificador de ganancia ... 28
Figura 18. Esquema Filtro pasa bajo ... 29
Figura 19. Esquema Filtro pasa alto ... 30
Figura 20. Filtro Notch ... 31
Figura 21. Diagrama conexión serial Arduino – RPi 2 ... 32
Figura 22 Sketch para adquisición ECG ... 33
Figura 23. Adquisición señal ECG ... 33
Figura 24. Diagrama filtro IIR ... 34
Figura 25. (a)ECG con línea base, (b)ECG sin línea base ... 35
Figura 26. Identificación onda R en un ECG ... 37
Figura 27. Panel inicio y principal aplicación Cardioide ... 38
Figura 28. Diagrama de flujo captura ECG ... 41
Figura 29. Respuesta en frecuencia filtro Notch ... 42
Figura 30. Respuesta en frecuencia filtro pasa alto ... 42
iv
Figura 32. (a)ECG con línea base, (b)ECG sin línea base ... 44
Figura 33. Identificación onda R en un ECG ... 44
Figura 34. Espectro de frecuencia del electrocardiograma ... 45
Figura 35. Espectro de frecuencia del electrocardiograma ... 45
Figura 36. Arquitectura de comunicación ... 46
v
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Características típicas de una DII del ECG ... 9
Tabla 2. Cabecera de datagrama UDP ... 18
Tabla 3. Especificaciones Raspberry Pi 2 modelo B ... 25
Tabla 4: Arduino Mega 2560 ... 25
Tabla 5. Router Linksys WRT160N v3 ... 26
Tabla 6. LG G3 ... 26
vi
ÍNDICE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. Circuito filtros analógicos………56
ANEXO 2.Diagrama de flujo adquisición señal ECG………...57
ANEXO 3.Diagrama de flujo Procesamiento del ECG……….58
ANEXO 4. Diagrama de flujo Aplicación Cardioide………...59
ANEXO 5. Análisis espectral datos de muestra……….60
vii
RESUMEN
El material de investigación constituido comprende el desarrollo de un electrocardiógrafo portátil capaz de adquirir la señal bioeléctrica del corazón, realizar la medición del ritmo cardiaco y representarlo gráficamente a través de una aplicación cargada en un dispositivo móvil. En virtud de ello, la telesalud y la telemedicina son dos campos donde la aplicación de las tecnologías de la información y comunicación son trascendentales en cuestión de mejorar la calidad de vida del ser humano, y una solución de alta eficiencia en la distribución de los recursos sanitarios. Además, el electrocardiograma es un examen fundamental para pacientes crónicos, lo cual el servicio se satisface si el centro médico en las áreas rurales dispone del equipamiento necesario.
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ABSTRACT
The research material constituted includes the development of a portable electrocardiograph capable of acquiring heart bioelectric signal, the measurement of heart rate and represent it graphically through a loaded on a mobile device application. Under it, telehealth and telemedicine are two areas where the application of information and technology communication are transcendental in a matter of improving the quality of human life, and a solution of high efficiency in the distribution of resources health. In addition, the electrocardiogram is a key test for chronic patients, which the service is satisfied if the medical center in rural areas have the necessary equipment.
1 Las tecnologías de la información y comunicación (TIC) son una aplicación de las ciencias informáticas enmarcadas en el proceso de globalización dirigido a mejorar la eficiencia y diversificación de los servicios de telecomunicaciones: el internet, la mensajería instantánea, redes sociales, o una videoconferencia. Su influencia se ha dirigido a otras áreas del conocimiento, como economía, política, marketing, literatura, biología, antropología, y entre ellas se encuentra la Medicina, que, en interacción con las TIC, resultan en un nuevo campo: la Telesalud. Este término se entiende como la aplicación de las tecnologías de información y telecomunicaciones para transferir información del cuidado de la salud y brindar servicios clínicos, administrativos y educativos. Al mirar más detalladamente, dentro de este amplio campo que constituye la telesalud, está la Telemedicina.
La Telemedicina aprovecha los recursos de las TIC para transferir información médica para el diagnóstico, terapia y educación y otorgar atención médica remota al paciente desde cualquier punto del planeta, llevando un adecuado seguimiento y diagnóstico del galeno. Su beneficio está en proveer y satisfacer, en su gran mayoría, los servicios que ofrece una institución médica convencional, donde los costos directos e indirectos del trasporte del paciente hacia este centro de salud son eliminados. Dentro de este campo, se ha innovado en la fabricación de aparatos médicos: medidor de presión y glucosa, marcapasos, termómetro, y electrocardiograma, pueden citarse de ejemplos. La tele cardiología es una aplicación subsecuente de la telemedicina para la prevención, diagnóstico y tratamiento de enfermedades cardiovasculares, permitiendo que el personal sanitario de primer nivel interaccione en tiempo real o diferido, y de forma ambulatoria con médicos especialistas en cardiología para evitar traslados y resolver urgencias.
La elaboración del presente trabajo de titulación se planteó el siguiente objetivo: Diseñar un electrocardiógrafo portátil para la empresa CRONIX, donde se considera los siguientes objetivos especificos.
2
Diferenciar las ondas características de un electrocardiograma de derivaciones bipolares.
Establecer la arquitectura de comunicación entre la plataforma raspberry y Android.
Definir el algoritmo para obtener mediciones básicas en función de la
señal electrocardiográfica.
Desarrollar la aplicación bajo entorno Android para la visualización del electrocardiograma (ECG).
3
2.1 ELECTROCARDIOGRAMA
La electrocardiografía consiste el registro gráfico de la actividad eléctrica del corazón. Su análisis proporciona importante información que debe complementar siempre a un análisis y exploración física detalladas. Aporta datos sobre función cardiaca, posibles trastornos del ritmo y de la conducción, hipertrofia de cavidades y ayuda al diagnóstico de cardiopatías congénitas o adquiridas de tipo infeccioso, inflamatorio, metabólico o isquémico.
2.1.1 EL CORAZÓN
Es un órgano muscular que posee cavidades internas diferenciadas que se contraen rítmicamente para bombear sangre a los pulmones y enviar sangre enriquecida en oxígeno al sistema circulatorio. El músculo cardiaco se encuentra dentro de la caja torácica y sostenido por el diafragma.
El corazón puede definirse como una bomba eléctrica temporalizada. Las contracciones cardiacas son generadas por células marcapasos y tejidos de conducción especializados. Las células marcapasos actúan como osciladores generando repetitivamente estímulos. Por otro lado, los tejidos de conducción simulan cables de transmisión para las señales eléctricas.
Los latidos del corazón nacen del nodo sino atrial (SA) localizado en el atrio derecho cerca del inicio de la vena cava superior. El SA posee células especializada en producir estímulos eléctricos como un marcapasos del corazón, los cuales se distribuyen del atrio derecho hacia el izquierdo Las aurículas derechas e izquierdas, como lo indica la figura 1,se contraen para impulsar la sangre a través de las válvulas tricúspide y mitral. Después, el impulso eléctrico llega a la aurícula derecha (RA) y aurícula izquierda(LA), situándose seguidamente sobre el nodo atrio auricular(AV) y el haz de His, el cual compone la unión AV.
4 Goldberger (2013),, y, visto desde la figura 1, el proceso finaliza al momento de que el estímulo cardiaco se extiende sobre las células del musculo ventricular a través de las fibras de Purkinje.
Figura 1. Cavidades y tejidos del corazón (Goldberger, 2013)
Es una representación gráfica de la actividad eléctrica del corazón en un instante determinado, en detalle, es un diagrama voltaje-tiempo de los latidos del corazón originados por dos procesos definidos: despolarización, como la distribución del impulso eléctrico a través del musculo cardiaco, y la repolarización como el retorno del musculo del corazón a su estado de reposo. Convencionalmente, el registro electrocardiográfico se realiza sobre un papel cuadriculado en milímetros, es decir, consta de cuadros de 1mm por lado, con líneas marcadas cada 5mm; según se aprecia en la figura 2, la graficación se realiza a razón de 25mm/s, donde cada cuadro es igual a 0.04s.
Figura 2. Papel electrocardiográfico (Goldberger, 2013)
5 característicos. Obsérvese la figura 3, donde cada segmento de la onda ha sido nombrado en orden alfabético iniciando con la letra P, Q, R, S, T y U:
Figura 3. Onda de electrocardiograma general (Goldberger, 2013)
Finalmente, se define como despolarización a la propagación del estímulo a través del musculo cardiaco, y como repolarización como el retorno hacia el estado de retorno de las fibras musculares del corazón
2.1.2 DERIVACIONES UNIPOLARES DE LOS MIEMBROS
6 Las derivaciones unipolares se refieren al uso de un electrodo explorador y un electrodo correspondiente al polo negativo. Por ejemplo, tomando el caso de una derivación bipolar con D1, VL es su polo positivo con una diferencia de potencial de 20mV que se antepone a su polo negativo con una fuerza de 5mV. La sustracción de las fuerzas da como resultado una magnitud de 15mV. La nomenclatura empleada será: VR, VL y VF, donde V es la inicial de la palabra vector, y, R, L, y F como right, left y leg respectivamente.
Según la figura 3, se observa en la nomenclatura la escritura al inicio de la letra a minúscula que desea indicar que, por la naturaleza de las ondas de magnitud pequeña de las ondas eléctricas, deben ser amplificadas, con esto a significa aumentar. De acuerdo a las aclaraciones de simbología anterior, las derivaciones harán el uso de las denominaciones: aVR, aVL y aVF. La localización anatómica de los electrodos está detallada en la figura 4.
Figura 4. Localización electrodos en derivaciones unipolares (Chanco, 2011)
Las derivaciones unipolares de los miembros permiten definir la posición del corazón, así como las lesiones del músculo cardiaco.
2.1.3 ONDAS, INTERVALOS Y SEGMENTOS DEL ECG
7 deflexión ubicado en la línea base se denomina isoeléctrico. En base en la figura 5 se detalla los intervalos y segmentos del ECG:
Figura 5. Intervalos y segmentos del ECG (Clifford, 2006)
Onda P: representa la despolarización atrial; es una onda pequeña positiva, o negativa, antes del complejo QRS. la activación de la aurícula derecha, la sección media representa la parte final de la activación de la aurícula derecha y el inicio de la activación aurícula izquierda.
Intervalo PR: se define desde el inicio de la onda P hasta el inicio del complejo QRS, de acuerdo a la figura 6. Este intervalo representa el tiempo que requiere el estímulo para propagarse a través de las aurículas y la unión AV. El intervalo PR de espera, según se indica en la figura 6, permite a los ventrículos llenarse de sangre antes de la despolarización ventricular. En los adultos, puede tener una duración entre 0.12 y 0.2 segundos.
Figura 6. Intervalo PR (Goldberger, 2013)
8 Debe aclararse que no siempre se presentan las ondas Q, R y S, y para ello debe establecerse una nomenclatura. Si existe al inicio una deflexión negativa, esta debe nombrarse como onda Q, la primera onda positiva se define como onda R. Una onda negativa a continuación de la onda R, lleva por nombre, onda S. La difusión del impulso eléctrico a través del ventrículo toma un tiempo comprendido entre 0.08 y 0.12 s
Figura 7. Complejo QRS (Goldberger, 2013)
Segmento ST: es la porción gráfica después del complejo QRS y antes del inicio de la onda T. Con este segmento puede constatarse la repolarización ventricular. Usualmente es un segmento isoeléctrico, aunque puede presentar una elevación cerca de 1mm. En afecciones, por ejemplo, un infarto de miocardio, registra una desviación anormal. En virtud de ello, la figura 8 ilustra en detalle dicho segmento.
Figura 8. Caracterización del segmento ST y la unión J (Goldberger, 2013)
9
Onda U: Es el sexto tramo de la onda ECG que es de tipo fluctuante con una duración de 0.16s a 0.24 s. Su origenpuede deberse a la activación tardía de áreas del miocardio ventricular. Su forma tiene mayor definición en las derivaciones precordiales derechas V1 y V2. A continuación, la tabla 1, sustenta las características de los intervalos y ondas de un electrocardiograma para una derivación II donde se exponen sus valores y límites convencionales.
Tabla 1. Características típicas de una DII del ECG (Clifford, 2006)
Característica Valor normal
Límite normal
Ancho de P 110ms ±20 ms
Intervalo PQ/PR
160ms ±40 ms
Intervalo QRS 100ms ±20 ms Intervalo QT 400ms ±40 ms Amplitud de P 0.15 mV ±0.05 mV Altura de QRS 1.5 mV ±0.5 mV
Nivel de ST 0 mV ±0.1 mV
Amplitud de T 0.3 mV ±0.2 mV
El registro corresponde a un adulto de sexo masculino. Considerar que para el caso femenino las duraciones de los intervalos se recortan entre un 1% y un 5%. Un análisis de señales de un electrocardiograma busca definir el espectro de frecuencias de los intervalos QRS, el ruido de un EMG y el generado por el movimiento del dispositivo de adquisición. En la figura 9 se trazan las curvas de potencia relativa versus frecuencia. Un electrocardiograma presenta frecuencias entre los 0.5Hz y los 120Hz.
10 Del recuadro anterior debe enfatizarse el estudio e identificación del complejo QRS, que es el que sustentará la ejecución de un algoritmo para hallar la frecuencia cardiaca del paciente.
2.1.4 MEDICIÓN DEL RITMO CARDIACO
El número de latidos del corazón es calculado empleando el conteo del complejo P-QRS-T por minuto, en un rango de tiempo de entre 15 y 30 segundos. Otra alternativa es El primer método funciona adecuadamente si el ritmo cardiaco es constante. Para ello debe contarse los cuadrados entre dos complejos QRS consecutivos. En el ejemplo de la figura 9, se observa que hay 4 cuadrados entre los complejos QRS; los latidos por minuto se calculan dividiendo 300 para este número de cuadros
2.2 ELECTROCARDIÓGRAFO
Es un dispositivo diseñado para detectar las señales eléctricas asociadas a la actividad cardiaca y generar un electrocardiograma o ECG. Son empleados en el diagnóstico y asistencia de tratamientos de algunos tipos de afecciones del corazón y arritmias, según expresado en (GMDN, 2011). Existen electrocardiógrafos multicanales para grabar varias derivaciones simultáneamente. La figura 10 consta de modelos de electrocardiógrafos comerciales con funcionalidades diferenciadas.
Figura 10. Electrocardiógrafos comerciales (marcas Cardiovex y CSE) (MedicalExpo, 2016)
11 funcionamiento del corazón. Además, algunas marcas comerciales ofrecen una impresora incorporada capaz de realizar los trazos de cada derivación en papel milimetrado. La funcionalidad del artefacto mejora si tiene la posibilidad de transmitir y presentar las gráficas ECG en una plataforma móvil, como una tableta o celular.
2.3 IMPORTANCIA DE SISTEMA MÓVIL ECG
Como antecedente, la telesalud y telemedicina constituyen dos campos de importancia significativa para el mejoramiento de la calidad de vida de las personas y el uso eficiente de los recursos en materia de salud pública. Fundamentalmente, la telesalud y la telemedicina son el resultado de la intersección entre la medicina y las tecnologías de la información y comunicación (TCIs).
2.3.1 TELESALUD
Término que describe el uso de las Tecnologías de información y Comunicaciones (TIC) en el campo de la salud empleada a distancia. Siendo su principal objetivo mejorar la salud de la población, y la atención médica, así como la educación, capacitación, administración e investigación.
2.3.2 TELEMEDICNA
12
Reducción de las desigualdades en la población en el acceso a los servicios de salud.
Triage.
Optimización de recursos asistenciales
Reducción de las estancias hospitalarias
Disminución de los desplazamientos innecesarios (los pacientes evitan viajes largos para consulta de especialistas).
Mejor comunicación entre profesionales, y segundas opiniones.
Entrenamiento y educación médica.
En base en las especificaciones técnicas del informe del Programa de expansión del Programa de telemedicina a Nivel Nacional (MINTEL, 2013), los dispositivos de telefonía móvil deben contar con la característica de ser transportables por la razón de tener por objeto su implantación en localidades de difícil acceso vía terrestre. Además, debe contar con un sistema de videoconferencia con la facilidad de acomodar íntegramente una cámara web, micrófono, parlantes, junto con los equipos como: electrocardiógrafo, cámara de alta resolución y el sistema de comunicación remota por audio.
2.3.3 BENEFICIOS DE UN PLAN DE TELEMEDICINA
La implantación de un sistema de telemedicina rendirá los siguientes beneficios:
Disminución del tiempo de diagnósticos médicos y detección de
enfermedades gracias a la mejor coordinación del servicio médico desde el sitio remoto.
Atención oportuna de emergencias.
Automatización del sistema de vigilancia epidemiológica. Disminución de los peligros médicos directos e indirectos por evitar complicaciones.
13
Ahorro de costos de viaje y de tiempo de las personas, dado que necesitan menos traslados a la capital de provincia para efectuar sus consultas médicas.
Mejor acceso a la información y a nuevas tecnologías.
Disminución de costos de telefonía móvil al sustituirla por el correo electrónico.
En conclusión, los equipos de telemedicina sustentan su ventaja al contar con manuales de operación donde el personal médico realice su uso de una forma simple, además de brindar al paciente los servicios hospitalarios necesarios sin trasladarse a los centros de salud especializados en las ciudades más importantes del país.
2.4 PROCESAMIENTO DE SEÑALES
El procesamiento de señales es llevado a cabo por sistemas en los cuales la señal de entrada es sometida a transformaciones o modificaciones, sin alterar su naturaleza semántica, para que cumpla ciertos requisitos dictados por la aplicación que se desea implementar. Por ejemplo, una señal de electrocardiograma requiere varias etapas de filtrado o procesado analógico para eliminar las interferencias o ruido ajeno al espectro de frecuencia de un electrocardiograma. Para tareas de análisis de señales más complejas, el procesamiento a través de dispositivos analógicos al no disponer de las prestaciones necesarias debe ceder el paso hacia el procesamiento digital para lo cual se enuncia el diagrama de la figura 11 con las etapas que se ejecutan durante este proceso de análisis.
Figura 11. Procesamiento digital de una señal analógica
14 Inicialmente, las señales de entrada son discretizadas por un convertidor A/D. Luego, esta información es procesada en un computador, microcontrolador o circuito digital que emplea un software con la programación para obtener la información deseada. Como paso final, la señal digital es transformada nuevamente a un formato analógico por el Conversor D/A. Esta última etapa no siempre se aplica si la señal de salida del procesador digital contiene la información deseada.
2.4.1 RUIDO EN EL ECG
La adquisición de las señales bioeléctricas del corazón realizada mediante circuitos analógicos operan en condiciones donde el ambiente lo contamina o interfiere con señales no deseadas de diverso origen, Es por ello que el ruido es inherente en estos sistemas de medición, y, además, es un factor que limita la operación de los instrumentos de medición. En contexto, (Clifford, 2006) describe qué características poseen dichas fuentes de señales:
Interferencia de la línea de suministro eléctrico: ruido de la red eléctrica de 50 ±0.2 Hz o de 60 Hz para misiones realizadas en América, Corea del Sur, Taiwan, Liberia y algunas islas del Pacífico
Contacto del electrodo: producido por el desprendimiento o perdida de contacto entre la piel y el electrodo
Movimiento de electrodo del paciente: presencia de movimiento fuera del área de contacto con la piel que produce cambios de impedancia entre el electrodo y la piel que genera diferencias de potencial en el ECG.
Ruido electromiográfico: tiene relación con los impulsos eléctricos producidos por la contracción de los músculos con una duración entre 50ms.
Ruido del dispositivo de captura de datos: se entiende como la perdida transitoria debido a la saturación de la señal ECG.
15 La frecuencia de esta interferencia esta entre los 100kHz y 1MHz, que perduran entre 1 y 10 segundos.
2.4.2 FILTROS
Los filtros constituyen circuitos electrónicos capaces de rechazar o atenuar cierto rango de frecuencias de una señal de muestra. Según sus elementos constitutivos existen dos categorías de filtros:
Filtros pasivos: implementados a partir de resistencias, capacitores o inductores.
Filtros activos: conformados por amplificadores operacionales y generalmente vinculados con resistencias y capacitores.
Por otro lado, según la función que desempeñan, pueden definirse básicamente los siguientes:
Filtro pasa bajos: la salida es constante mientras se degrada progresivamente hasta llegar a la frecuencia de corte
Filtro pasa altos: atenúa el voltaje de salida para las frecuencias inferiores a la frecuencia de corte
Filtro pasa banda: permite el paso de una banda de frecuencia y elimina las demás.
Filtro rechaza banda: actúa de forma inversa al filtro pasa banda al atenuar una banda de frecuencia específica.
Los filtros analógicos inherentemente presentan limitaciones a causa de las de las especificaciones de operación de sus componentes. Una alternativa viable es el desarrollo de un algoritmo de computadora capaz de recrear con resultados de mayor calidad y eficiencia que la ofrecida a través un circuito analógico.
16
2.5 SOFTWARE SISTEMAS DE INFORMACIÓN
En base en las especificaciones que demanda un electrocardiograma portátil, cabe la necesidad del desarrollo de una aplicación móvil bajo la plataforma Android. Una de las herramientas de mayor uso en el área de gestión de los sistemas de información es .NET, el cual es detallado en el siguiente apartado
2.5.1 .NET Y XAMARIN
El entorno de programación (IDE, Interface Development Enviroment) de Microsoft es Visual Studio el cual está optimizado para la utilización de .NET, que se considera como una plataforma de desarrollo y ejecución de aplicaciones que brinda los servicios y herramientas necesarias que permiten la ejecución de software de forma independiente al hardware que se emplee. En contexto, C# es el lenguaje de programación generalmente utilizado en el desarrollo de proyectos.
Por otro lado, en (Petzold, 2016) se afirma que Xamarin es una plataforma que engloba las tecnologías de compilación multiplataforma, es decir, contiene las APIs nativas de Mac, IOS y Android. Para ello, un programador puede hacer el uso de Visual Studio junto con Xamarin para hacer el uso de estas librerías para el desarrollo de aplicaciones en cualquiera de estas plataformas.
2.6 TECNOLOGÍAS DE COMUNICACIÓN
Las telecomunicaciones agrupan el diseño e implementación de sistemas que permitan la transmisión y recepción de señales a grandes distancias cuyo contenido puede ser voz, audio y video, entre otros.
Este tipo de tecnologías hace posible el uso de internet, correo electrónico, videoconferencias, servicio de telefonía fija y móvil.
2.6.1 REDES INALÁMBRICAS
17 electromagnéticas. Según sus dimensiones, las redes inalámbricas se clasifican en:
1. WLAN (Wireless Local Area Network) si se establecen para lugares como hogares, oficinas o edificios.
2. WPAN (Wireless personal Area network) lo constituyen las redes diseñadas para una habitación donde se necesite la conexión entre PCs, laptops, celulares, consolas de video, etc.
3. WWLAN (Wireless Wide Area Network) su extensión que puede abarcar una ciudad, además, son las que adoptan las ISP (Internet Service Provider) para su servicio de internet, telefonía móvil, y otros.
La tecnología demandada por las redes inalámbricas se encuentra normalizada por el estándar de la IEEE (802.11)
2.6.2 ESTÁNDAR IEEE (802.11)
Es un estándar donde se encuentra el compendio de los servicios básicos presentes entre dos o más nodos inalámbricos que permiten la conexión de dispositivos para transmitir información. Existen las siguientes variantes de estándar 802.11 que se diferencian básicamente por la velocidad de transferencia de datos:
1. 802.11b: 22 Mbps
2. 802.11g: 54 Mbps
3. 802.11n: 600 Mbps
La tipologia de una red inalambrica emplea equipos denominados Access Point que son dispositivos con capacidad de acceso al DS o Sistema de Dsitribucion, por sus siglas en Inglés.
18
Protocolo UDP
UDP (User Datagram Protocol) es un protocolo del nivel de trasporte del modelo OSI que se indica en la figura 12, y está basado en el envío y recepción de datagramas donde no existe control de flujo, confirmación de envío y recepción del mensaje. A diferencia de TCP/IP que se basa en la conexión (three handshake), UDP incorpora en el datagrama la cabecera con la información suficiente de direccionamiento. Su aplicación esta direccionada a la transmisión de voz o video donde la velocidad de envío de datos en más importante que la garantía de recepción de los datagramas.
Figura 12. Modelos OSI y sus protocolos (IBM, 2006)
La cabecera del protocolo UDP está conformado según lo indica la tabla 2.
Tabla 2. Cabecera de datagrama UDP (IBM, 2006)
+ Bits 0 -15 16-31
0 Puerto origen Puerto de destino 32 Longitud del mensaje Suma de verificación
64 Datos
La información proporcionada adjunta al datagrama contiene:
19
2. Puerto de destino: es un campo de 16 bits
3. Longitud del mensaje: tamaño en bits del datagrama.
4. Suma de verificación: campo de 16 bits que contiene las IP’s de origen y
de destino.
5. Datos: información que se desea enviar.
2.6.3 COMUNICACIÓN SERIAL
Es un método de transferencia de información entre dispositivos como microntroladores, computadoras, memorias, routers, switch, donde la información se envía y recibe un bit a la vez a través del puerto serial.
Para ello, se emplean diferentes interfaces: SPI o I2C de naturaleza síncrona, o UART, CAN, USB como asíncronas. Las interfaces síncronas requieren de una señal de reloj, para llevar a cabo la sincronización entre los dos dispositivos interconectados. En contraposición, las interfaces asíncronas integran las señales de sincronización en los datos enviados, añadiendo un bit de inicio y de parada, con un formato de la tasa de transferencia según como se observa en la figura 13:
20 La comunicación puede implementarse mediante tres conexiones:
1. Tx: Transmitir
2. Rx: Recibir
3. GND: Tierra o referencia
La comunicación serial dispone las siguientes características para la transmisión de datos:
1. Velocidad de transmisión (baud rate): especifica la cantidad de bits que se transfieren en un segundo. Su unidad de medición es los baudios. Teniendo el ejemplo de 300 baudios, quiere afirmarse una trasferencia de 300 bits/s.
2. Bits de datos: contempla la cantidad de bits que contenidos en la transmisión. Pueden enviarse paquetes de 7 u 8 bits donde se incluyen los bits de inicio/parada.
3. Bits de parada: es el nivel lógico 0 para indicar el fin de la comunicación de un solo paquete, con valores entre 1, 1.5 o 2 bits.
22
3.1 METODOLOGÍA MECATRÓNICA
Dentro de la implementación de los dispositivos electrónicos, se establece la integración de variadas ramas de conocimiento de la ingeniería, y por tal razón la ingeniería mecatrónica toma un papel fundamental en su innovación. Los procedimientos adoptados para llevar a ejecución un proyecto de manera eficiente y de calidad, debe relacionarse estrechamente con el modelo en V, que se maneja como la directriz durante el desarrollo del electrocardiógrafo portátil.
3.2 METODOLOGIA DEL PROYECTO
Visto en primer plano, la metodología citada por (Bosch, 2015) suscribe la captura del modelo en V como el esquema general que detalla claramente las etapas que conforma el desarrollo del proyecto que parte de las necesidades inherentes del cliente hasta la puesta en la línea de producción del dispositivo estudiado. Esta metodología tiene de directriz el diagrama de la figura 14:
Figura 14. Modelo en V del diseño mecatrónico (Bosch, 2015)
23 la retroalimentación de etapas anteriores con el objetivo de corregir errores cometidos o establecer soluciones con porcentajes de eficiencia superiores.
3.3 REQUERIMEINTOS DEL SISTEMA
El desarrollo de sistema para la visualización de un electrocardiograma requiere el desarrollo de algoritmos para la digitalización de las señales eléctricas del corazón a través de un circuito electrónico, el análisis de la curva electrocardiográfica para realizar mediciones generales, así también una interfaz de visualización interactiva de la aplicación para dispositivos móviles; definiéndose también el sistema con la fijación de la arquitectura de comunicación cliente-servidor, es decir entre un teléfono o tableta con sistema operativo Android y el ordenador Raspberry Pi.
Entonces, las especificaciones del dispositivo electrocardiográfico son:
1. Impedancia de entrada: > 5MΩ
2. Corriente a través del paciente: < 1μA
3. Resistencia del terminal central: >3.3 MΩ 4. Ganancias fijas: 5, 10 y 20 mm/mV
5. Frecuencia de salida:0.14 Hz a 25 Hz: ± 0.5 dB
6. Frecuencia superior de corte: 100Hz
7. Amplitud de la señal de calibración: 0.5mV
8. Resolución del ADC mayor o igual a 10 bits
La trasmisión de datos emplea el protocolo de comunicaciones UDP que son trasportados de forma inalámbrica o norma 802.11 de la IEEE.
24 figura 15 se detalla: el servidor es un computador de bajo costo del tipo Raspberry Pi con funcionalidades que posibilitan la interacción con otros circuitos electrónicos, motores eléctricos, sensores o actuadores a través de sus pines de propósito general (GPIO). La RPi (Raspberry Pi 2) gestiona el procesamiento digital del electrocardiograma. El análisis de señales se realiza mediante programación en Simulink.
En este caso particular, el cliente es un dispositivo móvil con sistema operativo Android que utiliza el protocolo UDP para la recepción de información vía Wifi.
Figura 15. Arquitectura de la red cliente – servidor
El punto de acceso entre los dispositivos de la red local está conformado por un router que gestiona el asignar dinámicamente direcciones IP a los dispositivos de la red, y además se encarga del enrutamiento de la información entre las máquinas.
3.3.1 ESPECIFICACACIONES DE EQUIPOS
25
Procesamiento digital y transmisión de datos
En este caso, se emplea el ordenador de propósito general Raspberry Pi 2, cuyas especificaciones detalladas en la tabla 3 son:
Tabla 3. Especificaciones Raspberry Pi 2 modelo B (Raspberrypi, 2016)
Característica Especificación
Procesador Quad-core ARM Cortex-A7 CPU 900MHz
Memoria RAM 1GB
Sistema Operativo Raspbian Wheezy
Puertos USB 4
Pines GPIO 40
Puerto Video Full HDMI
Ethernet 1
Audio Jack de 3.5mm
Memoria expandible Slot para Micro SD
Núcleo de video IV 3D
Adquisición señal ECG
La etapa de conversión se realiza con un módulo ADC de 10 bits de la placa Arduino con las especificaciones de la tabla 4:
Tabla 4: Arduino Mega 2560 (Arduino, 2016)
Característica Especificación
Microprocesador ATmega2560
Frecuencia de reloj 16MHz Voltaje de alimentación 5V Pines digitales E/S 54 Pines analógicos E/S 16 Voltaje pines digitales 5V Corriente por pin de E/S 200mA
Resolución ADC 10bits
SRAM 64 KB
EEPROM 4KB
Punto de acceso
26
Tabla 5. Router Linksys WRT160N v3 (Linksys, 2016)
Característica Especificación Banda de frecuencia 2.4 GHz
Protocolos de interconexión Ethernet, Fast Ethernet, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE802.11n
Protocolo de conmutación Ethernet
Cumplimiento de normas IEEE 802.3, IEEE 802.3u, IEEE802.11b, 802.11n
Algoritmo de cifrado WEP de 128 bits, encriptación de 64 bits WEP, WPA, WPA2
Interfaz de usuario
La terminal de usuario corresponde a un Smartphone cuya aplicación dispone del entorno gráfico ECG. Para ello, justifica citar el equipo detalladamente en la tabla 6:
Tabla 6. LG G3
(LG, 2016)
Característica Especificación
Procesador Qualcomm Snapdragon ™ 2.5GHz Quad-Core Sistema Operativo Android 4.4 KitKat Pantalla Quad HD (2560x1440) Conectividad Wifi 802.11a/b/g/n/ac
Los equipos dispuestos para el desarrollo del proyecto abarcan los requerimientos básicos de procesamiento de señales, interfaz de usuario para presentación de gráficos 2D, y transmisión de información en base en los protocolos TCP/IP y UDP de uso general en el área de las telecomunicaciones.
3.4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN CIRCUITO ECG
27 deben disponer de aislamiento a ruidos electromagnéticos. Existen una serie de filtros activos que acondicionan y eliminan estos ruidos, del mismo modo que señales DC que distorsionan la señal deseada. Un amplificador de instrumentación es un conjunto dispuesto de amplificadores operacionales con resistencias de precisión diseñado con una alta impedancia de entrada y un alto rechazo en modo común(CMRR). Precisamente esta clase de amplificadores tienen utilidad en aplicaciones donde se desea aumentar señales débiles, como las señales dieléctricas del corazón. Al momento de obtener una señal ECG estandarizada, ésta debe ser digitalizada por un circuito ADC para que pueda ser interpretada por el software que llevara un procesamiento de los datos a un nivel eficaz y de mayor precisión.
3.4.1 AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN
Los amplificadores de instrumentación son circuitos analógicos de precisión adecuados para aplicaciones de captura de señales bioeléctricas del corazón que generalmente están entre los rangos de los 5mV. Cada amplificador de instrumentación, como en la figura 16, puede llegar a conectar tres electrodos. Además, tienen la característica de contar con un alto factor de rechazo en modo común o CMRR. La ganancia del amplificador de instrumentación INA 118P seleccionado puede ir desde 1 a 10000. La ecuación 1 para la ganancia establece:
G = 1 +50k
RG [1]
28 El amplificador de instrumentación INA118 es un elemento fundamental en la implementación del electrocardiógrafo al aislar en gran porcentaje la señal ECG sobre las fuentes de ruido propios del cuerpo humano y del entorno circundante. El ruido restante a la salida del amplificador de instrumentación es descartado en las siguientes etapas de pre procesamiento mediante filtros analógicos y digitales.
3.4.2 AMPLIFICACIÓN DE GANANCIA
El un circuito amplificador de la figura 17 posee una ganancia variable para elevar la magnitud de la señal de entrada por un factor de cientos de veces.
Figura 17. Amplificador de ganancia
Finalmente, el segundo amplificador operacional provee además de una configuración para la variación manual que añade un voltaje continuo a la señal de salida con el objetivo de asegurar que la tensión de salida sea siempre un valor positivo y el conversor A/D realice la adquisición del tramo completo del electrocardiograma
3.4.3 FILTRO ACTIVO PASA BAJO
29 filtros de segundo orden tipo Butterworth en configuración Sallen Key. Su diagrama se esquematiza en la figura 18:
Figura 18. Esquema Filtro pasa bajo (Díaz, 2011)
Para la selección de los componentes se toman las ecuaciones 2, 3, 4, y 5:
𝐴𝑣 = 1 [2]
𝑄 = 0.5√𝐶𝐶2
1 [3]
𝑓𝑝 = 1
2𝜋𝑅√𝐶1𝐶2 [4]
𝑓𝑐 = 𝑘𝑐 ∗ 𝑓𝑝 [5]
Donde:
𝐴𝑣 : ganancia 𝑄 : factor de calidad 𝑓𝑝 : frecuencia de paso 𝑓𝑐 : frecuencia de corte
𝑘𝑐 : constante de normalización 𝐶1 : valor capacitor 1
30 Los parámetros establecidos para un filtro Butterworth son:
Q=0.707 kc=1
3.4.4 FILTRO ACTIVO PASA ALTO
Es un filtro de segundo orden tipo Butterworth con una atenuación de 40 dB/década con ganancia unitaria y frecuencia de corte de 0.5 Hz. De acuerdo a la figura 19 el filtro correspondiente tendrá el formato que sigue:
Figura 19. Esquema Filtro pasa alto (Vega, 2012)
Las ecuaciones 6, 7 y 8 que siguen para el cálculo de sus componentes son:
𝑄 = 0.5√𝑅1
𝑅2 [6]
𝑓𝑝 = 1
2𝜋𝑅√𝑅1𝑅2 [7]
𝑓𝑐 =𝑓𝑝
𝑘𝑐 [8]
Los parámetros establecidos para un filtro Butterworth son:
31
3.4.5 FILTRO NOTCH
Es un filtro adecuado para eliminar la frecuencia de línea de 60Hz. Conocido también como filtro de muesca. Según la figura 20
Figura 20. Filtro Notch
(Vega, 2012)
Las ecuaciones 9, 10 y 11corresponden al diseño de este filtro : 𝐴𝑣 = 1 +
𝑅2
𝑅1 [9]
𝑄 = 0.5
2−𝐴𝑉 [10]
𝑓𝑜 = 1
2𝜋𝑅𝐶 [11]
Considerando para los cálculos los siguientes parámetros:
1. La ganancia debe ser menor a 2 (dos)
2. Factor Q mucho menor a diez (10)
3.4.6 COMUNICACIÓN SERIAL ARDUINO - RPi
32 la tarjeta de adquisición Arduino opera a un valor de tensión de 5V, y, en esta situación, es indispensable emplear un arreglo de resistencias como divisores de voltaje. El esquema de la figura 21, muestra el diagrama de conexión de los elementos para enviar datos en forma serial entre las dos placas.
Figura 21. Diagrama conexión serial Arduino – RPi 2
(Ling, 2016)
En base en la figura anterior, cabe destacar que sólo los pines TX y GND de los dos dispositivos son empleados en esta configuración serial.
3.5 DISEÑO DE SOFTWARE
La programación de las diferentes aplicaciones informáticas busca la unificación de diferentes lenguajes de programación concebidos y ejecutados en sus respectivos ambientes de desarrollo y hardware, con el objetivo de presentar una plataforma amigable para el usuario final.
3.5.1 ADQUISICIÓN SEÑAL ECG
33
Velocidad de transmisión = 115200 bps
Puerto COM = 4
Bit de parada = 0
L
Figura 22 Sketch para adquisición ECG
Un parámetro importante es el tiempo de espera entre las lecturas de puerto serial que debe ser cuantificado al momento de fijar el valor de frecuencia de muestreo, así como los parámetros de inicialización del puerto serial, por ello es mandatorio establecer los mismos parámetros para el conector UART de la placa Raspberry Pi. En base en el código implementado, cada punto de la señal analógica tiene 5 [ms] de separación, por lo que resulta una frecuencia de muestreo de 200Hz, o, adquirir doscientas muestras cada segundo. La figura 23, de la derivación de las extremidades II, es:
Figura 23. Adquisición señal ECG
En la gráfica anterior se observa el resultado de la captura del electrocardiograma después de las etapas de filtrado y amplificación
0 1 2 3 4 5
0 5 10 15
Vo
lta
je
[V]
34 analógico. Se puede diferenciar los tramos del complejo QRS y sus respectivas ondas Q, R y S necesarios para calcular en las subsecuentes etapas de procesamiento el número de las pulsaciones por minuto.
3.5.2 FILTROS IIR
Esta clase de filtros presenta una respuesta infinita al impulso debido a que la señal de salida se realimenta con la señal de entrada luego de un retardo. Según (Gómez, 2009), se denominan también como filtros recursivos o de feedback, lo cual se justifica en el diagrama de la figura 24.
Figura 24. Diagrama filtro IIR (Gómez, 2009)
Las ventajas del filtro IIR es proporciona una pendiente de atenuación pronunciada y necesita de menos información o datos de entrada. Su debilidad radica en que su respuesta tiende a oscilar a diferencia de un filtro FIR cuya característica es una respuesta de fase lineal.
3.5.3 CÁLCULO RITMO CARDIACO
El proceso para calcular las pulsaciones por minuto, en base en la información de la señal ECG, requiere almacenar los datos en arreglos para la realización de operaciones matriciales con el objetivo de acondicionar los datos y aplicar la ecuación 12 y así obtener el ritmo cardiaco.
PPM = 60
∆ RR [12]
Donde,
PPM: pulsaciones por minuto [ppm]
35 Inicialmente, debe eliminarse la línea base presente en el electrocardiograma. Es esencial señalar que el corrimiento de la línea base se presenta como una componente de voltaje continuo que se añade a la señal durante su adquisición, y se entiende como el ruido causado por la línea de alimentación, el potencial eléctrico generado por la respiración o movimiento muscular del paciente. Se aplica un ajuste polinómico de grado superior a la onda ECG de la forma que corresponde a la ecuación 13.
𝑝(𝑥) = 𝑝1𝑥𝑛 + 𝑝1𝑥𝑛−1+ ⋯ 𝑝𝑛𝑥 + 𝑝𝑛+1 [13] Donde:
𝑝(𝑥): función polinómica
𝑝𝑛 : coeficiente n del polinomio
𝑥𝑛 : variable independiente de grado n
𝑛 : grado polinómico
Los coeficientes del polinomio se almacenan en una matriz de 1xn+1. Como se observa en la figura 25(a), existe un desplazamiento de la curva ECG con respecto al eje horizontal. Suprimir esta componente requiere evaluar la matriz de coeficientes.
(a) (b)
Figura 25. (a)ECG con línea base, (b)ECG sin línea base`
(Matlab, 2016)
Después del arreglo original se sustrae la matriz de aproximación polinómica con el objetivo de obtener una señal con alineación al eje horizontal corregida.
36 cálculo del ritmo cardiaco. Para ello se empleará la función predefinida que realiza la búsqueda de los valores superiores a un valor de consigna, o mínimo, donde el pico de la señal corresponderá a una onda R, además, es posible obtener el instante donde ocurre cada una de estas ondas R.
Los datos de tiempo y amplitud se almacenan en un arreglo nx2 de acuerdo al número de muestras que se desea analizar.
El cálculo de las pulsaciones por minuto requiere extraer los elementos de dos filas consecutivas del arreglo, y mediante la ecuación 1 puede calcularse el intervalo de tiempo que transcurre entre dos señales R sucesivas.
Finalmente, debe aplicarse una proporción y llegar así a conocer aproximadamente las pulsaciones por minuto que presenta la persona.
A continuación, las sentencias de código para encontrar los valores superiores al valor umbral, donde se establece la cantidad de datos de muestra adecuados para lograr una aproximación real de la frecuencia cardiaca
function delta = fcn(t,ecg)
%#codegen
[~,locs_Rwave]=findpeaks(ecg,'MinPeakHeight',0.5,...
'MinPeakDistance',200)
nRpeaks = length(locs_Rwave) delta = 0;
if nRpeaks > 1
T = zeros(nRpeaks,1) T = t(locs_Rwave) delta = 60/(T(2)-T1));
end
37
Figura 26. Identificación onda R en un ECG (Matlab, 2016)
El grafico anterior, en cada onda R superior a un valor de 1.5 mV se diferencia con un distintivo, y, mediante las coordenadas (voltaje, tiempo) de dos picos consecutivos se logra hallar cuantos pulsos se suceden por minuto.
La transferencia de datos requiere el empleo de los bloques de programación que pertenecen al paquete de herramientas con soporte para Raspberry Pi de la plataforma Simulink. Específicamente, se declara un conector UDP donde los datos de tipo doublé con formato little endian que ordena los bytes desde el menos significativo al más significativo.
3.5.4 APLICACIÓN MÓVIL
38 electrocardiograma, los botones para iniciar o detener la recepción de datos, y el botón de ajuste del grafico ECG.
Figura 27. Panel inicio y principal aplicación Cardioide
Para la generación del gráfico del electrocardiograma se emplea las librerías de código abierto MPAndroid chart que posee funciones customizables como color, tipo de letra, varias formas de línea, realizar un zoom a un diagrama de hasta 30000 puntos, ejes personalizables, entre otros.
El esquema de implementación de la aplicación está distribuido de la siguiente forma:
39
InicioActivity.cs: declara el código correspondiente al planel de inicio de la aplicación para el ingreso de los parámetros de conexión: Dirección IP y el número de Puerto asignado.
Inicio.axml: es un archivo xml donde se define el contenido visual, como los botones, campos de texto, títulos, , y a su vez se encuentra asociado al código C# de la clase InicioActivity.cs
41
4.1 ADQUISICIÓN Y FILTRADO DE ECG
La captura del electrocardiograma realizado a través de la placa de adquisición Arduino operar mediante el diagrama de flujo que se cita en la figura 28, donde se especifica la configuración del puerto serial, los pines de entrada analógica y comunicación serial, que, para el caso de estudio son: COM 4, ecg_in y baud rate igual a 115200 bps/s, respectivamente.
Figura 28. Diagrama de flujo captura ECG
42 atenuación de la salida del filtro al aproximarse al valor de la frecuencia de corte igual a 60Hz.
Figura 29. Respuesta en frecuencia filtro Notch
El filtro para altos con una frecuencia de corte igual a 0.5 Hz presenta una respuesta de atenuación del voltaje de salida con el comportamiento indicado en la figura 30:
43 Con referencia a la respuesta en frecuencia del filtro pasa bajos en base en la figura 31, se verifica que la pendiente de atenuación difiere del valor establecido en el apartado de diseño, su valor real es aproximadamente igual a -10db/década.
La especificación de funcionamiento teóricas del filtro pasa bajo difiere de los valores obtenidos a través del software de simulación. Es por ello que la atenuación para las frecuencias por debajo de los 100 Hz, aun estarán presentes en la onda del voltaje de salida, pero con una amplitud de potencia inferior.
4.2 PROCESAMIENTO DIGITAL
De acuerdo a la señal obtenida desde el electrocardiógrafo, y, luego de emplear filtros analógicos, es necesario la aplicación de un filtro digital IIR Butterworth de cuarto orden para eliminar el ruido residual de la etapa anterior. El siguiente paso es realizar la eliminación de la línea base del electrocardiograma a través de la herramienta de aproximación polinómica. Al
44 citar la figura 32 es posible notar los resultados tras restar los efectos del ruido filtrado en las etapas anteriores de pre procesamiento.
Figura 32. (a)ECG con línea base, (b)ECG sin línea base
Los picos correspondientes al tramo R de la señal ECG poseen coordenadas de amplitud de voltaje y tiempo. A través de la figura 33, se indica la detección de onda R para los datos obtenidos a través del hardware implementado.
Figura 33. Identificación onda R en un ECG
45
Figura 34. Espectro de frecuencia del electrocardiograma
El valor en frecuencia [Hz] se relaciona con la potencia [mW] para formar los picos graficados en la figura anterior. El ruido captado al realizar la adquisición de la señal, está reflejado en el espectro de frecuencias, por lo que es posible conocer su valor y aplicar el filtro adecuado para atenuar su potencial. EL diagrama de flujo de la figura 35 para la adquisición de la señal ECG es:
Figura 35. Espectro de frecuencia del electrocardiograma
46 serial de la RPi en el entorno de Simulink, debe cargarse las librerías WiringPi para compilar el modelo en modo externo.
4.3 PLATAFORMA DE COMUNICACIÓN
La topología de la red comprende la configuración de un punto de acceso donde confluyen los dispositivos que integran esta arquitectura. Los adaptadores de red de cada aparato llevan una configuración de IP dinámica o DHCP, donde cada una de ellas ha sido previamente almacenada en la lista de direcciones IP del router. La prueba de comunicación entre todos los dispositivos se realiza con el comando ping que básicamente envía un paquete de bytes hasta la dirección de destino y mide el tiempo (ms) de retorno de la respuesta. Como se indica en la figura 36, la RPi se conecta físicamente al router Linksys. Las líneas punteadas entre el punto de acceso y el dispositivo móvil indican que la conexión es a través de Wifi (802.11).
Figura 36. Arquitectura de comunicación
47
Tabla 7. Asignación IP de Servidor DHCP
Nombre del cliente Dirección IP DIreccion MAC
LG G3 192.168.0.8 34:FC:EF:EB:F5:57
Raspberry PI 2 192.168.0.3 34:DE:1A:39:29:1B
TOSHIBA 192.168.0.2 B8:27:EB:E4:88:7F
Los paquetes de datos se envían desde la Raspberry PI a la aplicación cliente con una longitud de 8 bits a la IP 192.168.0.8 correspondiente al equipo cliente. El quipo TOSHIBA sirve de host para los programas informáticos y los proyectos de desarrollo de software.
4.4 PLATAFORMA CLIENTE
La aplicación Cardioide es la terminal de usuario para la consulta del grafico de electrocardiograma. Existe la funcionalidad de zoom táctil para visualizar en detalle la forma de onda generada por el músculo cardiaco. La ventana general de la aplicación contiene la estructura de la figura 37:
Figura 37. Aplicación Cardioide
50
CONCLUSIONES
- El pre procesamiento de la señal del electrocardiograma requirió la aplicación de filtros analógicos y filtros digitales con el propósito de aislar la señal deseada del ruido electrónico o biológico presente en el ambiente. - Los componentes de compilación de código java bajo el lenguaje C#
fueron de utilidad para la implementación de la aplicación para la plataforma Android
- La portabilidad de un aparato para generar un electrocardiograma es indispensable en los centros de salud comunitarios donde los recursos para el traslado hacia los centros hospitalarios representan un valor elevado para sus habitantes.
- Es recurrente la creación y adición de librerías en C para la utilización de los pines GPIO del ordenador RPi dentro de un archivo compilado en Simulink.
- Constituyó una tarea mandataria la limpieza de las zonas donde los electrodos con la finalidad de eliminar la impedancia que produce los residuos biológicos adheridos a la piel.
- De acuerdo a la derivación deseada, los electrodos deben ubicarse en su posición específica para lograr una valida adquisición del electrocardiograma.
51
RECOMENDACIONES
- Un electrocardiograma de las derivaciones de los miembros es a base para la construcción de un dispositivo para la captura de las 12 derivaciones estándar
- Tanto la aplicación móvil y el software de procesamiento del ECG son escalables y se puede customizar su programación de acuerdo a las necesidades del cliente, al tener la posibilidad de agregar un apartado para la detección de los demás complejos del electrocardiograma.
- La plataforma de procesamiento, al tratarse de un ordenador de dimensiones reducidas, está en la capacidad de ejecutar aplicaciones que pueden también recibir los datos de salida del algoritmo de procesamiento y ejecutarse en segundo plano, lo cual puede otorgar la función de enviar un electrocardiograma vía internet.
