ISBN: 978-0-615-93971-1
XX Jornadas de Ingeniería Arquitectura y Diseño, FIAD-UABC
SISTEMA DE MONITOREO Y PROCESAMIENTO DE SEÑALES BIOFISIOLÓGICAS Marylena Gómez Vázquez, Alma Yasmin Lozano Valenzuela, Itzel Annette Ortiz Rodríguez, Francisco Alfonso Ortiz Sandoval & Josué Ernesto Castillo Aranda* FACULTAD DE INGENIERÍA ARQUITECTURA Y DISEÑO CARRETERA TRANSPENINSULAR ENSENADA-TIJUANA NUMERO 3917, COLONIA PLAYITAS. Ensenada, B.C., C.P. 22860. Teléfono 646-1750744, Fax 646-1744333. *E-mail: marylena.gomez@uabc.edu.mx, ylozano@uabc.edu.mx, annette.ortiz@uabc.edu.mx, francisco.ortiz@uabc.edu.mx,jcastilloaranda@uabc.edu.mx*. Resumen. El presente trabajo trata del diseño y elaboración de un sistema para la adquisición, almacenamiento y procesado de señales electrocardiográficas. Adquirir y almacenar dichas señales es de gran importancia para el diagnóstico y tratamiento del paciente, siendo ésta una herramienta importante para médicos especializados en el área. El sistema está compuesto por una etapa analógica que se encarga de acondicionar la señal del paciente, una etapa digital, compuesta por un microcontrolador ADUC7061 y una interfaz gráfica para visualizar dicha señal utilizando el software MATLAB. La comunicación de datos, desde el dispositivo diseñado a la computadora, se logró con éxito. El sistema se probó al comparar la señal obtenida y graficada mediante MATLAB mostrando el patrón normal característico de la señal del corazón. El desarrollo futuro de este proyecto está orientado a crear un dispositivo biomédico portátil capaz de adquirir, procesar en tiempo real la señal electrocardiográfica, así como almacenar los datos de los pacientes contribuyendo a su diagnóstico y tratamiento. Palabras claves: Electrocardiógrafo, procesamiento digital de bioseñales, ADUC7061, Instrumentación biomédica, MATLAB.
3. Introducción
cavidades del corazón y el músculo cardíaco [2]. El sistema está compuesto por una etapa analógica que se encarga de acondicionar la señal del paciente, una etapa digital, compuesta por un microcontrolador y una interfaz gráfica para visualizar dicha señal. El sistema analógico se encarga de amplificar la señal biofisiológica, además de eliminar el ruido presente en la misma. El sistema digital está desarrollado sobre una plataforma de microcontrolador, el cual se encarga de muestreary digitalizar la señal analógica. El sistema también cuenta con una interfaz serie RS232 para transmitir los datos a una PC, en la cual, con un software de visualización se puede implementar un sistema de monitoreo.Para la etapa digital se seleccionó un microcontrolador de bajo consumo, bajo costo, tamaño reducido, resolución de 24 bits (por ser aplicación biomédica) y se programó para poder muestrear la señal procedente de la etapa analógica y enviar la señal resultante utilizando comunicación serial. Para el estudio de las señales provenientes del cuerpo humano, es necesario el tratamiento por medio de
Todas las funciones que pueden generar los animales vivos se dan gracias a impulsos o potenciales eléctricos, llamados simplemente biopotenciales.La electrografía trata del registro de los biopotenciales generados por los tejidos y órganos para su posterior diagnóstico o investigación. Así mismo, como parte de la electrografía está la electrocardiografía (ECG), que estudia la actividad eléctrica del corazón que puede hacer su función de bombeo de la sangre gracias a impulsos eléctricos generados por las células especializadas del miocardio que conforman el tejido muscular y es así que la sangre puede recorrer todo el sistema circulatorio [1, 2]. El electrocardiógrafo es esencial en el diagnóstico de enfermedades cardiacas. Gracias a este dispositivo electrónico se puede realizar el electrocardiograma o ECG, que es el estudio no invasivo que se realiza con el propósito de observar la actividad eléctrica del corazón. Con este estudio es posible averiguar más sobre el ritmo cardíaco, el tamaño y funcionamiento de las 25
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sistemas electrónicos de acondicionamiento y procesamiento de señales [5]. Actualmente la tendencia de muchos instrumentos biomédicos es la utilización de una computadora personal como parte de los equipos de diagnóstico, ya que permiten no sólo el procesamiento y almacenamiento de los datos recopilados, sino que la información puede ser transmitida a otros lugares para su evaluación por otros especialistas [6]. El presente trabajo se centra en la adquisición y procesamiento de señales de ECG, así como su digitalización mediante el microcontrolador ADUC7061 y una interfaz gráfica para visualizar dicha señal utilizando el software MATLAB.
circuito electrónico con el que elaboramos el electrocardiógrafo consta de una etapa de amplificación con un AD620 y una etapa de filtrado con la implementación de un filtro pasa-altas con frecuencia de corte de 0.6 Hz, posteriormente un filtro pasa-bajas con frecuencia de corte de 150 Hz y finalmente con un filtro Notch para eliminar el ruido de línea; así se obtuvo una señal capaz de visualizarse en el osciloscopio. Para primeras pruebas en la etapa de filtrado se utilizaron filtros pasivos pasaaltas y pasa-bajas y una vez que se adquirió la señal cardiaca estabilizada se prosiguió a utilizar filtros activos tipo Butterworth de segundo orden para una mejor relación señal a ruido (SNR, por sus siglas en inglés).
2. Materiales y Métodos Implementación del electrocardiógrafo: • Amplificador de instrumentación • Amplificador operacional • Resistencias • Capacitores • Cable conductor Figura 1. Electrocardiógrafo en tarjeta de circuito impreso.
Los materiales mencionados anteriormente se implementaron en un diseño propio de circuito impreso (figura 1).
Las pruebas del dispositivo se realizaron en el Laboratorio de Electrónica de la Facultad de Ingeniería, Arquitectura y Diseño, con la persona en estado de reposo y sentada(figura 5). Los datos obtenidos en el osciloscopio se compararon con la forma del electrocardiograma de una persona sana, que debe de mostrar la siguiente tendencia (figura 2). Nuestros datos presentan una similitud dependiendo de la persona que se está analizando.
Pruebas del electrocardiógrafo: • Osciloscopio • Fuente de voltaje • Caimanes • Electrodos • Toallitas de alcohol limpiadoras • Gel exfoliante • Gel conductor Microcontrolador: • ADUC7061 Software: •
MATLAB
3. Parte Experimental. Electrocardiógrafo Se diseñó en un circuito impreso (figura 1), el cual capta y acondiciona la señal para su digitalización en la siguiente etapa. El
Figura 2. Señal característica del corazón. 26
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esta prueba se comprobó que el sistema registra satisfactoriamente los cambios en el ritmo cardiaco.
ADUC7061 Este microcontrolador (figura 3) es el encargado de muestrear y digitalizar la señal proveniente de la etapa anterior mediante su módulo de conversión A/D Σ-Δ de 24 bits deresolución. Contiene un módulo UART utilizando la comunicación RS232 para establecer un intercambio de datos entre el electrocardiógrafo y una computadora, posteriormente tratarlos y obtener una señal en la computadora.
Figura 5. Realización de pruebas al proyecto con una persona en estado de reposo y sentada.
Resultados: En una primera etapa después de un filtrado se obtuvo de la manera esperada la señal característica de un ECG observada por el osciloscopio (figura 6) como una señal analógica. Para la etapa digital, se adquirieron datos, fueron procesados y graficados (figura 7).
Figura 3. Microcontrolador ADUC7061.
Software Como parte final de nuestro sistema está la realización de una interfaz gráfica para poder visualizar de una forma sencilla los datos procedentes del microcontrolador utilizando MATLAB. El desarrollo del sistema completo se muestra en la figura 4.
Figura 6. Señal analógica obtenida.
Figura 4. Diagrama de bloques del sistema.
4. Resultados y Discusión. El sistema se probó al adquirir la señal ECG de una voluntario sano, para posterior mente ser comparada la señal obtenida con una señal característica ECG. Se comprobó mediante un método grafico, utilizando MATLAB demostrando un grado de similitud alto. Se comparo el ritmo cardiaco de una persona en reposo y haciendo esfuerzo, utilizando un pulsímetro. Mediante
Figura 7. Señal digital en el tiempo y en el espectro de Fourier, respectivamente.
Discusión: Nuestro proyecto es la base de lo que sería un dispositivo biomédico portátil que 27
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nuestro proyecto es que es de muy bajo costo comparado con los dispositivos biomédicos comerciales de este tipo. El desarrollo futuro de este proyecto está orientado a crear un dispositivo biomédico portátil capaz de adquirir, procesar en tiempo real la señal ECG, así como almacenar los datos de los pacientes. Nuestro proyecto contribuye con el procesamiento, análisis y manejo de la información médica, vital para el diagnóstico y tratamiento del paciente e indispensable para realizar estudios futuros.
analiza la señal biofisiológica para su posterior diagnóstico por un especialista. Es de gran importancia este tipo de dispositivos en la actualidad debido a las ventajas que presentan, ya que permiten y facilitan el intercambio y almacenamiento de los datos del paciente, así como el procesamiento electrónico de historias clínicas, imágenes, gráficos. La información puede ser transmitida a otros lugares para su evaluación por otros especialistas, también para la supervisión de los signos vitales de pacientes distantes de sus doctores. Otra de las múltiples ventajas que representa este proyecto es el de su bajo costo para su implementación. El desarrollo de este proyecto representa un esfuerzo en convertir electrocardiógrafos analógicos en digitales, por otra parte se pretende mejorar la interfaz de usuario parael almacenamiento de datos de los pacientes y desplegar la gráfica de la señal biofisiológica en tiempo real. Otra de las funciones que tiene nuestro proyecto es el obtener y desplegar en pantalla la gráfica de la transformada Fourier(figura 7)de la señal biofisiológica adquirida para su análisis espectral que permitirá estudiar en detalle el comportamiento de los componentes armónicos de la señal en el dominio de frecuencia.
6. Bibliografía. [1].- Arthur Guyton, John Hall.Tratado de fisiología médica., 12da edición. Elsevier: España (2011). [2].- Juan Arango, Hernán Vélez, William Rojas, Jaime Borrero, Jorge Restrepo.Manual de electrocardiografía., 5ta edición. Corporación para Investigaciones Biológicas: Medellín (2003). [3].- E. Testé, E. Pérez, B. García, A. Santana, A. Calle y E. Altshuler.Experimentos avanzados de Física: Electrocardiograma. Facultad de Física, Universidad de La Habana (2009). [4].- Universidad de Barcelona. Sitio de internet del Departamento de Fisiología de la Universidad. Enlace directo: http://www.ub.edu/LabFisio/index.php?option= com_content&view=article&id=29&Itemid=1 [5].- M. Essaban. Sistema portátil de electrocardiografía de tres derivaciones con comunicación wireless. Universidad Politécnica de Cataluña (2006). [6].- N. Dugarte-Jerez, R. Medina-Molina, R. Rojas -Sulbarán.Sistema Para La Adquisición de la Señal electrocardiográfica de Alta Resolución. Universidad, Ciencia y Tecnología 15.61:206-215. (2011). .
5. Conclusiones La comunicación de datos, desde el dispositivo diseñado a la computadora, se logró con éxito. El sistema se probó al comparar la señal obtenida y graficada mediante MATLAB, y la señal obtenida por el osciloscopio, las cuales mostraban el patrón normal característico de la señal del corazón. Una de las grandes ventajas de
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