Monitor de pulsos cardíacos con interfaz a pc

Introducción

Este trabajo se realiza como una de las tareas asignadas al becario del Laboratorio de Bioelectrónica, para dar soporte a la cátedra de Bioelectrónica, de la carrera Ingeniería Electrónica en la Facultad Regional Córdoba de la Universidad Tecnológica Nacional.

Se trata de un dispositivo portátil para el monitoreo de señales cardíacas.

El sistema está compuesto por una etapa Analógica que se encarga de acondicionar la señal presente sobre el paciente, y una etapa digital, compuesta por un microcontrolador y un display de cristal líquido inteligente LCD.

El sistema Analógico se encarga de elevar el nivel de la señal de entrada, además de separar la misma del ruido presente sobre el paciente, que es de nivel superior.

El sistema Digital está desarrollado sobre una plataforma microcontrolador, el cual se encarga de adquirir la señal analógica, para luego presentarla sobre el LCD, además de distintos datos relacionados con la misma: latidos por minuto, alarmas programadas, velocidad de barrido.

Cuenta el sistema con una interfaz serie RS232 para poder tener la misma señal sobre un Computador Personal, en el cual con software de visualización y administración se puede implementar un sistema de monitoreo centralizado.

La electrocardiografía permite visualizar la actividad eléctrica del corazón, la cual entrega información vital al momento de conocer el estado del músculo cardíaco. Para obtener dicha señal eléctrica es necesario emplear una interfaz física, la cual está compuesta por electrodos metálicos de Ag/AgCl (Plata / Cloruro de Plata).

La señal obtenida debe ser amplificada y filtrada, ya que una característica de los potenciales bioelectrónicos es su baja amplitud, en este caso de 100uV a 5mV. Para elevar dichos potenciales se deben emplear configuraciones electrónicas especiales. Además es necesario que el equipo presente una elevada impedancia de entrada para disminuir las corrientes de fuga, las cuales pueden ocasionar que algún evento externo afecte el normal funcionamiento del corazón. Por otro lado, además de la señal eléctrica que excita las células cardíacas, existen interferencias de todo tipo: la actividad muscular genera potenciales que no aportan nada al estudio, la red eléctrica induce sobre el cuerpo corrientes que enmascaran la verdadera actividad cardíaca. Por esos motivos la etapa de entrada está constituida por un amplificador de instrumentación, el cual debe ofrecer una elevada Relación de Rechazo de Modo Común (RRMC). Además, la configuración otorga una elevada impedancia de entrada y ganancia variable, estas características permiten obtener una señal con mayor amplitud y bajo nivel de ruido.

En cuanto a la seguridad del paciente, es muy importante mantenerlo aislado de la línea de corriente eléctrica, para ello se emplea una configuración con alimentación aislada (flotante) y barrera óptica a la salida del monitor. De esta manera se disminuye el riesgo de shock eléctrico.

La visualización de la señal cardíaca se puede realizar de diversas maneras: sobre papel (electrocardiograma) o sobre dispositivos de representación no permanente, como son los display de cristal líquido o LCD, en un monitor de PC o sobre un tubo de rayos catódicos.

La utilización de una computadora personal PC suma ventajas adicionales en el monitoreo y/o diagnóstico, ya que es posible almacenar los estudios realizados, y así efectuar postprocesamiento, para determinar patologías regionales, características especiales, etcétera. Una característica del monitor es la posibilidad de transportarlo de un lugar a otro sin que el mismo esté conectado a la red eléctrica ya que dispone de una batería interna.

Características Generales del Monitor

El monitor de pulsos cardíacos está compuesto por dos etapas bien diferenciadas, una etapa Analógica y una etapa Digital. Las mismas están constituidas por varios módulos, que a continuación se desarrollan.

ETAPA ANALÓGICA

• Fuente Switching y cargador de Batería

• Protección contra Desfibrilador

• Amplificador de Instrumentación

• Filtro pasabanda y Notch

• Modulador por Ancho de Pulso

• Optoacoplador

• Filtro Pasabajos

ETAPA DIGITAL

• Microcontrolador con conversor Analógico-Digital

• Display de Cristal Líquido Inteligente

• Interfaz Serie RS232

• Software para PC

• Almacenamiento de datos para post-Procesamiento

Descripción de la Etapa Analógica

Fuente Switching y Cargador de Batería

Al tener en consideración el aspecto de la seguridad, es necesario alimentar al amplificador de instrumentación con una fuente flotante, de esta manera se le da al sistema aislación galvánica sobre la alimentación.

La aislación galvánica se consigue con una fuente del tipo switching, empleamos un oscilador monoestable con un IC NE555, el cual conmuta un transistor del tipo BC548. La frecuencia de la fuente es de 65kHz, la salida está en configuración forward, y entrega alimentación simétrica de ± 5.6V al módulo de acondicionamiento, la cual se obtiene de un par de diodos Zener.

Para eliminar el ruido generado por la conmutación se emplea un filtro pasabajos en la línea de alimentación. Al tratarse de un monitor del tipo portátil se dispone de un cargador de batería, el cual permite que, mientras el dispositivo se encuentra conectado a la red eléctrica, se mantenga en carga la batería.

Circuito fuente switching

Protección contra desfibrilación

Durante el monitoreo del paciente, es posible que surja la necesidad de efectuar reanimación, para ello se emplea un desfibrilador. Dado que este dispositivo entrega energía al corazón con el fin de restablecer el ritmo eléctrico que ocasiona la acción mecánica del músculo cardíaco, esta energía entregada al paciente puede provocar la destrucción del monitor, y es por ello que mediante el uso de lámparas de descarga gaseosa, NEONES, y configuraciones de diodos en paralelo, se evita que los altos niveles de tensión presentes sobre la piel del paciente dañen el dispositivo.

Circuito protección

Amplificador de Instrumentación

Las características más importantes del amplificador de instrumentación son la posibilidad de manejar la ganancia con una resistencia, y el rechazo a las señales de modo común (RRMC).

Para obtener una elevada RRMC se deben aparear las impedancias del circuito, es decir que deben tener el mismo valor, para lo cual se utilizaron resistores con baja tolerancia, del 1%, y capacitores idénticos. Cuanto más próximos sean sus valores, más elevada será la RRMC.

Para este amplificador se ha empleado una configuración con tres operacionales. Los mismos están encapsulados en una misma pastilla, de esta manera se disminuye el efecto de las tensiones de offset sobre los mismos. Por medio de dos potenciómetros del tipo trimpot multivueltas, se regula la ganancia y la RRMC. La configuración propuesta posee asociado un filtro pasabanda de manera de limitar el ancho de banda.

Características generales del amplificador de instrumentación:

• Frecuencia de corte inferior : 0,03 Hz

• Frecuencia de corte superior : 95 Hz

• RRMC : 95,16 dB

Amplificador de Instrumentación con Banda de Paso Acotada

Filtro de Muesca – Notch

Se implementa un filtro Notch o de muesca, con elevado factor de mérito Q, de manera de poder atenuar las interferencias producidas por la red eléctrica en el monitoreo. El filtro Notch está compuesto por un filtro pasabanda 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 las siguientes características:

• Frecuencia de eliminación: 50Hz

• Banda detenida: 5Hz

• Atenuación de la frecuencia de eliminación: 40dB

Este circuito, al igual que el amplificador de instrumentación, 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.

Amplificador y Sumador de Offset

Luego del amplificador de instrumentación se introduce un amplificador en configuración Sumadora. Esta configuración sirve para agregar ganancia a la señal de entrada, de manera de tener una ganancia absoluta de 800 sobre la señal de entrada de modo que, si Vin=1mV ( Vout 800mV, y se le adiciona un nivel de offset que permite una operación correcta sobre la etapa siguiente, que es el Modulador de Ancho de Pulso.

Modulador por Ancho de Pulso – Optoacoplador

Para obtener aislación galvánica de la señal de salida se utiliza un optoacoplador. Puesto que estos dispositivos no son lineales, se lo hace trabajar al corte y saturación. Para ello se emplea un modulador por ancho de pulso (PWM), trabajando a una frecuencia de 80kHz. El PWM seleccionado necesita una señal moduladora de amplitud máxima de 2,5V; por lo tanto, para que pueda trabajar tanto con biopotenciales positivos y negativos, la misma debe tener como máximo una amplitud de 1,25V con un offset de 1,25V.

Complejo QRS Típico – Salida del Modulador por Ancho de Pulso PWM

Filtro pasabajos

La señal entregada por el optoacoplador es una señal modulada, cuya portadora es de frecuencia elevada, y la señal modulante es de baja frecuencia. Para obtener la señal de baja frecuencia que corresponde a la señal cardíaca se introduce un filtro pasabajos pasivo. Este filtro pasabajos tiene una frecuencia de corte de 95Hz.

En este punto se obtiene el biopotencial multiplicado por una ganancia de 800, con un RRMC de 95dB, aislación galvánica en la alimentación y en la salida.

Descripción de la Etapa Digital

Microntrolador con conversor A/D

Se emplea un microcontrolador PIC16F877 de la línea Microchip, que posee la siguientes características:

• Conversor A/D de 10bits

• USART on chip

• 33 puertos I/O

• Manejo de interrupciones

Las características intrínsecas del microcontrolador lo hacen un dispositivo con una gran versatilidad. Sobre el mismo corre un software que se encarga de la adquisición de los datos analógicos, el procesamiento y la visualización de los mismos sobre un LCD inteligente. Como característica adicional, la inclusión de una USART en el microcontrolador, permite enviar los datos a la PC a través de una comunicación serie según el protocolo RS232, con trama 8N1.

El software controla un teclado compuesto por seis teclas:

• Alarma de Taquicardia

• Alarma de Bradicardia

• Velocidad de Barrido del punto: 25 y 50 mm/seg

• Ganancia en pantalla : x 0.5 , x 1, x 2

• Indicación de Alarma sonora activada

• Modo congelado

Software sobre el microcontrolador PIC

Diagrama de flujo del software sobre el PIC

El software sobre el PIC, como se observa en el diagrama de flujo, consta de un bucle infinito, sobre el cual se ejecutan las distintas operaciones. Dentro de éste tenemos las funciones de escritura sobre el display del dato adquirido a través del conversor A/D, la cual se realiza cada 2mseg, lo que da una frecuencia de adquisición de 500Hz. Este tiempo es controlado con uno de los timer internos del microcontrolador. La resolución del conversor es de 10 bits, lo que equivale a 1024 niveles de cuantificación. Debido a las dimensiones del LCD inteligente, 64 pixel, debemos procesar este dato adquirido para que no supere dicho valor.

Las velocidades de barrido son 25 mm/seg y 50mm/seg, lo cual proporciona un desplazamiento de 50 y 100 pixel sobre el LCD, por esto se debe imprimir un pixel por cada 5 ó 10 muestras de adquisición. Queda entonces un píxel cada 10 o 20mseg, para poder obtener las velocidades establecidas. Cada 2 mseg se envían a la PC los datos obtenidos, pero respetando la resolución del conversor A/D, para ello se genera un paquete conformado por un señalizador, más dos bytes; la señalización tiene como objeto poder determinar el tipo de datos enviados a la PC, ya sean datos de conversión o datos de configuración, alarmas, velocidad de barrido, frecuencia cardíaca (ppm), con una velocidad de transmisión de 59400 baudios, con trama 8N1.

El control de las teclas de configuración de parámetros, se realiza mediante polling cada 10 ó 20 mseg, con una rutina de antirrobote. Al realizar un cambio de alguno de los parámetros de control se produce la correspondiente modificación sobre los indicadores en el LCD.

La frecuencia cardíaca se calcula latido a latido con un filtrado de promedio de 4 valores. La representación en el LCD del valor de latidos por minuto (ppm) se realiza cada un segundo.

El valor de ppm se calcula con la fórmula:

teniendo en cuenta las alarmas de Bradicardia y Taquicardia, cada 2 mseg.

En el caso de tener ppm < Bradicardia o ppm > Taquicardia se activa la alarma sonora y visual, de las cuales mediante teclado, la sonora, puede ser desactivada.

La detección de un latido se produce utilizando un trigado por nivel, el mismo está programado al 75% del rango de presentación del LCD. Al superar dicho valor, comienza la rutina de control de tiempo hasta la existencia del próximo latido.

En resumen, las características del software del microcontrolador y del display son:

• Frecuencia de muestreo : 500Hz

• Resolución del conversor A/D : 10 bits

• Manejo del LCD inteligente.

• Alarmas Programables :

• Taquicardia 110 ( 250

• Bradicardia 100(40

• Alarma Visual

• Indicación en Pantalla de ppm.

• Frecuencia de actualización 1seg.

• Indicación en pantalla de alarmas.

• Velocidad de Barrido 25 y 50mm/seg. Indicación de la misma en pantalla.

• Error en la velocidad de barrido 0.06 (1,5mm/seg)

• Envío de datos serie

• cada 10mseg (50mm/seg de barrido)

• cada 20mseg (25mm/seg de barrido)

• envío de 10bits de adquisición

• envío de parámetros seteados sobre el monitor (Alarmas y ppm)

• Cálculo de la frecuencia cardíaca latido a latido

• Resolución 2mSeg.

• Error máximo 0,5 ppm

• con un filtro de media de 5 valores (50mm/seg de barrido)

• con un filtro de media de 10 valores (25mm/seg de barrido)

• Resolución LCD 240 pixel * 64 pixel.

• Dimensiones del pixel 0.53 mm*0.53mm

• Tiempo de Borrado de una línea : aprox. 4mseg

• Área de Barrido: 184 * 50 pixel

• 3 Líneas de Control – 8 Líneas de Datos

• Backligth Electroluminiscente

Software en PC

Se empleó el lenguaje C++ Builder de Borland para desarrollar la interfaz gráfica. La misma captura bloques de datos seriales, los que son procesados a una velocidad de 15 bytes cada 10mseg. Los datos, una vez clasificados, ya que pueden ser parámetros de configuración o datos de adquisición, son presentados en pantalla mediante el uso de las librerías gráficas del entorno de desarrollo.

Empleando lenguaje visual es posible disponer de una interfaz gráfica de los datos enviados por el microcontrolador, de esta manera podemos tener una central de monitoreo en donde concentrar los datos de diversos monitores, además se otorga la posibilidad de almacenar los datos adquiridos, para luego ser postprocesados. De esta manera se podría disponer de un repositorio de estudios, con los cuales desarrollar sistemas inteligentes de detección de patologías, por ejemplo, mediante el uso de redes neuronales, o la detección eficaz del complejo QRS.

Resultados

El equipo fue probado en diversas oportunidades con un simulador multiparamétrico Lion Heart, con lo cual se realizaron calibraciones y ajustes en el software.

Para la verificación de las características de ancho de banda, RRMC, etcétera, se emplearon instrumentos de medición de laboratorio: osciloscopio con almacenamiento digital, frecuencímetro, generador de funciones.

Se efectuaron pruebas sobre una persona, verificándose que la señal era similar a la generada por el simulador. Actualmente se está analizando la posibilidad de testear este desarrollo en un hospital público de la ciudad de Córdoba.

Con respecto al postprocesamiento que se realizará en la PC, corresponde a una segunda etapa de este proyecto y será ejecutada a partir del próximo año.

Conclusiones

El desarrollo de este dispositivo con el fin de otorgar al Laboratorio de Bioelectrónica un elemento didáctico es un hecho de marcada relevancia ya que pone de manifiesto que lo que se estudia en el aula puede ser comprobado en la práctica con montajes reales.

A los efectos de la realización de las mediciones se emplearon los instrumentos disponibles en el laboratorio. Por otro lado, se pudo comprobar que utilizando configuraciones sencillas y de bajo costo económico, por ejemplo el amplificador de instrumentación compuesto por tres amplificadores individuales y no un módulo integrado como el INA110, fue posible obtener características de calidad similares a productos de mayor valor y, por lo tanto, más difíciles de adquirir por un grupo de investigación de una universidad pública.

Es importante destacar que para este desarrollo se aplicaron técnicas de medición que no son utilizadas en forma habitual por un estudiante de grado.

Con la finalización de esta etapa del desarrollo, se dotará a la cátedra Bioelectrónica de una herramienta más para complementar la formación académica de los estudiantes del último año de la carrera Ingeniería Electrónica de la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Córdoba.

Enviado por: Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.

"NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"®

Santiago de los Caballeros, República Dominicana, 2016.

"DIOS, JUAN PABLO DUARTE, JUAN BOSCH Y ANDRÉS CASTILLO DE LEÓN – POR SIEMPRE"®

Autor:

Carlos Augusto Centeno.

Ivana Andrea Trento.