Revista Pensamiento AMERICANO

Revista Pensamiento Americano ISSN: 2027-2448 No.4. Enero – Junio 2010 Pág: 13-19

Adquisición de señales electrocardiográficas y características que las deterioran: Resultados experimentales Ing. Carlos Andrés Gutiérrez Martínez* cgutierrez@ coruniamericana.edu.co Resumen Se presentan en este artículo las características principales de una señal electrocardiográfica y se enuncian características que tienden a deteriorarla, tales como los niveles de DC presentes en el cuerpo, el ruido de alta frecuencia producto de la interferencia electromagnética de radio y el ruido de modo común de 60Hz entre otros. Se presenta el diagrama de bloques del sistema de adquisición de señales electrocardiográficas con conexión vía bluetooth al PC y las interfaces de usuario con las que interactúa el usuario. Se presentan los resultados con los que se evaluó el desempeño del sistema y las conclusiones que se pudieron extraer de dichos resultados. Palabras Clave Señal Electrocardiografía, Ancho de banda, Ruido de Modo Común, Retroalimentación de la pierna derecha (RLD), microcontrolador. Abstract This article presents the main features of an ECG signal and states some characteristics that tend to deteriorate it. Such us, DC levels in the body, the high frequency noise resulting of electromagnetic interference, and common-mode noise 60HZ, among others. It also presents the system block diagrams of ECG signal acquisition via Bluetooth connection to PC and user interfaces with which the user interacts. The outcome of the performance evaluation of the system is expressed as well as the conclusions. Key Words: Electrocardiography signal, bandwidth, common mode noise, right leg feedback, microcontroller.

Introducción

cosas rezagada, les llegue para poder comprarla, lo que implica altos costos, lo que a su vez conlleva a poca inversión en tecnología.

Una de las principales razones del progreso tecnológico de los países, que en la actualidad están a la vanguardia de la tecnología en el ámbito mundial, es la investigación y el desarrollo tecnológico; razón que los ha llevado a ser reconocidos como países “primermundistas”. De la misma forma, una de las razones por las cuales los países son mal llamados, “países tercermundistas” radica precisamente en que están tecnológicamente atrasados en investigación y desarrollo tecnológico.

Desde este punto de vista, resulta interesante dedicar recursos al desarrollo tecnológico del país, avanzar en nuevos desarrollos, de tal forma que en Colombia sea posible desarrollar y fabricar tecnología, que si bien ya existen, en el país no se fabrica, por lo que resulta más costoso adquirirla. Bajo esta perspectiva se presenta en el artículo una reseña del comportamiento de una señal electrocardiográfica y las características de la misma, al igual que un resumen del proyecto que se desarrolló

Un país tecnológicamente atrasado es aquel que tiene que esperar a que la tecnología, entre otras

* Especialista en Electrónica Industrial. Ingeniero Electrónico. Profesor de la Escuela Naval de Suboficiales ARC Barranquilla. Profesor investigador de la Corporación Universitaria Americana. Profesor Politécnico Costa Atlántica. Recibido: 13 de Agosto de 2009. Aceptado: 18 de Octubre de 2009.

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en la Universidad del Norte como trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico de quien aquí escribe, proyecto que fue asesorado por el ingeniero Ingeniero Magister Jaime Fernando Delgado Saa.

por la interferencia de otras señales bioeléctricas, como por ejemplo: señales electromiográficas [1] presentes en el cuerpo, e interferencia electromagnética presentes en el entorno. • Componentes de ruido dentro del ancho de banda de la señal ECG: generadas por las interferencia de otras señales bioeléctricas presentes en el cuerpo. • Componentes de ruido de modo común [4]: generado por la interferencia principalmente de 60hz [6] proveniente de la red comercial la cual induce potenciales en el cuerpo.

¿Qué es una señal electrocardiográfica y qué la deteriora? Pera llevar a cabo el diseño exitoso de un sistema de adquisición de señales electrocardiográficas es necesario conocer las características de dicha señal. La figura 1 esboza el comportamiento de una señal electrocardiográfica en la cual se puede observar cada una de las ondas presentes en dicha señal, a las cuales se le ha asignado un nombre para identificarlas más fácilmente.

Adicional a estas características que deterioran la señal ECG se hace de vital importancia que la adquisición de esta no dañe al paciente. Para esto es necesario establecer normas mínimas de seguridad que garanticen la seguridad del paciente. La norma IEC 60601 rige este tipo de restricciones de seguridad. El sistema desarrollado está pensado para atenuar las características que deterioran la señal ECG y para garantizar un mínimo de seguridad para el paciente, con base en la norma IEC60601, por medio de la cual se buscó cumplir con la corriente de seguridad máxima de 50µA inducida al paciente junto con el aislamiento de la red comercial.

La onda P entrega información acerca del comportamiento auricular del corazón mientras que las ondas Q, R y S, conocidas como el complejo QRS, representan el comportamiento ventricular y la onda T ofrece información acerca de la repolarización eléctrica del músculo cardiaco. La onda U es todavía objeto de estudio para la electrofisiología cardiaca, ya que aún no hay certeza de su significado.

Descripción del Sistema El dispositivo diseñado consta de tres etapas principales.

La magnitud de una señal electrocardiográfica puede llegar hasta VECG=10mV [2] y su ancho de banda alcanza frecuencias de hasta fECG=150hz [2]. La correcta adquisición para una exitosa digitalización es de vital importancia, dada la magnitud de la señal y teniendo en cuenta que dicha señal presenta características que pueden deteriorar la calidad de la señal. Entre las cuales se destacan las mencionadas a continuación. • Componentes de DC: generadas por el potencial de membrana de todas y cada una de las células presentes en el cuerpo. • Componentes de ruido de alta frecuencia: originadas

• Un sistema analógico de adquisición de señales electrocardiográficas ECG, en el que se implementaron etapas de amplificación incorporado a un sistema de corrección de DC, una etapa de filtrado, una etapa de amplificación y un circuito de retroalimentación de la pierna derecha para atenuar la interferencia del ruido de modo común. • Un sistema digital de conversión analógico-digital A/D y transmisión inalámbrica vía bluetooth. • Una interfaz de software para la visualización de las señales en el ordenador, que brinda la posibilidad de guardar las señales adquiridas para visualizarlas posteriormente.

Figura 1. Una señal electrocardiográfica Tomado de The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition. chapter 13 - Principles of Electrocardiography

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Sistema analógico de adquisición de señales ECG

un sistema de amplificación con el fin de llevar la señal ECG adquirida a niveles aptos para la correcta digitalización.

Inicialmente la adquisición de la señal se hace por medio de electrodos superficiales de plata cloruro de plata Ag-Agcl, los cuales brindan un medio de conducción entre el cuerpo del paciente y el sistema analógico

Sistema digital de conversión A/D y transmisión por Bluetooth Este sistema implementado en ”bloque digital”, conformado por un microcontrolador y dos moduladores bluetooth, uno conectado al microcontrolador y otro al PC, se encarga de digitalizar las señales provenientes del sistema analógico y transmitirlas vía bluetooth. Hay que resaltar que la escogencia de la transmisión por bluetooth brinda a los pacientes la tranquilidad de no estar conectados ni a un computador ni a la red comercial. Adicional a esto la transmisión vía bluetooth resulta ser una opción de transmisión de datos muy llamativa para el proyecto ya que de esta manera se logra aislar al equipo de cualquier conexión física con la red de alimentación, requisito fundamental para la normativa IEC60601. Para garantizar el correcto funcionamiento del sistema se hizo necesario establecer un “protocolo de flujo de datos” entre el sistema digital y la interfaz con el PC además de la correcta conexión del dispositivo con el computador; es decir, el computador debe identificar sin lugar a dudas al equipo y no confundirlo con cualquier otro dispositivo que goce de una conexión por bluetooth.

El bloque “adquisición señal” fue implementado con amplificadores de instrumentación INA128 del fabricante Texas Instruments, especiales para instrumentación biomédica y trabajo con baterías los cuales cumplen con los requerimientos de seguridad en corriente de 50µA exigidos por la norma IEC60601. El bloque “filtro paso bajos” fue implementado con un filtro de 8 orden de capacitor conmutado del fabricante MAXIM-IC el cual cuenta con un amplificador operacional embebido en el mismo chip con el cual fue posible implementar un filtro externo de 2 orden tipo múltiple feedback. Dicho filtro externo se implementó con el fin de eliminar una imperfección característica de los filtros de capacitor conmutado, característica que hace que la señal filtrada se aprecie de modo escalonado. El filtro externo implementado elimina dicha apariencia escalonada a la salida del filtro de 8 orden.

Para la visualización de señales ECG

Los niveles de DC que acompañan la señal ECG pueden saturar los amplificadores de instrumentación y los filtros de capacitor conmutado. Razón por la cual se implementó un sistema de retroalimentación que soluciona este problema en “Corrección línea DC”.

La aplicación desarrollada en la plataforma de programación LABVIEW es capaz de recibir las señales digitalizadas por el sistema digital y enviadas vía bluetooth para almacenarlas procesarlas y visualizarlas.

Este bloque se encarga de adquirir el nivel de DC presente en el filtro y retroalimentarla al bloque de instrumentación en el cual es eliminado.

La aplicación se divide en dos interfaces principales, “Adquirir registro” y “Descargar registro” en los cuales se ejecuta la visualización de las señales, la diferencia radica en que en la interfaz “Descargar registro”, visualiza un registro adquirido anteriormente, mientras que en la interfaz “Adquirir registro” se ejecuta la adquisición de un registro. Adicionalmente se da la oportunidad al usuario de guardar el registro adquirido.

Para atenuar la interferencia debida al ruido de modo común de 60Hz se implementó en el bloque “retroalimentación pierna derecha” el circuito de retroalimentación de la pierna derecha RLD; para esto se usó como guía el circuito propuesto por Texas Instruments el cual presenta un circuito encargado de llevar a cabo tales tareas. El objetivo en este sistema es utilizar las señales de modo común adquiridas en bloque “adquisición” para invertirlas, amplificarlas y retroalimentarlas al electrodo de la pierna derecha. El reto en este circuito es encontrar la ganancia que amplificará la señal de modo común, mediante pruebas experimentales, teniendo en cuenta que si la ganancia es muy baja el circuito no cumplirá con su función y si la ganancia es muy alta el sistema empezará a oscilar [6].

Figura 3. Interfaz para adquirir un registro

Finalmente se implementó en el bloque “Ampliación”

La interfaz para adquirir un registro muestra en la 15

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Ganancia del sistema Se utilizó un generador de señales para inducir una señal a la entrada del sistema. La amplitud de esta señal se varió con el fin de comprobar el valor de la ganancia y su independencia de la magnitud de la señal de entrada. En la Tabla 1 se tabulan los resultados obtenidos.

gráfica superior, figura 3, el avance de la adquisición. Una vez el usuario dé la orden de visualizar, se detendrá la adquisición y se visualizarán, en las 6 gráficas de la parte inferior, las derivaciones del registro adquirido. La figura 4 muestra la interfaz para visualizar un registro: al igual que en la interfaz para adquirir un registro las graficas pueden ser manipuladas para la visualización; es decir, se pueden ampliar o reducir o mover hacia un lado o al otro según lo requiera el usuario. Todo esto, a través de la paleta de gráfica que está ubicada en la parte inferior izquierda de cada gráfica.

Etapa Ganancia Calulada Ganancia Medida Adquisicion 26 26,6 Filtrado 1 1 Filtro Externo 10 9,58 Amplificacion 2 2,02 Sistema Completo 520 514,75

Error 2,31 0 4,2 1 1,01

Tabla 1 La Tabla 1 muestra que en el peor de los casos el error es de 4,2%. Este error se atribuye en gran medida a la tolerancia de las resistencias y capacitores utilizados para la implementación del sistema. Corrección de DC Para observar el comportamiento del circuito de corrección de DC, con el generador de señales, se indujo a la entrada del sistema una señal con un nivel de DC, de manera que se pudiera observar que efectivamente el circuito cumple con su función. A partir de esta prueba se estimó la constante de tiempo de carga del capacitor del circuito y a partir de ésta se calculó la frecuencia de corte baja del sistema. Se obtuvo que t = 2,4 2,42s por consiguiente la frecuencia de corte baja fC=0,07Hz.

Figura 4. Interfaz para visualizar un registro Tanto en la interfaz de adquisición, (figura 3) como la de visualización (figura 4) se presentan las seis señales del registro electrocardiográfico que son adquiridas por el equipo; las gráficas de la parte izquierda corresponden a las señales diferenciales DI, DII, DIII y las figuras de la parte derecha corresponden a las señales unipolares amplificadas aVR, aVf, aVl.

Respuesta en frecuencia de la etapa de filtrado Se varió la frecuencia de la señal entregada por el generador de señales con el fin de extraer la respuesta en frecuencia de la etapa de filtrado de manera que se pudiera comprobar que el sistema responde como se desea. La figura 5 muestra la respuesta en frecuencia de la etapa de filtrado.

Como se puede observar, cada registro se observa de manera distinta ya que este depende del paciente; nunca se verán dos registros de distintos pacientes iguales, mas es posible que sean similares. Adicional a esto la aplicación implementa un banco de filtros que se encarga de atenuar aún más cualquier componente de 60Hz y sus armónicos en el ancho de banda de la señal ECG, además de un filtrado paso bajos, con frecuencia de corte fc=150Hz para eliminar cualquier remanente de alta frecuencia de la señal ECG. Resultados

Figura 5. Respuesta en frecuencia de la etapa de filtrado

Funcionamiento del Hardware

La etapa de filtrado, según las pruebas experimentales, presenta una frecuencia de corte FC=177Hz, una pendiente de P=149,32dB/Dec en la banda de transición con un ancho de banda de transición de BWT=163Hz. Como se puede observar en la figura 10, cualquier señal por encima

Se hicieron pruebas de funcionamiento del sistema analógico para observar su comportamiento y medir los parámetros para los que fue diseñado de manera que se pudiera verificar su funcionamiento. 16

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de f=350Hz será atenuada en su totalidad por la etapa de filtrado.

en frecuencia del banco de filtros atenúa las componentes de frecuencia alrededor de 60H y 120H con una atenuación de 17,5dB y 22,5dB respectivamente. Adicional a esto, se nota que el banco de filtros atenúa cualquier señal por encima de 150Hz La figura 8 muestra una señal ECG, adquirida de un paciente, antes de ser filtrada y después de ser filtrada. Se debe notar que la señal no filtrada (NF) se ve significativamente distorsionada en comparación a la señal filtrada.

Retroalimentación pierna derecha RLD Para comprobar que la retroalimentación de la pierna derecha (Rf) funciona adecuadamente, se verificó la relación de rechazo a modo común (CMRR). Se midió la señal de modo común entrante al sistema, más específicamente la señal de 60Hz [6], y se comparó con la señal de modo común presente en la salida con la conexión de la Rf y sin la Rf de manera que se pudiesen cotejar.

Figura 6. Señal ECG con ruido de modo común de 60 Hz Esto fue posible ya que la señal de 60Hz es claramente apreciable en la señal electrocardiográfica adquirida por el sistema, como se puede observar en la figura 6. La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos Conecion CMRR (dB)

Sin Rf 83,82

Figura 8. Señal ECG antes y después de ser filtrada.

Con Rf 112,17

El espectro de frecuencia de ambas señales en la figura 9 muestra que las componentes de 60Hz 120Hz, y 180Hz se ven significativamente atenuados en la señal filtrada, en comparación con la señal no filtrada. Lo que corrobora el buen funcionamiento del banco de filtros digitales.

Tabla 2 Como se puede observar en los resultados de la tabla 2 la retroalimentación de la pierna derecha mejora la CMRR en 28,34dB lo cual demuestra el funcionamiento del circuito RLD. Funcionamiento del Software En el funcionamiento del software es importante destacar que la respuesta en frecuencia del banco de filtros implementado tiene en gran medida una incidencia directa en la visualización de la señal ECG, ya que este se encargará de eliminar o atenuar al máximo las señales de ruido de modo común. De tal manera, que el funcionamiento del banco de filtros debió ser verificado para asegurar atenuar las señales que interfieren con la señal ECG. Se desarrolló un programa de pruebas que verifica la respuesta en frecuencia del banco de filtros implementado en el software. La figura 7 muestra la respuesta en frecuencia del banco de filtros.

Figura 9. Espectro en frecuencia de la señal ECG antes y después de ser filtrada. La componente de 60Hz presentó, en este caso una atenuación en 17.75dB y la componente de 180Hz 13.97dB. Por su parte, la componente de 120Hz se ve totalmente atenuada.

Figura 7 Respuesta en frecuencia banco de filtros digitales. Como se puede observar en la gráfica la respuesta 17

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Cabe destacar que el ancho de banda de las señales ECG oscila entre 0,05Hz y 150Hz pero la mayor parte da la señal se encuentra entre 0,05Hz y 40Hz. Sin embargo, las componentes entre 40Hz y 150Hz juegan un papel importante en el registro ya que estas componentes se encargan de las oscilaciones rápidas de la señal ECG, más específicamente en el complejo QRS [3]. Ignorar este ancho de banda que en apariencia no es para nada significativo repercute en una atenuación del complejo QRS. El cual juega un papel significativo en el registro [7].

y de esta manera poder estudiar el comportamiento de las señales ECG. • El ancho de banda de las señales ECG oscila entre 0,05Hz y 150Hz pero la mayor parte de la señal se encuentra entre 0,05Hz y 40Hz. Sin embargo, las componentes entre 40Hz y 150Hz juegan un papel importante en el registro ya que estas componentes se encargan de las oscilaciones rápidas de la señal ECG, más específicamente en el complejo QRS [3]. Ignorar este ancho de banda que en apariencia no es para nada significativo repercute en una atenuación del complejo QRS, el cual juega un papel significativo en el registro [7].

Conclusiones Teniendo en cuenta los resultados expuestos en este artículo y las características que podrían deteriorar la señal es pertinente concluir que:

• Los resultados presentados muestran un avance significativo en la adquisición de señales electrocardiográficas; sin embargo, no es el avance final. El equipo desarrollado entrega 6 de las 12 señales estándar de la electrocardiografía, lo que implica que aún hay por hacer. La señal aunque apta para diagnóstico aún presenta componentes de ruido apreciables que se pueden eliminar con algo más de trabajo.

• Las etapas de amplificación, filtrado y corrección de DC son indispensables para la correcta adquisición de señales ECG. La corrección de DC garantiza que los amplificadores no se saturen por la presencia de niveles de DC presentes en la señal adquirida. El filtrado de la señal permite atenuar cualquier componente de ruido por fuera del ancho de banda de ECG. La amplificación permite que la señal adquirida pueda ser digitalizada correctamente.

• La importancia de desarrollos como éstos no radica más que todo en la innovación, ya que no es algo nuevo, sino en el hecho de que en Colombia no hay una empresa que se dedique a la fabricación y suministro de este tipo, o las que hay no tienen un renombre significativo en el ámbito nacional. Lo que implica que la mayoría de centros cardiológicos adquieren sus equipos de empresas que los fabrican en el exterior, esto sugiere costos más elevados y retraso en el avance tecnológico en el país, ya que toca esperar a que la tecnología exista para adquirirla, situación que no debe seguir así.

• La retroalimentación da la pierna derecha RLD permite atenuar las señales de modo común, que sin la RLD saturan los amplificadores ya que la magnitud de las señales de modo común son significativamente más altas que las señales de ECG. • La transmisión por bluetooth brindó a los pacientes la tranquilidad de no estar conectados ni a un computador ni a la red comercial. Adicional a esto la conversión por bluetooth resultó ser una opción de transmisión de datos muy llamativa para el proyecto ya que de esta manera se logró aislar al equipo de cualquier conexión física con la red de alimentación, requisito fundamental para la normativa IEC60601.

Referencias bibliográficas [1] Medical Devices and Systems, Third Edition, Chapter 1 Biomedical Signals Origin and Dynamic Characteristics Frequency-Domain Analysis. Arnon Cohen. Ben-Gurion University. [2] The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition. chapter 13 - Principles of Electrocardiography. Edward J. Berbari. Indiana University/Purdue University at Indianapolis.

• El filtrado digital de las señales permitió atenuar mucho más las señales de 60Hz presentes en la señal electrocardiográficas, las cuales se atenuaron en el sistema analógico pero se atenuaron aun más en el procesamiento digital de las señales adquiridas.

[3] The Biomedical Engineering Handbook: Second Edition. Chapter 53 – Digital Biomedical Signal Acquisition And Processing. Luca T MainardyPolytechnic University Milan, Anna B Bianchi-St. Raffaele Hospital Milan, Sergio Cerutti- Polytechnic University Milan.

• La posibilidad de guardar las señales ECG y visualizarlas tiempo después permitió que estas fuesen analizadas posteriormente

[4] The Biomedical Engineering Handbook: Second 18

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