Fecha de envío: Febrero 2016

PROTOTIPO ECG CON TRANSMISION DE INFORMACION A DISPOSITIVOS ANDROID

PROTOTYPE WITH ECG TRANSMISSION OF INFORMATION ANDROID DEVICES Jimmy Daniel Gualteros Forero

Resumen: En el presente artículo se describe el desarrollo del proyecto de grado para título de tecnólogo electrónico basado en un prototipo ecg portátil de tres derivaciones que transmite la información a dispositivos Android para su respectiva visualización, la aplicación posee las características de ampliar, parar, bloqueo de eje y una de las más importantes características que lo diferencia de trabajos similares es la posibilidad de guardar un archivo .txt nombrado con la fecha en la cual se realizó el análisis, este archivo se alojado en la memoria externa (microsd) del equipo por defecto de no poseer se guarda en el directorio raíz del celular en una carpeta denominada ECG .El archivo .txt se encuentra almacenado el vector de valores que componen la gráfica, esta información puede ser enviada a un usuario remoto por medio de correo electrónico o bluetooth, este archivo puede abrirse nuevamente con la aplicación con el botón de leer y seleccionar el archivo a visualizar. EL prototipo de adquisición es de pequeño tamaño y de muy bajo consumo tan solo 3.3v por _______________________ 

Estudiante de tecnología en electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Colombia).

e-mail: [email protected]

lo que es alimentado por una batería de celular, que se puede recargar en el momento que se agote con un cable mini USB. Está compuesto por un módulo ecg AD8232 que ya viene diseñado para capturar la señal del corazón con gran calidad por medio de 3 electrodos desechables los cuales se conectan por un Jack 3.0 al módulo, un arduino nano el cual realiza la conversión análogo digital y un módulo Bluetooth hc-05 para transmitir la información al dispositivo android. A continuación esbozamos los objetivos expuestos en el proyecto: OBJETIVO GENERAL 

Desarrollar un prototipo ECG (Electrocardiógrafo) y hacer uso de las TIC (tecnologías de información y las comunicaciones) para él envió de la información a un usuario remoto.

OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Obtener los parámetros del ECG (curva PQRST) dentro de los estándares establecidos para poder utilizar esta información en un posible diagnóstico médico.



Establecer un canal de comunicación adecuado para enviar la información proveniente del ECG a un usuario remoto para su análisis.



Diseño de una Aplicación para dispositivos Android (App) como medio de visualización.

Palabras clave: Amplificador diferencial, electrocardiógrafo, equipos de comunicación, filtro digital, teléfonos celulares, telemedicina.

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Abstract: This article describes the development of the graduation project for title of electronic technologist, based on a prototype ecg portable three derivations that transmits information to Android for their respective display devices, the application features expand, stop, spindle lock and one of the most important features that differentiates it from similar works is the ability to save a .txt file named with the date on which the analysis was conducted , this file is housed in the external memory (microsd) team by default do not possess is saved in the root directory of the phone in a folder called ECG. The .txt file is stored the vector of values that make up the graph, this information can be sent to a remote user via email or bluetooth, this file can be opened again with the application with the button read and select the file to visualizar.EL prototype of acquisition is of small size and only very low-power 3.3V by what is powered by a battery of cell that it can be charged at the time that runs out with a mini USB cable. Consists of a module ecg AD8232 that is already designed to capture the signal from the heart with great quality through 3 disposable electrodes, which are connected by a 3.0 Jack to the module, an arduino nano which performs analog conversion digital and module Bluetooth hc-05 to transmit information to the android device. Then we outlined the objectives set out in the project: GENERAL OBJECTIVE 

Develop a prototype ECG (electrocardiograph) and make use of ICT (information technology and communications) to he sent information to a remote user.

SPECIFIC OBJECTIVES 

Get the parameters of the ECG (curve PQRST) within established standards to be able to use this information in a possible medical diagnosis.



Establish a proper communication channel to send data from the ECG to a remote user for analysis.



Diseño de una Aplicación para dispositivos Android (App) como medio de visualización.

Key Words: Differential amplifier, electrocardiograph, communication equipment, digital filter, cell phones, telemedicine.

1. Introducción El corazón es el órgano principal del sistema circulatorio y se encarga de bombear la sangre a todo el cuerpo. Para esto él se contrae y se relaja rítmicamente formando un ciclo cardiaco que está representado por ondas denominadas P, Q, R, S y T que determinan la magnitud, dirección y duración de los impulso cardíaco generados, tales impulsos llegan difusamente hasta la superficie del cuerpo, lo que permite que por medio de electrodos colocados sobre la piel se pueda registrar los potenciales eléctricos. El trazado de estos registros se denomina electrocardiograma o más conocido como ECG el cual es una representación tiempo vs amplitud que generalmente se encuentra en una escala de ± 2mV.

Según el observatorio nacional de salud indico en el boletín No. 1 de diciembre 9 de 2013 (ONS), determino que las enfermedades cardiovasculares es la causa más importante de muerte en Colombia y en el mundo, no en vano cobra 17.5 millones de vida al año [1].

Y ya que los monitores electrocardiográficos convencionales son de gran tamaño y costo los cuales se conectan al paciente por medio de cables, lo que limita la movilidad del mismo y dificultan los procedimientos médicos. El objetivo de este proyecto es el diseño y desarrollo de

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un prototipo ECG inalámbrico de pequeñas dimensiones el cual pueda ser pueda ser visualizado en dispositivos Android que permita movilidad y aislamiento al paciente.

2 Características Las señales ECG tienen una variación de 1 a 10 mV y un ancho de banda de 0.05 a 150 Hz, por lo cual se debe tener en cuenta que es un sistema sensible a diferentes ruidos como lo son el movimiento y contacto de los electrodos con la piel, el ruido generado por la red eléctrica entre muchos otros. Por lo cual se estableció una serie de parámetros para garantizar el contenido de la información a adquirir. 

Amplificación diferencial: ganancia y ancho de banda sin distorsión.



Impedancia de entrada muy elevada.



Bajo ruido



Estabilidad

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Eliminación de interferencias: ruido red (Alto CMRR), movimiento de la línea base...



Seguridad del paciente



Seguridad del equipo

2. DIAGRAMA DE BLOQUES PROTOTIPO DE ADQUISICION

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2.1 Modulo Ecg AD8232 El AD8232 es un pequeño chip utilizado para medir la actividad eléctrica del corazón, con baja corriente de alimentación tan solo 170uA, rechazo de modo común de 80db para frecuencia de 60hz, filtros de dos polos para eliminar el ruido proveniente de dispositivos electrónicos y un filtro pasa bajos para eliminar los ruidos adicionales [2]. El módulo ecg que es un pequeño bloque de acondicionamiento, el cual extrae, amplifica y filtra las pequeñas señales de biopotencial eliminando el ruido que se pueda obtener por el movimiento muscular, ruido de la red eléctrica y conexión entre los electrodos y la piel [3].

Figura 1 Modulo ECG AD8232

2.2 Electrodos y ubicación Los Electrodos son los dispositivos que ponen en contacto al paciente con el electrocardiógrafo. A través de ellos se obtiene la información eléctrica para la impresión y el análisis del Electrocardiograma. Es necesario saber la ubicación de los electrodos para tener una buena señal de salida, ya que se utilizaron 3 electrodos se ubicación se denomina electrodos periféricos. Los conectores de los electrodos vienen con colores diferentes para diferenciarlos.

  

R: Parte superior derecha del pecho (Right), evitando prominencias óseas. (rojo) L: Parte superior izquierda del pecho (Left), evitando prominencias óseas. (amarillo) F: Parte inferior izquierda del abdomen (Foot), evitando prominencias óseas (verde)

Figura 2 Cable de conexión para los electrodos tipo broche, y conexión a AD8232 por Jack de audio.

Figura 3 Conexión de los electrodos dependiendo su color.

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2.3 Arduino Luego de adquirir la señal, se pasa la información por conversor análogo digital (ADC) de la placa Arduino nano, el cual tiene un ADC de 10 bit lo que arroja valores de 0 a 1024 por lo que se realizó con la función map un cambio de intervalo de 0 a 5, al igual que se agregaron condiciones de conectividad [4].

2.4 HC-05 Para la transmisión de la información se realizó por medio de tecnología bluetooth la cual se define como un estándar global de comunicación inalámbrica (802.15.1), que posibilita la transmisión de voz y datos de corto alcance entre diferentes dispositivos, de forma robusta y sencilla con un consumo reducido y un bajo costo, empleando un enlace por radiofrecuencia en la banda de los 2,4 GHz.

Específicamente se utilizó el módulo HC- 05 que ofrece una buena relación de precio y funcionamiento, ya que es un módulo Maestro-Esclavo, lo que le permite recibir conexiones desde una PC o Tablet y también ser capaz de generar conexiones hacia otros dispositivos bluetooth, por lo que permite una buena compatibilidad con el Arduino nano. Posee una sensibilidad típica de -80dbm y con hasta +4 dbm de potencia de transmisión RF, de bajo consumo de energía lo cual es un punto importante en dispositivos portátiles [5].

3. Aplicación Electrocardiograma La aplicación fue desarrollada para dispositivos android, Android el cual es un sistema operativo inicialmente pensado para teléfonos móviles, al igual que iOS, Symbian y Blackberry OS. Lo que lo hace diferente es que está basado en Linux, un núcleo de sistema operativo libre, gratuito y multiplataforma. El sistema permite programar aplicaciones en una variación de Java llamada Dalvik. El sistema operativo proporciona todas las interfaces necesarias para desarrollar aplicaciones que accedan a las funciones del teléfono (como el GPS, las llamadas, la agenda, etc.) de una forma muy sencilla en un lenguaje de programación muy conocido como es Java. Una de las mejores características de este sistema operativo es que es completamente libre. Es decir, ni para programar en este sistema ni para incluirlo en un teléfono hay que pagar nada. Y esto lo hace muy popular entre fabricantes y desarrolladores, ya que los costes para lanzar un teléfono o una aplicación son muy bajos. Es uno de los sistemas operativos más importantes ya que abarca el mayor rango de precios en los terminales que lo soportan lo cual permite una mayor difusión del sistema debido a la existencia de dispositivos con precio más económicos, además de la naturaleza libre y de código abierto del entorno de desarrollo, característica que facilita la posterior expansión del sistema [6]. Todos estos motivos pueden resumir[6]se en que el empleo de Android como sistema operativo permite el acceso de un mayor número de usuarios para la aplicación.

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3.1 DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA APLICACIÓN ELECTROCARDIOGRAMA

Figura 4. Diagrama de bloques del funcionamiento de la aplicación electrocardiograma.

La programación se desarrolló para dispositivos con versiones de Android entre 4.1 Jelly Bean a 5.1 lollipop en eclipse luna con previa instalación del plugin de android y descarga de las herramientas de desarrollo para cada versión de android (SDK). La programación se realiza con un mezcla de HTML para la parte gráfica y de lenguaje java para las funcionalidades, en el momento ya se encuentra disponible la versión oficial de android para desarrolladores Android Studio en su versión 1.0, se tomó la decisión de no utilizar este entorno ya que presenta demoras en su depuración y sobre todo por la poca información que se encontraba en el momento. Para depurar la aplicación no se utilizó el emulador de android para Windows ya que también presenta lentitud y no se contaba con la funcionalidad de bluetooth y almacenamiento externo, se depuro directamente en el equipo activando la opción de desarrollador y seleccionando depuración USB. Para iniciara con la explicación se hace necesario el conocimiento de ciertos términos para su comprensión. 

AndroidManifest.xml El archivo AndroidManifest.xml es el archivo de manifiesto del proyecto. Contiene la configuración principal de la aplicación. Este archivo permite, entre otros, indicar los componentes definidos por la aplicación, el punto de entrada principal, los permisos de seguridad necesarios de la aplicación, las bibliotecas requeridas, los entornos de sistema y de hardware compatibles para que funcione la aplicación [7].

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

los layouts son contenedores de vistas (ViewGroup) predefinidos ofrecidos por Android. Cada layout proporciona un estilo de representación en página distintas con un relación una vista central. Los principales layouts predefinidos son frameLayout, Linear Layouts, RelativeLayout, TableLayout. Ofrecen respectivamente una estructura de posicionamiento de las vistas en marco, lineal, relative y en forma de tabla.

Ya conociendo estos términos se puede dar una idea de la creación de la aplicación, lo primero que se realizo fue la construcción de los layouts con interfaz independiente de la resolución de la pantalla esto se logró con los ya expuestos layouts predefinidos para que la aplicación se pueda ejecutar en cualquier equipo sin perder su forma original, de los cuales se crearon tres, ventana de graficación, conexión por bluetooth, adjuntar, compartir y leer, las cuales se pueden observar en las figuras 5, 6, 7, 8 y 9 respectivamente.

Figura 5. Pantalla Principal o layout principal de la aplicación electrocardiograma.

Figura 6. Pantalla de conexión de bluetooth de la aplicación electrocardiograma para android desarrollada en eclipse.

Figura 8. Pantalla de adjuntar de la aplicación electrocardiograma para android desarrollada en eclipse.

Figura 9. Pantalla o layout de leer de la aplicación electrocardiograma. Figura 7. Pantalla de envió de la aplicación electrocardiograma para android desarrollada en eclipse.

La clase de conexión bluetooth se generó con el soporte que proporciona la página oficial de Android para desarrolladores [8], se tomó de esta el código base para la conexión de los dos dispositivos y en la cual se agregaron las mismas condiciones de conectividad que en el Arduino uno.

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Para la graficación se utilizó la librería Graph View que es una biblioteca para Android para crear por medio de programación diagramas flexibles y de aspecto agradable con facilidad de comprensión, permite gráficos de línea, de barras y de puntos, específicamente la versión 3.0 [9]. La señal puede ser iniciada y pausada en el momento que el usuario desee con solo oprimir un botón, al igual que puede cambiar la visualización bloquean o desbloqueando el eje x, hacer zoom con los botones o desplazando los dedos sobre la pantalla para ampliar o reducir. Para la opción de leer se hizo necesario la creación de un layout adicional el cual hace la función de navegador de archivos para así especificar la ubicación del archivo a leer, la gráfica se demora en visualizarse según las características técnicas del equipo siendo esta la funcionalidad que más uso de recursos exige al equipo, después de visualizarse se encuentra comprimida la gráfica por lo que el usuario tiene que ser uso de la función de zoom. Al igual cuenta con la opción de compartir, la cual lo llevara a otra pantalla (layout) en el cual el usuario tiene que ingresar opcionalmente el nombre, especificar la actividad realizada en el momento del análisis y adjuntar el archivo .txt, en este se hace nuevamente necesario la utilización del layout adjuntar para especificar la ubicación y archivo a adjuntar. En el botón enviar saldrá un menú de opciones con las que puede enviar el archivo, bluetooth o correo el electrónico. NOTA. La funcionalidad de compartir por correo electrónico, hace el papel de acceso directo a su servidor de mensajería instalado.

4. Pruebas La aplicación fue probada en varios equipos con diferente resolución de pantalla y versión de android para determinar su funcionamiento y correcta visualización, específicamente Samsung S3 con 4.8” y android 4.3, Samsung S5 con 5” y android 4.4, Samsung J1 4.3” y con android 5.1. Se determinó que la aplicación se adapta bien a las diferentes resoluciones de pantalla, excepto por los textos de los botones que cambian de estado, con respecto al funcionamiento se presentó un problema en el Samsung S3 que no gráfica y era necesario estar oprimiendo el botón de inicio, por lo que se concluyó que era problema de la versión de android 4.3, se actualizo a android 4.4 y el problema fue solucionado. Con los demás equipos no presento ningún tipo de inconveniente. El prototipo en general se probó en condiciones de reposo total y se comparó con un examen ecg realizado en una entidad médica, de ambos análisis se determinó la curva PQRST. La aplicación presento lentitud para conectarse con el HC-05, al igual que en algunas ocasiones se bloquea la aplicación y se cierra.

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Figura 10. Imagen tomada con el prototipo ECG

Figura 11. Grafica de examen tomada en laboratorio medico

La grafica nuevamente se reprodujo en el equipo, se presentaron demora al iniciar la imagen en el Samsung s5 chino, que cuenta con pocas características de hardware, por lo que se

envió la gráfica al Samsung s3 que cuenta con mejores características, este se tardó menor tiempo. De las diferentes pruebas se determinó que la función de lectura es la que más consume memoria ram y procesador, también juega un papel importante el tamaño del análisis a leer.

La grafica presenta un poco de ruido debido al conversor análogo digital del Arduino nano y que se suma a la pérdida comunes por parte de la comunicación por bluetooth, para tratar de solucionar este inconveniente se implementó un filtro promedio en la programación del Arduino, el cual mejoro muy poco la señal ya que esta tarjeta no tiene una gran capacidad de procesamiento para tratar gran cantidad de datos a la vez. El prototipo finalizado se puede visualizar en las siguientes figuras.

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Conclusiones Como conclusión general el prototipo cumple con las especificaciones antes expuestas y se puede usar sin ningún riesgo para el usuario siendo este una buena herramienta para personas que quieran monitorizar periódicamente su corazón a un bajo costo y sin desplazamientos, no constituye una herramienta válida para diagnóstico.

La batería del prototipo de adquisición no suministra mucho tiempo de uso ya que esta solo proporciona 1200 mA a los 3 componentes, por lo que es un problema que se debe solucionar con la adquisición de unas batería que suministre mayor cantidad de corriente.

La aplicación como anteriormente se expuso en ocasiones se bloquea y se cierra especialmente, cuando el bluetooth no está activado antes de intentar conectar el hc-05, este problema no se tiene la posible causa, pero como alternativa de solución se tendrá que modificar el código de la aplicación para que detecte y conecte automáticamente con el hc-05.

El prototipo tiene un pequeño tamaño lo que lo hace ideal para llevar a cualquier lugar en bolsillo o maletín, aplicando el cambio de batería antes expuesto. Para mejorar la señal adquirida se puede implementar un filtro adaptativo y un filtro suavizador.

IMPORTANTE. El prototipo no es resistente al agua, humedad, fuego, o pesos excesivos (superior al peso promedio de un hombre), por lo que se tiene que tener especial cuidado.

Referencias

[1]

“Enfermedad cardiovascular :,” no. 1, 2013.

[2]

D. Sheet, “Single-Lead , Heart Rate Monitor Front End,” 2013.

[3]

Sparkfun, “AD8232 Heart Rate Monitor Hookup Guide.” [Online]. Available: https://learn.sparkfun.com/tutorials/ad8232-heart-rate-monitor-hookup-guide.

[4]

F. Electronics, “Arduino Uno R3.” .

[5]

D. Rafael and M. Pulido, “Universidad industrial de santander.”

[6]

A. . Fallis, El gran libro de Android, vol. 53, no. 9. 2013.

[7]

A. Market, A. Market, G. A. Market, A. Market, G. A. Market, G. A. Market, A. Market, and A. Market, “Android 100 100,” pp. 1–2, 2011.

[8]

Android, “Bluetooth || Android developer,” 2015. .

[9]

J. Gehring, “Graph View,” 2015. .