Prototipo de monitor de eventos cardiacos basado en plataforma PDA

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1 [Index FAC] [Index CCVC] Arritmias y Electrofisiolog ía/arrhythmias and Electrophysiology Prototipo de monitor de eventos cardiacos basado en plataforma PDA Bustamante John 1, Sáenz José 2, Amaya Adrián 3, Ruiz Daniel 4, Vanegas Mauricio 5, Rodas Juan 6. 1,2,3,4 Grupo de Dinámica Cardiovascular de la Universidad Pontificia Bolivariana y Centro Cardiovascular Colombiano Clínica Santa María, Medell ín Colombia. 5,6 Grupo de Investigaciones en Bioingenier ía de la Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín Colombia Introducción: Los equipos de monitoreo de eventos cardíacos con visualización en tiempo real, memoria de bucle y detección automática de anormalidades electrocardiográficas resultan costosos debido a la alta capacidad de procesamiento y almacenamiento que deben tener. Con el propósito de hacer más asequible esta tecnología a nuestra población, se desarrolla un dispositivo de monitoreo de eventos cardiacos mediante una plataforma de PDA (Personal Digital Assistant). Objetivos: Desarrollar un sistema que permita realizar el monitoreo y registro de eventos electrocardíacos durante tiempos prolongados, aprovechando las capacidades de almacenamiento, procesamiento y visualización de los PDA. Material Y Métodos: Se diseñó un hardware que permite la adquisición y tratamiento de las señales que provienen del paciente y que luego son enviadas a un PDA-PALM, en la cual se implementó un software desarrollado considerando las características de un monitor de eventos cardiacos y la filosofía técnica de aplicaciones Palm OS. Finalmente se habilita la descarga y análisis de los datos almacenados en la computadora de mano en un computador personal mediante un software desarrollado para permitir su procesamiento por parte del cardiólogo. Las validaciones al prototipo para la detección de anormalidades y para la calidad de adquisición de la señal se realizaron utilizando un simulador de ECG Nihon Kohden AX 800P Vital Sign, y un simulador de arritmias basado en registros de base de datos de arritmias del MIT-BIH (Massachuset Institute of Technology- Beth Israel Hospital); para evaluar la estabilidad del sistema en condiciones adversas se llevaron a cabo pruebas piloto con 5 personas sometidas a actividad física bajo supervisión de un médico especialista. Resultados: Se implementó un prototipo de monitoreo de eventos con funcionalidades de registro continuo de ECG, que mediante la propiedad de memoria de bucle permite la grabación de trazado ECG obtenido antes, durante y después de la activación de grabación por parte del paciente o por parte del sistema automático de detección. La posibilidad de detección automática de arritmias se relaciona sólo con taquicardias y bradicardias. Permite la visualización de la señal en tiempo real; y presenta la opción de consignar por parte del paciente anotaciones de síntomas ocurridos durante el monitoreo. Discusión y Conclusión: Se reconoce la importancia de continuar con la optimización de un prototipo que pueda hacer un monitoreo de eventos electrocardiacos, acomodado a nuestras necesidades técnicas y socioeconómicas.

2 INTRODUCCIÓN El Electrocardiograma (ECG) usual de trazo corto se caracteriza porque se realiza bajo un ambiente controlado, con el paciente en reposo y determinadas condiciones ambientales, además de conllevar sólo algunos minutos de grabación, de allí que muchas veces los síntomas que aquejan al paciente no se hacen evidentes durante el examen. Pretendiendo resolver este inconveniente, el físico Norman Holter desarrolló en 1961 el denominado Registro Holter, mediante el cual se captura la señal continuamente durante 24 ó 48 horas, en cinta magnética o en soporte de estado sólido, y el cual tiene canales e interfaces de comunicación para transmitir los datos a un PC. Sin embargo, este tipo de monitores Holter no son siempre efectivos en el diagnóstico de arritmias, y en el caso de los Holter de 48 horas, resultan diagnósticos sólo en el 35% de los casos [2], debido a que muchos eventos de interés no aparecen en las primeras 48 horas de monitoreo, además que el análisis de extensas horas de grabación es tedioso, por lo que se pueden pasar por alto elementos importantes. Llenando esta necesidad, se desarrolló una nueva técnica de registro prolongado en los años 80, con la cual sólo se graba eventos de interés al paciente activar el sistema cuando percibe algún síntoma, a los que se les denominó Holter de Eventos o Monitores de Eventos. Los monitores de eventos cardíacos actuales con visualización en tiempo real, memoria de bucle y detección automática de anormalidades, aunque presentan excelentes prestaciones, resultan costosos debido a la alta capacidad de procesamiento y almacenamiento que deben tener. Con el propósito de hacer más asequible esta tecnología, se diseña y se desarrolla un dispositivo de monitoreo de eventos cardiacos y registro de síntomas mediante el uso de un Asistente Digital Personal (PDA). OBJETIVOS Desarrollar un sistema que permita realizar el monitoreo y registro de eventos electrocardiacos durante largos periodos de tiempo, aprovechando las capacidades de almacenamiento, procesamiento y visualización de los PDA en la implementación de instrumentos médicos. Materiales y Métodos Se diseña un módulo externo a la PDA que posibilita la adquisición y el tratamiento de las señales que provienen del paciente, teniendo en cuenta los factores de interferencia que se suelen presentar al trabajar con potenciales bioeléctricos, así como también los bajos niveles de voltaje de la señal de origen. Se desarrolla e implementa un software para la plataforma PDA tipo PALM, considerando las características de un monitor de eventos cardiacos y la filosofía técnica de las aplicaciones en Palm OS. Adicionalmente se diseña y desarrolla un software para la computadora de escritorio (PC), que permite la descarga de los datos almacenados en la computadora de mano, para su posterior análisis por parte del cardiólogo. El monitor cardiaco que se desarrolla en este trabajo es del tipo pre-sintomático, en el cual los electrodos se encuentran colocados permanentemente, y el cual cuenta con un búfer de memoria de bucle que permite que la señal ECG sea grabada continuamente y consecuentemente sea sobrescrita. Así, cuando se experimenta un síntoma, y el paciente activa el monitor, los datos almacenados en el búfer pasan a otra zona de memoria para su almacenamiento permanente. De esta forma, es posible guardar la actividad ECG antes, durante y después que el paciente experimente los síntomas. Dicha información es guardada hasta que el paciente pueda ir a un centro asistencial para ser descargada y analizada en un servicio especializado. En la figura 1 se describe el sistema que es implementado.

3 Figura 1: Esquema funcional del sistema desarrollado La grabación de la señal no sólo es activada por acción del paciente. La grabación automática es posible, gracias a la implementación de un algoritmo de cálculo de la frecuencia cardiaca en tiempo real basado en el algoritmo de detección del segmento QRS de Pan y Tompkins [4]. A partir de los rangos en que ésta se encuentre, y dependiendo de los valores normales ajustados por el especialista de acuerdo al tipo de paciente, es posible determinar la anomalía de la señal y activar la grabación. De esta manera se registran eventos en los que el paciente no es capaz de activar la grabación por si mismo. Los parámetros del monitoreo tales como el tiempo de grabación antes y después de la activación, y el rango normalizado de la frecuencia cardiaca, pueden ser configurados por el especialista según las características del paciente. Ello se realiza por medio de una ventana de configuración donde se puede seleccionar diferentes valores para los diversos parámetros, activar o desactivar la grabación automática, así como ingresar otra información relevante del paciente. La interfaz principal de la aplicación cuenta con botones en pantalla para la activación de los eventos y la visualización de la señal, con el despliegue de alguna información de interés como la frecuencia cardiaca, el tiempo de monitoreo y el número de eventos guardados; y con un campo de texto donde el paciente puede realizar sus anotaciones acerca de los síntomas. En la figura 2 se muestra la interfaz principal.

4 Figura 2: Ventana principal. Software computadora de mano. Los eventos registrados en la memoria de la computadora de mano y las respectivas anotaciones acerca de los síntomas, se descargan utilizando comunicación serial RS232 con la computadora de escritorio. Una vez los datos se encuentran en el PC se usa el software que se desarrolló para el análisis, el cual permite visualizar la señal ECG de cada uno de los eventos, los comentarios realizados por el paciente, y datos particulares del evento como la fecha, hora y duración. Tiene además la posibilidad de utilizar cursores de desplazamiento que permiten medir diferencias en niveles de voltajes e intervalos de tiempo. Cuenta con un campo de texto donde el médico puede realizar anotaciones, y adicionalmente se tiene la capacidad de imprimir reportes del estudio realizado, en los que se puede visualizar información del paciente, segmentos de interés de la señal ECG y las anotaciones del paciente y del médico. Para validar el funcionamiento del sistema se utilizaron varios métodos. Las optimizaciones realizadas en términos de manejo de la señal, visualización y detección automática de anormalidades, se efectuaron con la base de datos de arritmias del Massachusetts Institute of Technology (MIT) y el Beth Israel Hospital (BIH), con el objetivo de observar el comportamiento del software para la aplicación en la computadora de mano, al ingresar señales de diferentes pacientes y cardiopatías, midiendo el desempeño del algoritmo de detección de la frecuencia cardiaca y la correspondencia de los tiempos y amplitudes de la visualización con los valores reales. Con el fin de probar la calidad de adquisición de las señales obtenidas por el módulo externo y la respuesta del software frente a diferentes morfologías de la señal ECG, se hicieron pruebas utilizando un simulador de señales ECG marca Nihon Kohden, el cual es utilizado para calibrar los equipos de electrocardiografía. Estas pruebas se realizaron conectando los cables de los electrodos en las terminales del simulador, y programando éste para que entregara señales ECG con diferentes patologías. En la figura 3 se puede apreciar una señal del simulador con una contracción prematura ventricular.

5 Figura 3: Contracción prematura ventricular. Señal proveniente de un Simulador de ECG. RESULTADOS El software implementado en la computadora de mano permite ajustar parámetros tales como el tiempo de grabación pre y post presentación de un evento, donde el tiempo de grabación de los eventos puede oscilar entre 20 segundos y 19 minutos. Teniendo en cuenta la duración máxima de un evento se pueden almacenar al menos 98 eventos en un espacio de 16MBytes de memoria disponible. En la tabla I se muestran algunas de las características del módulo de hardware externo al PDA. TABLA I. Características del Hardware Respuesta de Frecuencia Filtros Adicionales Rechazo en Modo Común Amplificación total Frecuencia de muestreo Resolución de muestras 0.5 a 63.3Hz Elimina banda 60Hz (digital) 106dB 25.4dB 150mps 8 bits Con el prototipo se procedió a realizar pruebas en pacientes voluntarios en las instalaciones del Centro Cardiovascular Colombiano Clínica Santa María (CCCSM). Estas pruebas se realizaron en conjunto con un equipo Holter marca Del Mar Medical, para comparar la calidad de las señales obtenidas con ambos dispositivos (ver figura 4). Figura 4: Señal ECG obtenida con Equipo Holter Del Mar Medical y graficada con ayuda de Matlab En la Figura 4 se puede observar las señales obtenidas con el equipo comercial de Holter con el que se realizaron las pruebas de referencia, y comparar con las señales que se obtuvieron con el dispositivo desarrollado, según se presentan en la Figura 5, en la que se puede resaltar la estabilidad de la línea isodifásica de las señales con respecto de las representadas en la Figura 4. Permite ver que la calidad de las

6 señales es igual que la entregada por equipos de monitoreo ambulatorio de similar aplicación existentes en el mercado. Las señales ECG presentadas fueron obtenidas de un paciente de 84 años, de sexo masculino, de la Clínica Cardiovascular Santa María, quien acusa contracciones prematuras ventriculares. Figura 5: Señal ECG obtenida con el equipo CARE y analizada con ayuda del software desarrollado para el PC. DISCUSIÓN Se logró implementar un primer prototipo funcional de monitor de eventos basado en un PDA (ver figura 6), que cuenta con funcionalidades de registro de la actividad ECG previa a la activación de la grabación gracias a la propiedad de memoria de bucle; con posibilidad de detección automática de taquicardias, bradicardias y asistolias para activar la grabación; con visualización de la señal ECG y la frecuencia cardiaca en tiempo real; y con opción de hacer anotaciones y descripciones de los síntomas durante el monitoreo. Las funciones de detección y registro automático de arritmias se basan en la detección de bradicardias y taquicardias cuando la frecuencia cardiaca supera o decae por fuera de los valores normales determinados por el especialista.

7 Figura 6: Prototipo desarrollado. Hasta ahora el prototipo se ha evaluado de forma cualitativa, donde la calidad de la señal del dispositivo desarrollado CARE, es comparable a la de equipos de monitoreo ambulatorio de ECG de similar alcance existentes en el mercado. CONCLUSINOES Se pudo llevar a cabo un seguimiento eficiente del proceso de desarrollo y optimización del prototipo, ajustando convenientemente la forma de representar las señales, la validez de las escalas utilizadas, la calidad de la señal y la respuesta de los algoritmos de detección de la frecuencia cardiaca ante señales de diferentes patologías. Es necesario sin embargo, continuar con toda una labor de optimización y pruebas sistemáticas que permitan realizar una validación más extensa del prototipo desde el punto de vista cardiológico. Se reconoce la importancia de continuar con la optimización de un prototipo que pueda de una manera más económica hacer un monitoreo de eventos electrocardiacos. BIBLIOGRAFÍA 1. J. M. Ferrero, Bioelectrónica. Señales Bioel éctricas. Valencia: Serde Publicaciones (ed), 1994, p K. Scott, J. Leitch, A Neil, B. Chapman, D. Hardy y P. Fletcher. "Cardiac Event Recorders Yield More Diagnoses and Are More Cost-effective than 48-Hour Holter Monitoring in Patients with Palpitations", Annal of Internal

8 Medicine, vol. 124 Issue 1_Part_1, pp.16-20, Ene L. R Foster, Palm OS Programming Bible. Foster City: IDG Books Worldwide, Inc., 2000, p J. Pan y W. J. Tompkins. " A real-time QRS detection algorithm", IEEE Transaction on Biomedical Engineering, vol. BME-32, pp , Mar J. Tompkins. Biomedical digital signal processing. New Jersey: Prentice Hall, 1993, p Publicación: Noviembre 2005 Tope Preguntas, aportes y comentarios serán respondidos por los autores a través de la lista de Arritmias y Electrofisiología Llene los campos del formulario y oprima el botón "Enviar" Preguntas, aportes o comentarios: Nombre y apellido: Dirección de País: Argentina Enviar Borrar Dr. Diego Esandi Co-Presidente Comité Científico Correo electrónico Dra. Silvia Nanfara Co-Presidente Comité Científico Correo electrónico Prof. Dr. Armando Pacher Presidente Comité Técnico/Organizador Correo electrónico Estas empresas colaboran para la realización del Congreso: Biomédica Argentina Cardiolab S.A CETIFAC - Bioingeniería UNER Webmaster Actualización: 8-nov-05

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