ELECTROCARDIOGRAFO PARA SISTEMA ANDROID

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1 ELECTROCARDIOGRAFO PARA SISTEMA ANDROID Maestro en Mecatrónica Osvaldo José Torres Matos, Ing. Ayrton Estrella Alcocer Instituto Tecnológico de Mérida RESUMEN Sistema de monitoreo electrocardiográfico visualizable en un dispositivo ANDROID, utilizando como sistema de adquisición analógica un modulo ARDUINO, el cual también funciona como dispositivo de control maestro para todas las funciones del dispositivo. Se cuenta también con una base de datos con los datos clínicos del paciente; Toda esta información se almacena y se puede transmitir vía Internet. El sistema de adquisición de datos transmite toda la información por medio de una señal BLUETOOTH a un dispositivo ANDROID. ELECTROCARDIOGRAPHIC SYSTEM WITH ANDROID 1.1 OBJETIVO DEL PROYECTO CAPITULO I: I N T R O D U C C I Ó N Desarrollar, construir e implementar un electrocardiógrafo que pueda sustituir a los actuales dispositivos por un aparato de bajo costo, confiable, seguro y de fácil mantenimiento, que pueda desplegar sus mediciones en una tableta o celular con sistema ANDROID y que cumpla con todas las normas de funcionamiento y seguridad exigidos para este tipo de instrumental médico. 1.2 JUSTIFICACIONES Contar con un dispositivo económico de fabricación local, que haga las mismas funciones que un aparato importado de varios miles de dólares.una justificación adicional, sería que el médico o paramédico podría llevar un control más seguro de los registros de un paciente, de esta manera podría almacenar en el disco duro de su tablet o en cualquier medio de almacenamiento portátil el EKG del paciente en lugar de la clásica tira de papel como se hace actualmente en los aparatos disponibles. Ya en la tablet, los registros del paciente se podrían manejar de manera versátil: crear bases de datos completas y estructuradas, comprimir los archivos para un mejor almacenamiento, o transmitir vía internet este cúmulo de información a un centro de salud donde sería intervenido el paciente sin tener que ser trasladado de manera innecesaria FI

2 2.1 DIAGRAMA A BLOQUES SCAPITULO II: DESARROLLO DEL PROTOTIPO En la figura 2.1 se puede observar un diagrama a bloques del proyecto, el cual consta básicamente de 7 partes (cada una de las partes será tratada por separado): I. Adquisición de las señales biológicas (electrodos). II. Sistema de relevadores controlados (direccionados) por placa Arduino. III. Amplificación y Filtrado. IV. Corrección de nivel. V. Optoacoplado de la señal. VI. Conversión analógica / digital a través de placa Arduino. VII. Despliegue en una Tablet/Celular con ANDROID, base de datos, Internet. Relevadores V+ Corrección de nivel V- Vref Amplificación Opto y filtrado Arduino Control de direccionamiento BLUETOOTH Arduino Despliegue en la Tablet/Celular Figura 2.1: Diagrama a bloques del proyecto.

3 2.2 ADQUISICIÓN DE LAS SEÑALES BIOLÓGICAS Estas serán sensadas por medio de electrodos especiales (electrodos de placa metálica-plata de 3.5 a 5 cm colocados en las extremidades del tipo ventosa), la colocación de los mismos es como se muestra en la figura 2.2. Cada uno de estos electrodos tiene blindaje coaxial para evitar en lo posible que las líneas sean afectadas por el ruido. Antes de colocar los electrodos se debe limpiar con cuidado el área donde van a ser colocados. Figura 2.2: Manera de colocar los electrodos en el pecho y en las extremidades. Como se puede observar, se coloca un electrodo en cada extremidad del tórax y seis alrededor de la caja torácica a la altura del corazón. Es muy importante señalar que el electrodo situado en la pierna derecha nos sirve como referencia del amplificador, ya que como vimos en la sección marco teórico un amplificador de este tipo maneja entradas flotadas, y por lo tanto necesitamos un punto de referencia para las mismas; ya que la pierna derecha es el punto más alejado a cualquiera de los demás electrodos y no tiene un uso en las configuraciones de monitoreo la usamos como referencia. Esta referencia será la misma en el amplificador, corrección de nivel y la primera parte del opto acoplado. Es importante señalar que el individuo a estudiar debe guardar una posición cómoda y relajada, evitando sobresaltos, tensiones y/o movimientos bruscos ya que esto afecta significativamente en el registro de la señal EKG.

4 2.3 SISTEMA DE RELEVADORES Debido a que existen 12 tipos de derivaciones distintas (DI, DII, DII, AVR, AVF, AVL, V1, V2, V3, V4, V5, Y V6), tenemos que hacer llegar cada una de esas configuraciones a la entrada del amplificador, por lo tanto usamos una serie de relevadores para que sólo 2 señales pasen al mismo tiempo y lleguen al amplificador. Cabe señalar que la pierna derecha (referencia) siempre va estar conectada a la referencia del amplificador en cualquiera de las configuraciones, esto es, siempre será la tierra de esta parte del sistema. Una vez conectados todos los electrodos al cuerpo cada uno de ellos se encuentra ya sensando una señal cardíaca, se empieza eligiendo los relevadores B 1 y A 2 para que la computadora lea la configuración DI como se ve en la figura 2.3, y así sucesivamente se van dando las combinaciones de relevadores para monitorear todas las señales del EKG. En la tabla 1 se puede ver detalladamente el funcionamiento de los relevadores, o más bien la condición para switcharse. Es muy importante mencionar que la elección de cada par de relevadores es vía software, el programa manda palabras o bytes a través de la tarjeta Arduino al circuito y estas seleccionan determinado relevador. Esto se muestra en la tabla I. A1 BD A2 BI B1 B2 + - EKG C1 PI C2 Pie derecho V1 V2 V3 V4

5 V5 V6 Significado: BD: Electrodo colocado en lado derecho del tórax BI: Electrodo colocado en lado izquierdo del tórax PI: Electrodo colocado en lado de abajo/izquierda del tórax PD: Pierna derecha V1 a V6: Derivaciones precordiales Figura 2.3: Diagrama de conexión de los 12 relevadores. Electrodos Nombre del relevador que debe prenderse BD BI PI deriv B 1 B 2 C 1 C 2 A 2 A 1 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V NC DI NC + DII NC - + DIII AVR AVL AVF NC NC NC V NC NC NC V NC NC NC V NC NC NC V NC NC NC V NC NC NC V Tabla I La tabla anterior muestra las combinaciones de relevadores para dar cada una de las derivaciones, tenemos 12 relevadores (B1, B2, C1, C2, A1, A2, V1, V2, V3, V4, V5 Y V6) los cuales encendemos por medio de un nivel lógico low (bajo ó 0 digital). Por ejemplo: para

6 direccionar la derivación DI los únicos relevadores que están encendidos son B1 y A2, dado que si observamos la figura 2.3 nos damos cuenta que son los electrodos colocados en el brazo izquierdo y derecho respectivamente, que junto con la referencia de la pierna derecha tenemos ya una derivación para graficar, de la misma manera se van direccionando cada una de las configuraciones hasta completar las doce. 2.4 AMPLIFICACIÓN Y FILTRADO El circuito que usamos para amplificar y filtrar se muestra como una etapa en el circuito general del prototipo. Se trata de un amplificador de instrumentación comercial del tipo ADJ620J. Para prevenir la saturación la ganancia se divide en dos: la del amplificador propiamente: Ganancia del amplificador = y la ganancia del filtro por si mismo: Vout Vin Rs R G Ganancia del filtro R8 R7 R7 de modo que tenemos una ganancia de aproximadamente 30 en el amplificador de instrumentación y de aproximadamente 33 en el filtro, lo cual nos da una ganancia total de casi 1000: Atot= (30 x 33) = 990 Si queremos obtener un valor de aprox. 30 en la ganancia, y si tomamos Rs de un valor de 100K, según sugerencia de las hojas técnicas del AD620J, tenemos que: aprox K, por lo tanto, despejando el valor de RG, tenemos que es igual a , que para términos prácticos es un resistor de 3.3 K.El amplificador de instrumentación nos proporciona un gran factor de rechazo en modo común, necesario para la eliminación de ruido parásito generado por el medio. Ya que la señal cardiaca presenta componentes de frecuencias dentro de una banda de 0.048Hz-150Hz, y las oscilaciones de esta señal se comprenden dentro del rango de 30Hz-90Hz en condiciones de reposo, es posible considerar la amplificación del ruido ya que se encuentra dentro del rango de frecuencias de la señal. Pero esto se previene mediante el empleo del factor CMMR alto. El filtro tiene una banda de paso que va de 0.05Hz a 150Hz aprox. Los amplificadores usados para el filtro se toman de un solo chip: el TL084, que es un paquete de 4 amplificadores tipo JFET con muy bajo ruido interno y una alta impedancia de entrada, excelente para esta aplicación (Se R G

7 muestra su hoja técnica en el apéndice B). Se puede ver un sencillo diagrama del TL084 en la figura 3.4. Figura 2.4: Amplificador cuádruple del tipo JFET TL084, con bajo ruido interno. 2.5 CORRECCIÓN DE NIVEL Esta etapa del proyecto no estaba planeada originalmente, ni siquiera se contemplaba la necesidad de ella. Pero al realizar las primeras mediciones con el electrocardiógrafo ya funcionando nos encontramos con que la señal era muy inestable, ya que subía y bajaba a cualquier movimiento del individuo, al aumentar el tiempo de monitoreo, o incluso cuando se emitía algún sonido. Esta situación era preocupante ya que es casi imposible que la persona se mantenga en un estado de reposo absoluto. Filtro pasa bajos Entrada de la señal Señal de CD Salida de ECG sin nivel de CD El problema aquí era eliminar este desbalanceo o desviación de la señal, electrónicamente llamado offset. Figura 2.5a: Circuito corrector de nivel offset

8 La solución fue sencilla e ingeniosa: a la salida del amplificador se dividió la señal EKG en dos caminos, una fue enviada a un filtro pasabajos y la otra a un circuito restador. La señal que se enviaba al FPB daba como resultado a la salida del filtro una señal de cd variante que es realmente el offset de la señal EKG, este offset se le resta a la señal original de EKG y a la salida de toda esta etapa tenemos una señal EKG a la cual se le ha restado su propio offset, y no importa que tanto sea el offset de la señal EKG puesto que siempre se le restará a ella misma. Cabe mencionar también que el tiempo de respuesta es sumamente rápido y apenas si es perceptible cuando hay un desbalanceo en el sistema. En la figura 2.5b se puede ver un diagrama a bloques de la manera de corregir este problema y en la figura 2.5a vemos el circuito real que se usó. EKG con offset FPB Solo offset + - sumador EKG sin offset Figura 2.5b: Diagrama a bloques de circuito corrector de nivel offset 2.6 OPTOACOPLADO El optoacoplado se realiza con un optoacoplador como el mostrado en la figura 2.15, este es un 4N35, lo escogimos por su tamaño reducido y fácil adquisición. Además sus características lo hacen adecuado para optoacoplar la señal analógica de salida del filtro debido a que la luz que incide sobre la juntura PN (base -colector) de polarización inversa genera una corriente de base que es amplificada debido a la ganancia de corriente ( ) del fototransistor. El aislamiento de una señal de ac con una gran linealidad es relativamente fácil. Un circuito como el mostrado en la figura 3.6 con una fuente de corriente constante (10mA de dc) circulando a través del diodo del 4N35 y un divisor de voltaje en la base del transistor hace que la intensidad de la luz del diodo varíe con relación a la señal de entrada (EKG), produciendo un voltaje de ac proporcional en la base del fototransistor a la corriente del diodo. El transistor esta polarizado como un emisor seguidor.

9 Fuente de corriente 10mA 10mA R10 300K 9v voltaje de analógico EKG del corrector de offset ECG C3 33uF R9 1K Tierra del circuito A N R12 2.2K R11 100K C4 220uF Tierra analógica Figura 2.6: Acoplamiento de la señal de ECG. 2.7 CONVERSIÓN ANALÓGICA-DIGITAL (ADC) Después de que la señal ha sido amplificada y filtrada, tenemos una cómoda señal de aproximadamente 2v de amplitud y libre de ruido, esta señal se hace pasar por un optoacoplador y entra a un convertidor del tipo analógico-digital, en nuestro caso uno de los 6 que incluye la placa ARDUINO. Hay disponibles ADC más rápidos y algunos con mayor resolución que 8 bits, pero este convertidor incluido en el ARDUINO es ideal para muchas aplicaciones que no requieren un alto grado de exactitud. El ADC requiere hasta 100 microsegundos para convertir una entrada analógica de voltaje a una salida en código digital. El ADC lee el valor de un determinado pin definido como entrada analógica con una resolución de 10 bits. Esta instrucción sólo funciona en los pines (0-5). El rango de valor que podemos leer oscila de 0 a valor = analogread(pin); // asigna a valor lo que lee en la entrada pin' ARDUINO cuenta con 6 pines análogos identificados del 0 al 5. La lectura análoga se hace por medio de la función analogread(). En caso de ser necesario, estos pines también pueden ser Size Document Number REV programados como entradas o salidas digitales, identificándolos A como los pines 14 al 19 respectivamente. Date: September 7, 1997 Sheet of

10 Figura 2.7: Diagrama simplificado del ADC incluido en el ARDUINO.El convertidor tiene dos entradas analógicas, V in (+) y V in (-). Estas entradas están conectadas con un amplificador operacional interno y son entradas diferentes. Las entradas diferenciales se suman en el amplificador operacional para producir una señal para el convertidor analógico/digital interno. 2.8 DESPLIEGUE EN LA TABLET Y SOFTWARE El programa presenta un ambiente gráfico agradable al usuario. Este cuenta con un sistema de archivos el cual le permite al usuario almacenar los nombres de los pacientes, junto con las características básicas de estos. Además permite mediante la creación de un archivo tipo sistema ANDROID ligado a cada paciente almacenar fragmentos de aproximadamente 30 segundos de las lecturas obtenidas de los pacientes. 2.9 COMPONENTES DEL SOFTWARE El software esta constituido por cuatro partes básicas: I. Comunicación con el dispositivo encargado del muestreo de la señal biológica. II. Procesos de manipulación y análisis de señales, entre los que se encuentran: Procesos de filtrado Amplificación por software. III. Procesos de almacenamiento y recuperación de archivos de pacientes. IV. Procesos de interfaz con el usuario (Ventanas, botones, Impresión de reportes) 2.10 PROCESO DE MANIPULACIÓN Y ANÁLISIS DE SEÑALES Filtrar y Amplificar la Señal. Una vez tomadas las lecturas del dispositivo, ya sea que estas estén almacenadas en un archivo de paciente, o solamente se hayan cargado a la memoria, y a pesar de que las lecturas tomadas del dispositivo estén libres de ruido (lo cual depende mucho de qu e tan buena sea la tierra física de que se disponga) es recomendable someter la señal a un proceso de filtrado y amplificación x software, ya sea solo para visualizarla, o para que sea analizada. Los procesos de filtrado son relativamente sencillos, pues consisten simplemente en obtener la media de un número predeterminado de puntos e igualarlos a esta. Este proceso es realizado por un algoritmo bastante sencillo en base a la programación ANDROID.

11 Acerca del proceso de amplificación de la señal se tiene algo similar, puesto que para las necesidades de análisis de señales de electrocardiógrafos solo se necesita aumentar la amplitud, limitándose a esta única modificación del graficado PROCESO DE ALMACENAMIENTO Y RECUPERACIÓN DE DATOS Los procesos de almacenamiento de lecturas son solamente dos, y son llevados a cabo dependiendo de las funciones que se deseen, estas funciones pueden ser: Tomar una lectura completa de las doce derivaciones de la señal EKG. Tomar una lectura para monitoreo (señal DII) de cardiopatías. En el primer caso se almacena una lectura secuencial de las doce derivaciones, divida en doce lecturas independientes cada una de longitud similar, y en las cuales se encuentra una derivación diferente resultado de la conmutación de los electrodos (vía relays). En el segundo caso se almacena de manera similar al caso anterior una lectura secuencial de números enteros, pero la diferencia es que dicha lectura no esta dividida en doce partes, sino que todos los números pertenecen a la misma derivación. Para recuperar algún archivo de paciente deseado, solamente requiere ser seleccionado la base de datos, y el software sabrá si se trata de un archivo de doce derivaciones, o si es un archivo de una sola derivación, y lo visualizará en el entorno adecuado, ya sea un celular o una tableta INTERFAZ CON EL USUARIO La interfaz con el usuario se basa totalmente en un ambiente gráfico, con el propósito de ofrecer al usuario una mayor facilidad en el manejo del software. Los módulos de interfaz se mencionan a continuación en el orden que aparecen durante el desarrollo del programa. Pantalla de presentación. En esta pantalla vemos la presentación del software colocado como un icono dentro de las aplicaciones del sistema operativo ANDROID, donde podemos ingresar de lleno al funcionamiento del mismo (pulsando el icono Ekg ). Figura 2.8: Sistema ANDROID, icono de inicio.

12 Menú principal. Conectar la tablet al ARDUINO por medio del Bluetooth Iniciar electrocardiograma (Start sampling). Banco de datos (abre archivos EKG previamente grabados). Opción para salir. Figura 2.9: También podemos elegir el canal a muestrear.

13 Visualización de 2 ó 3 canales EKG Podemos elegir por medio del software si queremos visualizar 2 o 3 canales: Si presionamos enter por última vez veremos las 12 señales EKG grabadas. La visualización de un EKG completo incluye dos pantallas, a continuación la 2ª: Figura 2.10: Aquí podemos ver 6 canales desplegados (Mediciones reales) Cabe mencionar que a lo largo de los despliegues de estos menús y pantallas, se encuentran en algunos de ellos la opción de imprimir. El software esta diseñado para mandar a imprimir a una impresora estándar por medio de una conexión Bluetooth.

14 CAPITULO III: RESULTADOS Se cumplieron las metas que nos planteamos al inicio del proyecto: Desarrollar un prototipo de un electrocardiógrafo que pueda ser una propuesta segura, confiable y económica para un EKG comercial de precios elevados. Utilizar una tablet o dispositivo ANDROID para desplegar las señales de EKG de manera grafica, así como tener una base de datos del paciente. Se aplicaron diversas técnicas y conocimientos adquiridos, tales como: circuitos digitales, circuitos analógicos, sensores, actuadores, programación en tiempo real, amplificadores operacionales, filtros, etc. Utilizar una placa ARDUINO como interfaz entre el prototipo y una PC. Utilizar un modulo BLUETOOTH para la comunicación inalámbrica. Figura 4.1: Imágenes proyecto final. CAPITULO IV: CONCLUSIONES El desarrollo de este prototipo permitió trabajar con casi todas las disciplinas y/o materias del plan de estudios de la Maestría en Mecatrónica impartida en la Universidad Modelo. Se aplicaron diversas técnicas y conocimientos adquiridos, tales como: circuitos digitales, circuitos analógicos, sensores y actuadores, instrumentación electrónica, optoelectrónica, parte de electrónica industrial,

15 arquitectura de computadoras, programación, comunicaciones inalámbricas, y por último lo más importante: ANDROID y ARDUINO. Es muy importante señalar que se cumplieron las metas que fueron planteadas al principio de este proyecto. En efecto, se construyo e implemento un prototipo práctico y económico que cumpliera con las máximas condiciones de seguridad, exactitud y funcionamiento para este tipo de dispositivos. Se obtuvieron resultados satisfactorios, se puede comparar la graficación de la señal EKG en la tablet con la de algún electrocardiógrafo comercial y se verá que prácticamente no hay ninguna diferencia en cuanto a prestaciones y confiabilidad. Como un dato importante se puede comentar que se contó con asesoria de reconocidos cardiólogos del IMSS y del Instituto de Investigaciones Hideyo Noguchi. Se realizó el monitoreo de las doce derivaciones típicas en un electrocardiograma clínico, cada una de estas con la exactitud y precisión requeridas. Las pruebas realizadas con el prototipo dieron resultados satisfactorios en cualquiera de los aspectos. Cabe mencionar que hay un retardo al convertir la señal, pasarla a la tablet y graficarla, pero al ser este de algunos milisegundos, prácticamente tenemos una señal EKG en tiempo real. El propósito del desarrollo de este proyecto es meramente didáctico, no obstante esperamos que en un futuro se pudiera contar con el apoyo de alguna institución (ya sea gubernamental, de salud o privada) para poderlo desarrollar con fines verdaderamente prácticos y/o económicos. Es irónico que teniendo la tecnología y los conocimientos necesarios para desarrollar este tipo de tecnologías se tenga que recurrir al extranjero para la adquisición de estos dispositivos.

16 CAPITULO V: BIBLIOGRAFÍA Dubin, Dr. Dale (1976). Electrocardiografía Práctica. España: Editorial Interamericana, Stanley, Wolf, Richard, Smith (1992). Guía para Mediciones Electrónicas. México: Ediciones PHH Hispanoamericana, S.A. Coughlin, Robert (1993). Amplificadores Operacionales y CI s Lineales. México: Ediciones PHH Hispanoamericana, S.A., Boylestad, Robert, Nashelsky, Louis (1994). Electrónica Teoría de Circuitos. México: Ediciones PHH Hispanoamericana, S.A. Autores varios (1982). Enciclopedia Médica del Hogar. España: Editorial GROLIER Autores varios (1981). Enciclopedia de las Ciencias. México: Editorial CUMBRE, S.A. GROLIER. Fink, Donald G., Christiansen Donald (1992). Manual de Ingeniería Electrónica. México: Ediciones McGraw Hill, Interamericana de España S.A. Carr, Joseph J., Brown, John M. (1996). Introduction to Biomedical Equipment Technology. USA: Editorial John Wiley & Sons. LINEAR AND INTERFACE INTEGRATED CIRCUITS MOTOROLA INC Edition NATIONAL OPERATIONAL AMPLIFIERS DATABOOK NATIONAL SEMICONDUCTORS Edition 1995.