SOMI XVIII Congreso de Instrumentación Ingeniería Biomédica EHM1899

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1 ELECTROCARDIOGRAFO PARA PRUEBAS EN ESFUERZO BASADO EN INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL (EPESIV) A. Hernández Méndez, J.A. Moreno Espinosa Instituto de Electrónica y Computación, UTM, Carretera a Acatlima km 2.5, Huajuapan de León, Oax. CP Tel (01-953) ext RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados obtenidos de un electrocardiógrafo para pruebas en esfuerzo basado en una PC, la cual utiliza una tarjeta PCI-6024E de la firma National Intruments para la adquisición de datos y el software LabView para el procesamiento de los datos y la construcción de la interfaz con el usuario. El procesamiento digital de las señales cardiacas permite la realización de algoritmos que presentan resultados satisfactorios en la eliminación del ruido presente en dichas señales. ABSTRACT This work presents results obtained from a PC based stress test electrocardiograph. The electrocardiograph uses a PCI-6024E data acquisition board from National Instruments. Graphic User Interface (GUI) and signal processing was made using LabView software. Using digital signal processing techniques is possible to eliminate noise on cardiac signals. 1. INTRODUCCION Las enfermedades cardiovasculares son un padecimiento cada vez más frecuente en el país, pero la falta de instrumentos apropiados, principalmente en las zonas marginadas hace difícil la detección oportuna que permita tratamientos eficaces. La instrumentación virtual permite usar una computadora y mecanismos de adquisición de datos para crear instrumentos a la medida y que además pueden ser actualizables, con lo cual, un médico puede usar la computadora para procesar información y al mismo tiempo tener instrumentos médicos. Los electrocardiógrafos para pruebas en reposo requieren para un buen funcionamiento que el paciente esté muy relajado, lo cual es una condición difícil de alcanzar en algunos pacientes como niños o personas con problemas motrices como la enfermedad de Parkinson. El electrocardiógrafo presentado en este trabajo ha demostrado buen desempeño al ser usado en pacientes que realizan movimiento, lo cual aumenta la utilidad del mismo. 2. ESTRUCTURA GENERAL DEL EPESIV La figura 1 muestra la estructura general del Epesiv. Figura 1. Diagrama general a bloques del Epesiv.

2 Etapa 1 Los electrodos usados son de tipo parche con gelatina conductora y se colocan en la parte superior del tórax y parte baja lateral de abdomen, con el propósito de que permanezcan unidos al cuerpo en condiciones de movimiento por parte del paciente, tal como se muestra en la figura 2. Figura 2. Colocación de los electrodos en el cuerpo. Etapa 2 En esta etapa se acondiciona la señal aumentando su amplitud mediante el uso de amplificadores de instrumentación AD620 de la firma Analog Devices y así sea posible obtener una representación adecuada de las mismas en la tarjeta de adquisición de datos. Etapa 3 Tomando en cuenta el rango de frecuencias para las señales cardiacas de 0.1 a 150 Hz empleado por la mayoría de los electrocardiógrafos comerciales, se elige una frecuencia de muestreo de 1000 muestras/s, obteniendo así una representación adecuada de las mismas de acuerdo al teorema de Nyquist, por otro lado la tarjeta se configura de tal forma que obtenga bloques de 1500 muestras, las que son enviadas a la PC para su procesamiento. Etapa 4 En la figura 3 se muestran las actividades que se realizan dentro de la etapa de procesamiento digital de señales. Figura 3. Diagrama a bloques de la etapa de procesamiento digital de señales. Etapa 4.1 Debido a que la tarjeta de adquisición de datos proporciona tres canales correspondientes a las derivaciones bipolares cardiacas en un solo arreglo de datos, es necesario separar dichas señales para realizar un procesamiento independiente sobre cada canal. El procesamiento sobre cada canal es el mismo.

3 Etapa 4.2 La interferencia provocada por la línea de alimentación es significativa, por lo cual se utilizan filtros de tipo muesca IIR centrado en 60 Hz. El resultado del uso de éste filtro se muestra en la figura 4. Figura 4. Eliminación del ruido provocado por la línea de alimentación (a) señal de entrada, (b) señal filtrada. Etapa 4.3 Las frecuencias que contienen información importante para las señales de un ECG se encuentran en el rango de 0.1 a 150 Hz. Mediante un filtro pasa-banda se eliminan las frecuencias fuera de este rango. La señal resultante de este proceso se muestra en la figura 5. Figura 5. Eliminación de componentes fuera del rango de 0.1 a 150 Hz (a) señal de entrada (b) señal filtrada. Etapa 4.4 El ruido contenido en la señal que se muestra en la figura 5 (b) está formado por frecuencias dentro de la banda de interés, por lo que no es posible eliminarlo con un sólo filtro sin afectar la forma de la señal. Se observa que las componentes de baja frecuencia (ondas P y T) cuentan con ruido, mientras que las componentes de alta frecuencia (complejo QRS) prácticamente no lo tienen, por lo que se propone separar el complejo QRS de las ondas P y T, para realizar sobre éstas últimas un filtrado lineal que elimine el ruido y posteriormente unirlas con el complejo QRS y así obtener una señal sin ruido. En la figura 6 se muestra la secuencia de procesos que se llevan a cabo para ejecutar las acciones mencionadas. Empleando un filtro de mediana ajustado a 40 muestras, equivalentes a 0.04 segundos considerando una frecuencia de muestreo de 1000 muestras/s, se elimina el ruido de alta frecuencia junto con el complejo QRS. Al restar la salida del filtro de mediana de su entrada se recupera el complejo QRS junto con el ruido. Las ondas P y T obtenidas por el filtro de mediana se filtran obteniendo así dichas señales prácticamente sin ruido. Por otro lado, el complejo QRS se encuentra acompañado de ruido, se trata de una señal sin componente de contínua, en estas condiciones es posible usar un comparador, al que se le definen limites arriba y debajo de la amplitud del ruido, siendo el complejo QRS la única parte de la señal que excede estos límites. Al detectar el complejo QRS, se procede a determinar los límites temporales del mismo (cruces con la referencia de cero voltios), generando así un arreglo denominado máscara que indica la ubicación del complejo QRS, de tal forma que al multiplicarla por la señal que contiene altas frecuencias se obtiene el complejo QRS únicamente. Debido a variaciones que pueden presentarse en las señales cardiacas como resultado de algún padecimiento, es posible que el complejo QRS se encuentre

4 disminuido en amplitud al grado de no ser detectado, por ésta razón se invierte el arreglo máscara y se multiplica por la señal de altas frecuencias, obteniéndose así únicamente el ruido sin los complejos QRS detectados y se filtra, luego ésta señal se suma al complejo QRS detectado y finalmente a las ondas P y T filtradas. Finalmente se realiza un ajuste de escala para que las señales cardiacas presenten magnitudes de uso común en el ambito médico. Figura 6. Diagrama a bloques de la técnica del proceso de eliminación del ruido dentro de la banda de interés del Epesiv. Etapa 5 La interfaz diseñada para el usuario cuenta con indicadores digitales que muestran la frecuencia cardiaca y la duración del intervalo RR, además seleccionando una pestaña con el apuntador, se elige la ventana que se desea observar, tal como se muestra en la figura 7. Al seleccionar el botón Menú son mostradas las opciones de grabar las señales cardiacas a un archivo, leer las señales previamente gravadas y abandonar el programa. En la barra de ventanas se presentan cinco opciones: Portada: Presenta los créditos. Simultáneas: Ventana que presenta las señales de todas las derivaciones en forma simultánea, desplazándose de derecha a izquierda, figura 8. Señales individuales: Muestra un pulso cardiaco aislado, como se puede ver en la figura 9. Señal leída: Presenta una señal guardada previamente. Datos personales: despliega en pantalla los datos del paciente introducidos previamente. Para facilitar el análisis y la medición de las señales cardiacas, se dispone de una ventana que presenta la señal que se esté visualizando, cuenta con dos cursores en el tiempo y dos cursores en la amplitud, el usuario puede ajustar su posición con el apuntador y la diferencia de posición en tiempo y en amplitud se muestra en indicadores digitales como se observa en la figura 10, esta ventana puede desplegar cualquier señal activa en ese momento. Figura 7. Interfaz diseñada de usuario diseñada.

5 Figura 8. Ventana de señales simultáneas. Figura 9. Ventana de señales individuales. Figura 10. Ventana de mediciones.

6 3. CONCLUSIONES Este artículo demuestra la factibilidad de usar la computadora personal como base para construir instrumentos de uso médico, empleando una tarjeta de adquisición de datos y un software orientado a la elaboración de instrumentación virtual. Los instrumentos construidos de esta manera generalmente son de costo menor que los instrumentos tradicionales y permiten ser actualizados fácilmente instalando un nuevo programa. En la figura 11 se muestra la forma en que se utiliza el Epesiv. BIBLIOGRAFÍA Figura 11. Vista general del sistema Epesiv. 1. Arenas, J.: Electrocardiografía Normal y Patológica. McGraw-Hill, segunda edición, Caracas, Coughlin, R. y Driscoll, F.: Amplificadores Operacionales y Circuitos integrados Lineales. Prentice Hall, cuarta edición, México, García, A.: Guía Práctica de Interpretación ECG. Ergon, segunda edición, Madrid, Proakis, J. y Manolakis, D.: Tratamiento digital de señales. Prentice Hall, tercera edición, España, Welkowitz, W., Deutch, S. & Akay, M.: Biomedical Instruments, Theory and Design. Academic Press, New York, 1992.

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