DISEÑO DE UN SISTEMA MEDIDOR DE RITMO CARDIACO QUE UTILIZA LA TARJETA DE SONIDO DE LA MULTIMEDIA

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1 DISEÑO DE UN SISTEMA MEDIDOR DE RITMO CARDIACO QUE UTILIZA LA TARJETA DE SONIDO DE LA MULTIMEDIA Velásquez, Y. Giraldo y M. Trujillo Grupo de Instrumentación, Instituto de Física, Universidad de Antioquia A.A. 1226, Medellín, Colombia RESUMEN El presente trabajo ilustra el diseño de un sistema medidor del ritmo cardíaco a partir de un transductor óptico y un computador provisto con la tarjeta de sonido de la multimedia. En principio, cualquier persona que tenga acceso a un computador provisto con una tarjeta de sonido convencional, un sensor óptico y un timer podría medir su pulso y analizar otros detalles de su ritmo cardíaco. INTRODUCCIÓN La adquisición de señales provenientes de organismos vivos ha tenido un gran desarrollo en las áreas de la medicina y la biología durante los últimos años. Generalmente éstas señales son débiles y comparables con otras fluctuaciones atribuibles a elementos ajenos al sistema en estudio. A menudo se utilizan equipos sofisticados capaces de diferenciar las señales del sistema de otras señales externas como el ruido, fluctuaciones térmicas, vibraciones, entre otras. El sistema diseñado puede obtener la señal del ritmo cardiaco con la tarjeta de sonido del computador más algunos elementos electrónicos de bajo costo, además trae ciertas ventajas para las ciencias de la salud pues las señales obtenidas son confiables y portan una vasta información que puede ser interpretada posteriormente por el investigador. INSTRUMENTACIÓN El transductor consta de dos dispositivos ópticos: el diodo emisor de luz infrarroja OP298 y el foto-transistor OP598 [1, 8] Alineando estos elementos se observa que la luz proveniente del fotodiodo produce una corriente a través del terminal emisor del fototransistor. Al colocar un obstáculo entre los dos elementos se observa un descenso en la corriente que dependerá del grado de opacidad de éste. Dicho obstáculo puede ser un dedo o el lóbulo de la oreja. La señal obtenida en el foto-transistor porta información de la variación en el flujo y la presión sanguínea. El circuito de los dispositivos ópticos se muestra en la figura

2 Figura 1. Diagrama del sistema transductor de la señal del ritmo cardiaco. Por lo general, las tarjetas de sonido pueden leer señales AC de frecuencias comprendidas entre 20 y Hz, la señal del ritmo cardíaco posee una frecuencia de unos cuantos Hz y por lo tanto queda por fuera del ancho de banda de la tarjeta. Se debe realizar una etapa de acondicionamiento de la señal del pulso cardiaco para que pueda ser capturada por la tarjeta de sonido. ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DEL RITMO CARDIACO El acondicionamiento de la señal del ritmo cardiaco se consigue modulando con ella una señal de 1kHz generada con un circuito timer 555 [2]. La señal del timer se conecta al terminal de alimentación del fotodiodo, con lo cual éste emite pulsos de amplitud modulada por el ritmo cardiaco y con una frecuencia de 1kHz, la cual queda dentro del ancho de banda de la tarjeta de sonido. ADQUISICIÓN DE LA SEÑAL DEL RITMO CARDIACO El programa que utiliza la tarjeta de sonido se hizo con el software LabVIEW [3], aunque pueden emplearse otros lenguajes para realizar esta tarea. Las rutinas que conforman el programa se muestran en la figura 2. Figura 2. Rutinas que conforman el programa de adquisición y procesamiento de la señal del ritmo cardiaco. 375

3 CONFIGURACIÓN DE LA TARJETA DE SONIDO La tarjeta de sonido fue configurada de la siguiente manera: Entrada: en nuestro equipo, el único dispositivo de entrada es el micrófono. Sonido: calidad monaural, frecuencia de muestreo 44100Hz y 16 bits por muestra. FILTRADO DE LOS DATOS La tarjeta de sonido lee la señal acondicionada consistente en la señal del timer modulada por la señal del ritmo cardiaco de baja frecuencia. Para recuperar solamente la envolvente del pulso se utiliza procesamiento digital de la señal para la etapa de rectificación y un filtro paso bajo que elimina el ruido y la componente de alta frecuencia proveniente del timer. Las características del filtro empleado en este experimento son las siguientes: Tipo de filtro: Filtro elíptico paso bajo. Frecuencia de muestreo: 44100Hz. Frecuencia de corte baja: fija el máximo valor de frecuencia permitido a 8 Hz. Orden del filtro: fija el número de coeficientes del algoritmo que recorta las altas frecuencias. En este caso se ha escogido un filtro de orden 10. ANÁLISIS ESTADÍSTICO Para el análisis estadístico de la señal del ritmo cardiaco se definen las siguientes variables estadísticas: NN: tiempo entre dos latidos, corresponde al período de la señal cardiaca (fig. 4). SDNN: Desviación estándar de los valores NN para un tiempo de muestreo dado. Otras variables que se pueden estimar de las medidas son la desviación estándar del promedio de intervalos NN calculados en distintos tiempos de muestreo cortos, la diferencia de tiempo entre intervalos consecutivos NN y la desviación estándar de la diferencia de tiempo entre dos intervalos consecutivos. RESULTADOS Las figuras 3 y 4 muestran la señal del ritmo cardiaco de varias personas con estado de salud normal, la figura 3 muestra una señal cardiaca típica, la figura 4 incluye el tacograma de períodos, el espectro de frecuencias, el atractor de la variable NN, los cálculos de la frecuencia, el período promedio, la desviación estándar SDNN, y el tiempo de muestreo de 376

4 cada persona. Omitimos el cálculo de las demás variables estadísticas ya que va más allá del propósito de éste trabajo. Basados en la literatura Ref. [4], podemos decir que la señal obtenida está relacionada con la presión intravascular. Además de estimar el pulso cardiaco, nuestro sistema permite medir otro tipo de fluctuaciones, como las debidas a la respiración, las ondas debidas a las variaciones de la presión en las aurículas derecha (A) e izquierda (A.I), y las presiones en los ventrículos derecho (V) e izquierdo (V.I) entre otras, como se muestra en la figura 3. El análisis médico de estos resultados va mas allá del propósito de este trabajo, no obstante éste puede encontrarse en las Refs. [4], [5], [6] y [7] Figura 3. Señal cardiaca, A, A.I., V y V.I. : variación de presión de las aurículas derecha e izquierda y de los ventrículos derecho e izquierdo, respectivamente. La línea punteada representa la onda asociada con la respiración. 377

5 (a) (b) Figura 4. (a) Registro del ritmo cardiaco de la persona 1 para un tiempo de muestreo de 10 segundos, (b) Registro de la señal del ritmo cardiaco de la persona 2 para un tiempo de muestreo de 20 segundos. 378

6 CONCLUSIONES 1. Es posible capturar la señal del ritmo cardiaco con la tarjeta de sonido de la multimedia más un transductor óptico de bajo costo. 2. Los datos capturados con este sistema permiten realizar estudios amplios de la señal del ritmo cardiaco. 3. Las variables de la señal del ritmo cardiaco calculadas están de acuerdo con las presentadas en otras publicaciones [4-7] 4. Por su bajo costo, el sistema diseñado es una alternativa para monitorear el ritmo cardiaco de los deportistas, los enfermos, los animales, entre otros. 5. Este trabajo sirve como base para otros trabajos que pretendan capturar y analizar señales similares a la del ritmo cardiaco. REFERENCIAS [1]. Optek Technology, Inc, GaAlAs Plastic Infrared Emitting Diodes, Types OP293 and OP298 Series, Product Bulletin OP293 July [2]. Texas Instruments, Linear Circuits Data Book, [3]. LabVIEW 5.1 Reference Manual. [4]. George W. Thorn, Raymond D. Adams, Eugene Braunwald, Kurt J. Isselbacher, Robert G. Petersdorf., Medicina Interna Harrison Tomo II, 5a. Edición en español (1979), Pág [5]. European Society of Cardilogy and North American Society of Pacing and Electrophysiology, Heart Rate Variability. Standards of Measurement, Physiological Interpretation and Clinical Use. Revista Circulation Vol. 93, Nº 5. March 1, [6]. Gary M. Friesen, Thomas C, Jannett. A Comparison of the Noise Sensitivity of Nine QRS Detection Algorithms, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 37 nº 1. January [7]. Mario Merri, David C. Farden, Jack G. Mottley and Edward L.Titlebaum, Sampling Frequency of the Electrocardiogram for Espectral Analysis of the Heart Rate Variability, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 37 nº 1. January [8]. John Jairo Naranjo, Medidor de ritmo cardiaco. Revista electrónica y computadores, editorial CEKIT. 379

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