adquisición y procesamiento de datos

7/21/2019 Adquisición y Procesamiento de Datos

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ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO AUTOMATIZADO DELPOTENCIAL DE ACCIÓN CARDÍACO

D.G. Fainstein, M.F. Domínguez, C.M. Franke, M.C. Mántaras, A.C. Morales, C.P.A. Pennisi, I.P.Riobó & L.C. Nicola Siri

Laboratorio de Bioelectricidad – Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Entre Ríos – ArgentinaAv. Laurencena 142, (3100) Paraná, Entre Ríos, Argentina –[email protected]

RESUMENSe describe el desarrollo de un programa para laadquisición y procesamiento de los potenciales deacción cardiacos, registrados con la técnica demicroelectrodos intracelulares. El mismo realiza lamedición on–line de los parámetros que caracterizanlos potenciales de acción ventriculares: potencial dereposo (Vrep), potencial de pico (Vpico), duracionesdel potencial de acción al 30%, al 50% y al 90% de larepolarización (APD30, APD50, APD90respectivamente). El programa fue desarrollado bajoun entorno de programación gráfica, LabVIEW 5.1,para ser utilizado bajo MS-Windows.El programa fue evaluado en comparación con la técni-ca de procesamiento manual mediante cursores (off–line) arrojando valores similares, pero independientesde la subjetividad del operario ya que se promedian losparámetros para un conjunto de potenciales de acción.Adicionalmente, dado que se permite la obtención delos parámetros en simultáneo con la adquisición, dis-minuyen los tiempos de procesamiento.Los resultados obtenidos permiten concluir que el desa-rrollo cumplió con los objetivos planteados, ya que esde uso sencillo, facilitando su utilización en el trabajohabitual del laboratorio

Palabras clave: potenciales de acción cardiacos,

microelectrodos, instrumentación virtual,

procesamiento de señales

1. INTRODUCCIÓN

Los estudios de electrofisiología cardíaca permiteninvestigar la actividad eléctrica del corazón, responsa-ble de la generación y transmisión del impulso excitato-rio que da origen a la contracción mecánica del mismo.Esta actividad eléctrica puede ser explorada tanto portécnicas in vivo como in vitro [5]. Entre las técnicas in

vitro se encuentra el registro transmembranal mediantemicroelectrodos intracelulares, una técnica estándarimprescindible en los laboratorios de electrofisiologíacelular [4]. Los potenciales de acción de las célulascardíacas registrados mediante esta técnica constituyenuno de los tipos de señales más importantes para lainvestigación básica, cuyo estudio es útil para caracte-rizar los fenómenos que dan origen a diferentes situa-ciones fisiológicas y fisiopatológicas del sistema car-diovascular. Por otra parte, la acción terapéutica dedrogas cardioactivas puede comprenderse a través delconocimiento del efecto específico sobre determinadascorrientes o canales iónicos de las células cardíacas,

que modifican la morfología de los potenciales de ac-ción [2].En el caso de las células cardíacas ventriculares, elpotencial de acción (PA) se caracteriza por los si-guientes parámetros: potencial de reposo (Vrep), po-tencial de pico (Vpico), duraciones del potencial deacción al 30%, al 50% y al 90% de la repolarización(APD30, APD50, APD90 respectiva–mente) y máximovalor de la derivada del voltaje respecto del tiempo(dV/dt,max).Para la medición de estos parámetros existen progra-mas comerciales en los cuales el proceso de medición

debe hacerse off–line, mediante cursores que se despla-zan manualmente sobre los registros digitalizados. Estees un procedimiento relativamente lento, que limita elnúmero de PA que se puede evaluar en corto tiempo[1]. Además no pueden observarse cuantitativamentelas variaciones de los parámetros durante la realizaciónde los experimentos. Existen otros programas que cal-culan de forma automática los parámetros, pero estándesarrollados bajo plataforma MS-DOS, lo cual limitasus prestaciones y provee una interfase poco amigablecon el usuario.En este trabajo se presenta un programa de adquisiciónde los PA, registrados con la técnica de microelectro-

dos intracelulares, que realiza la medición on–line delos parámetros, desarrollado mediante programacióngráfica para ser utilizado bajo MS-Windows.

2. METODOLOGÍA

A continuación se describen las diferentes etapas deldesarrollo del programa. El mismo fue desarrolladobajo un entorno de programación gráfica, LabVIEW5.1, de National Instruments, que presenta una granversatilidad para el desarrollo de aplicaciones de ad-quisición y procesamiento de señales.Adquisición de la señal: Como se mencionó previa-mente, los registros de los potenciales de acción fueron

obtenidos mediante la técnica de microelectrodos intra-celulares. Se utilizó para ello un sistema de registrodesarrollado en el Laboratorio de Bioinstrumentaciónde la FI–UNER [3]. En este sistema, la señal eléctricaregistrada es acondicionada mediante un amplificadorde microelectrodos e ingresada a una computadorapersonal que cuenta con un procesador Pentium–100MHz. La digitalización se lleva a cabo medianteuna placa conversora A/D de 12 bits (PC–LPM–16PnP, de National Instruments). La frecuencia demuestreo fue establecida en 5[KHz] y el rango devoltaje de entrada en ±5[V].

Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba

950-7132-57-5 (c) 2001, Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo 00164



La señal adquirida se almacena dentro de una porciónfija de memoria dentro de la PC (buffer). De esta formael microprocesador pueda atender otras tareas simultá-neamente con la adquisición sin que se pierdan datosde la señal, puesto que los mismos permanecen tempo-ralmente dentro del buffer hasta que son leídos por elmicroprocesador o hasta que su capacidad se llena ynuevos datos son sobreescritos sobre los más viejos.Procesamiento de la señal: El programa lee los datoscontenidos en el buffer y los transfiere hacia un vector.

Cuando este vector alcanza un tamaño prefijado[TBLOQ] se inicia el algoritmo que detecta los poten-ciales de acción del registro y calcula sus parámetrosde interés.Para la detección de los potenciales de acción se cuentacon un algoritmo que evalúa cuándo la señal se mantie-ne por encima de un cierto nivel de voltaje [UMBRAL]durante una determinada cantidad de tiempo [ANCHODE PULSO]. Como resultado se obtienen los índicesde tiempo con los cuales se identifica el inicio de lospotenciales de acción individuales que componen elregistro de [TBLOQ] segundos.Para calcular los parámetro representativos del PA(Vrep, Vpico, APD30, APD50 y APD90 en nuestro

caso) se extrae del registro un PA individual, se calculael parámetro de interés sobre el mismo, y se continúacon el siguiente PA. Finalmente se calcula el promedioy el desvío estándar de cada parámetro.El Vrep se obtiene promediando una cierta cantidad[PREP] de valores de potencial previo a la aparición dela fase de despolarización rápida del mismo.En algunos casos, el artefacto del sistema de estimula-ción supera en amplitud el voltaje máximo del PA, demanera tal que no puede considerarse el máximo valorde voltaje entre el inicio de dos PA como el Vpico.Para evitar este inconveniente se procede de la si-guiente manera: dado un vector conteniendo N ele-

mentos que representan un PA completo, se construyeotro con igual cantidad de elementos. El elemento ai

del nuevo vector (con i=1,2,..,N) corresponde al ele-mento a N–i+1 del original (figura 1). Luego, partiendode i=1 se busca el primer elemento de este vector quesupera el [UMBRAL], y a continuación el primer ele-mento que cae por debajo del [UMBRAL]. Finalmentese busca entre estos dos valores el máximo voltaje y eltiempo en el que ocurre [TPICO], evitando así que elartefacto del estimulador sea considerado para el cál-culo del Vpico.

Fig. 1. Cálculo del Vpico: en azul se indica la franja que se encuen-tra por encima del UMBRAL, donde se evita considerar el artefactodel estimulador. En la abcisa los valores de tiempo se dan en milise-gundos y en la ordenada los voltajes en milivolts.

Los APD´s se obtienen luego de medir el Vpico y elVrep. Se calculan los voltajes correspondientes al 30,

50 y 90% de la repolarización, de acuerdo a las ecua-ciones (1), (2) y (3) respectivamente.

V30% = V rep + (V pico –V rep)⋅70% (1)

V50% = V rep + (V pico –V rep)⋅50% (2)

V90% = V rep + (V pico –V rep)⋅10% (3)

donde V30%, V50% y V90% son los voltajes al 30%,

50% y 90% de la repolarización respectivamente.Para medir el APD30 se busca dentro del vector, apartir del elemento ai correspondiente al [TPICO],incrementando el índice i hasta encontrar el tiempopara el cual el PA tiene un voltaje igual a V30% (t1). Sehace lo mismo después, partiendo desde TPICO perodecrementando el índice i, encontrándose el tiempo t2.Finalmente se restan estos valores de tiempo obtenién-dose el APD30%. Para obtener el APD50 y el APD90se procede de manera similar pero con los valores devoltaje V50% y V90%.

3. RESULTADOS

Uso del programa: el programa posee una pantallaprincipal (panel frontal) con 5 controles (figura 2). Elbotón ADQUIRIR inicia o detiene la adquisición;RECONFIGURAR abre una pantalla desde donde seseleccionan opciones de visualización y de cálculo(figura 3); SINTONIZAR abre otra pantalla donde seajustan variables que afectan el cálculo de los paráme-tros de los PA (figura 4); GRABAR permite almacenarun registro y los resultados de las mediciones; SALIRpara finalizar la ejecución del programa.

Fig. 2. Panel frontal del programa donde puede observarse un regis-tro que se está adquiriendo y los valores medidos de manera on–line.

Desde la pantalla de CONFIGURACIÓN se seleccio-nan las condiciones de adquisición y de visualización.Allí es posible modificar la frecuencia de muestreo, eltamaño del buffer, la cantidad de datos que el micro-procesador extrae del buffer en cada lectura (Segun-dos/Scan), el tamaño del registro que es analizado pararealizar las mediciones [TBLOQ] y el ancho de la señalque es visualizada en el panel frontal.



Fig. 3. Pantalla de configuración donde se seleccionan las condicio-nes de adquisición y visualización.

Al acceder a la pantalla de SINTONIZAR se puedenseleccionar diferentes valores de UMBRAL y ANCHODE PULSO. Esto se debe a que existen condicionesexperimentales que pueden modificar sustancialmentela morfología de los PA dificultando el algoritmo dedetección de los PA individuales que componen el

registro. Además se puede ajustar el punto inicial apartir del cual se promedian los voltajes para obtener elVrep (PORCENTAJE PREVIO) y la cantidad de pun-tos que son promediados (PUNTOS A PROMEDIAR).Cuando se presiona el botón “GRABAR” se procede alalmacenamiento de los datos (el registro de los PA) yde los resultados (parámetros de los PA), en formatoASCII, legible por cualquier planilla de cálculo o pro-cesador de texto estándar.Cabe aclarar que esta versión del programa fue ajustadaconvenientemente para satisfacer las necesidades ex-presadas por los investigadores del Laboratorio deBioelectricidad de la FI–UNER.Prueba del programa: para validar la consistencia delos resultados entregados por el programa, se adquirie-ron señales de potenciales de acción de trozos de tejidocardíaco de conejos neocelandeses de 30 días.

Fig. 4. Pantalla de SINTONÍA donde se seleccionan variables para elcálculo de los PA.

Se realizó la medición de los parámetros de los PAmediante el programa desarrollado. Se almacenaron losregistros y los resultados. Luego se llevaron a cabomediciones manuales off–line sobre los registros alma-cenados utilizando el programa Axoscope 1.0 (AxonInstruments) que permite trabajar con cursores sobre el

registro. A continuación se comparan los resultadosobtenidos mediante ambas técnicas de medición (tablaI).

Tabla IComparación entre los resultados obtenidos por la

técnica manual y por el programa desarrollado en unode los registros de PA analizados.

Parámetro

de interés

Técnica

manual

Programa

desarrollado

Diferencia

PorcentualVrep [mV] -75,2 -75,0 0,27%Vpico [mV] 25,3 25,2 0,40%APD90 [ms] 166,0 166,3 0,17%APD50 [ms] 124,0 122,2 1,48%APD30 [ms] 100,0 98,3 1,72%

4. DISCUSIÓN

La medición manual off-line de los parámetros repre-sentativos del PA no resulta adecuada cuando se pre-tende evaluar cuantitativamente los efectos de determi-nadas maniobras en simultáneo con la adquisición. Estaúltima situación es deseable porque permite realizar

cambios y/o ajustes en las condiciones de experimenta-ción a medida se observan cambios en la morfología delos PA.Adicionalmente, en la medición manual interviene lasubjetividad del operador, tanto al elegir un PA repre-sentativo del registro sobre el cual realizar la medición,como al estimar visualmente el valor del potencial dereposo, que puede estar contaminado con ruido. Ade-más, como el valor del potencial de reposo intervieneen el cálculo de los APD, un error en su estimación sepropaga a los demás resultados. En el programa desa-rrollado, el Vrep se calcula promediando un número devalores [PREP] de voltajes, por lo que se obtiene unaestimación más precisa del mismo.

Las diferencias que se consignan en la tabla I sonindicativas del grado de aproximación entre ambosmétodos, y no deben interpretarse como errores. Estodebido a que el programa desarrollado calcula los pa-rámetros promediando sobre un número mayor de PAque el método manual.

5. CONCLUSIONES

En el Laboratorio de Bioelectricidad de la FI-UNER seestudia el efecto de anticuerpos contra receptores beta-adrenérgicos sobre el potencial de acción cardiaco.Previo al desarrollo de este programa, las medicionessobre los registros digitalizados de potenciales de ac-ción se realizaba en forma manual y off-line. El pro-grama desarrollado cumplió con los objetivos plantea-dos ya que resulta de uso sencillo, facilitando su utili-zación en el trabajo habitual del laboratorio, y permitela obtención de los parámetros representativos de losPA en forma automática y en simultáneo con la adqui-sición.La programación de las variables involucradas en elcálculo de los parámetros desde la pantalla deSINTONÍA le otorga versatilidad al programa, ya quepermite que el mismo se adapte a los cambios quepueden ocurrir en la señal de PA bajo diferentes situa-ciones experimentales.



REFERENCIAS

[1] M.R. Franz, P.F. Kirchhof, C.L. Fabritz, M. Zabel. “Computeranalysis of monophasic action potentials: manual validation andclinically pertinent applications”. Pacing Clin Electrophysiol. 18 (9Pt 1):1666-1678. 1995[2] L.C. Nicola Siri. “Las bases iónicas de la actividad eléctricadel corazón”. Capítulos de Cardiología. Arritmias. IV (1): 9-44.

1994.[3]

C.P.A. Pennisi. "Sistema para el registro del potencial deacción de células cardíacas con microelectrodos intracelulares".Tesis de grado. Carrera de Bioingeniería. FI-UNER. Oro Verde.Entre Ríos. 1998.[4] R.D. Purves. ”Microelectrode Methods for Intracellular Re-cordings and Ionophoresis”. Academic Press. London – UK. 1981.[5]

M.J.A. Walker and M.K. Pugsley. “Methods in Cardiac Elec-trophysiology”. CRC Press. USA. 1998



ACQUISITION AND AUTOMATED PROCESSING OF CARDIACACTION POTENTIALS

ABSTRACT

It is described the development of a software for acquisition and processing of the cardiac action potentials, registered

with the intracellular microelectrodes technique. It does the on–line measurement of the parameters that characterizesthe ventricular action potentials: resting potential (RP), peak potential (PP), action potential durations at 30%, 50% and90% of repolarization (APD30, APD50, APD90 respectively). The software was designed under a graphicaldevelopment environment, LabVIEW 5.1, to be used under MS-Windows.The software was evaluated in comparison with the manual processing technique which uses cursors (off-line) givingsimilar values, but not dependent on the operator’s subjetivity because a set of action potentials’s parameters areaveraged. Additionaly, since it is allowed the simultaneous measurement with the acquisition, the processing timesdiminishes. The obtained results allow us to conclude that the development fulfilled the outlined objectives, since it isof simple use, facilitating its use in the habitual work of the laboratory

adquisición y procesamiento de datos

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