maría de los a. gómez lópez myriam c. herrera, carla b goy
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TECNOLOGÍA FPGA APLICADA A LA SALUD CARDIOVASCULAR:
Medidor de volumen intraventricular embebido en
dispositivo FPGA
María de los A. Gómez LópezMyriam C. Herrera, Carla B
GoyFrancisco A. Migliorino, Juan B.
AcuñaUniversidad Nacional de Tucumán
Misión a plazo Implementar un monitor hemodinámico
implantable para medir la función ventricular izquierda
INTRODUCCIÓNLa Insuficiencia Cardíaca Congestiva (ICC) afecta la
capacidad del corazón para bombear eficientemente la sangre al resto del cuerpo resultante de
condiciones patológicas
El corazón como bomba. El ciclo completo se puede dividir en tres períodos:
Contracción de aurículas Contracción de ventrículos, Relajación de aurículas y
ventrículos
CONSECUENCIAS DE LA INSUFICIENCIA CARDÍACA
American Heart Association Heart Disease and Stroke Statistics 2005 Update Dallas Tx / AHA 2005
Estados Unidos5 000 000 IC / 200 000 muertes
1 000 000 ICA / añoMortalidad a 60 dìas: 10%
Reinternaciòn a 60 dìas: 25%Costos: 30 billones de US anuales
Insuficiencia Cardiaca Aguda Epidemiología
CONSECUENCIAS DE LA INSUFICIENCIA CARDÍACA
Registro Nacional de Internación por Insuficiencia Cardíaca 2007. Rev. argent. cardiol. v.77 n.1 Ciudad Autónoma de Buenos Aires ene./feb. 2009
ArgentinaSobre 31 centros hospitalarios de todo el país
Mortalidad : 8%Internación en último año: 47%Reinternación a 90 días: 24,5%
CAUSAS MÁS IMPORTANTES DE LA INSUFICIENCIA CARDIACA
Causas
Hipertensión arterial: produce sobrecarga
paulatina y crecimiento del corazón (hipertrofia ventricular izquierda).
Enfermedad coronaria: obstrucción parcial o total de una o más
arterias coronarias por distintas causas.
Infarto Agudo de Miocardio: Muerte de las
células musculares cardíacas (miocitos)
Miocardiopatías: procesos inflamatorios del
músculo cardíaco.
Valvulopatías: Enfermedades de las válvulas cardíacas que restringen el paso de la sangre a las cavidades (estenosis)
o no pueden evitar que ésta retorne (insuficiencia valvular).
Consumo de sustancias tóxicas: alcohol o las drogas
Otros factores: Aquellos que llevan a que el corazón
sobrepase su capacidad volumétrica como la anemia
o el hipotiroidismo
Detección de la Insuficiencia Cardiaca
Diagnóstico de la Insuficiencia
Cardiaca
Exámenes de sangre: Determinaciones de glucemia,
niveles de sodio, potasio y keratina.
Electrocardiograma: Funcionamiento eléctrico del
corazón
Radiografía del tórax: Informa sobre condiciones de
crecimiento anormal del corazón
Ecocardiograma: Estudio dinámico del corazón mediante
ultrasonido.
Prueba de esfuerzo: Realización de un
electrocardiograma dinámico
Gammagrafía cardíaca: Estudio de Medicina Nuclear que inyecta una
sustancia radiactiva (radioisótopo) en la circulación
Arteriografía coronaria: Inyecta una sustancia radioopaca
directamente en las arterias coronarias y se observa mediante
rayos X.
Cateterismos: Técnica catéter de conductancia.
DPV
Conductance Catheter
CONSIDERACIONES SOBRE LA TÉCNICA
Evaluaciónfunción ventricular y contractilidad en procesos quirúrgicos. (Wu et al , 1997; Caputo et al , 2000; Tulner et al , 2006; Lim et al , 2008),
monitorear el efecto de drogas (Ohno et al , 2008)
TÉCNICA INVASIVA
Gold standardConcepto:“monitoreo hemodinámico” de cardiópatas (Al-Khalidi et al , 1997; Ohlsson et al , 1998; Yamakoshi et al , 1999; Steendijk et al , 2004; Soderqvist et al , 2006; Bal et al , 2008),
Con los desarrollos de marcapasos (de Cock et al , 2007) y defibriladores implantables
Se trata de dispositivos implantados en el paciente, capaces de medir parámetros hemodinámicos y comunicarlos a dispositivos externos por técnicas telemétricas (Wadas et al , 2005).
NUEVOS BRIOS
....Qué nos proponemos:
- Electrodos para medir la conductancia intracavitaria con un sensor de presión, - Dispositivo implantable similar los marcapasos, - Transmisor-procesador externo comunicado con tecnología wireless(CM) con una PC- PC con software dedicado,- Calibración de volumen y función cardíaca (por operador externo)- ECG externo simultaneo
Dispositivos de monitoreo ambulatorio
Parámetros hemodinámicos monitoreadosFunción del ventrículo izquierda (LV) directamente
relacionada con la función del corazón como bomba. Se mide por: - Fracción de eyección del LV (LVEF); dependiente de la contractilidad (precarga y poscarga). - Determinación del volumen del LV -volumen de fin de sístole (LVESV) y el volumen fin de diástole (LVEDV) son mas usados para predecir un resultado clínico. - El monitoreo simultaneo del volumen del LV y la presión
permiten caracterizar el funcionamieto como bomba del corazón mediante los diagramas presión-volumen.
- La presión de llenado del LV y el LVED son marcadores confiables de medida de la prograsión de la ICC.
Kadhiresan et al. Stud Health Technol Inform. 2004.Lee et al, Ann Pharmacother 2002.En el lado izquierdo del corazón,
-El Volumen LV se obtiene por la técnica catéter de conductancia-La presión del LV se obtiene con sensores miniturizados
ObjetivoMonitoreo Ambulatorio de la función cardíaca de pacientes con IC crónica para optimizar el tratamiento a largo plazo
Construir un equipo de volumetría cardíaca para uso experimental con hardware mínimo
Dispositivo implantable
FUNDAMENTOS TEÓRICOS. IMPEDANCIMETRÍA
UI
IUZ
Impedancia
ρ
L
S
SLR .
ρ: ResistividadL: LongitudS: Sección transversal
Resistencia
RZ En el caso de la sangre:
VOLUMETRÍA CONDUCTIMÉTRICA
ρ
L UI
VOLUMETRIA CARDÍACA
ρ
L UI
I
GLV .. 2
L1L2L3L4L5
CATÉTER DE CONDUCTANCIA ( BAAN, 1981 )CONDICIONES IDEALES
L1L2L3L4L5
I
GLV .. 2
i
i2
iiTotal G.L.VV
Real ti
me
El volumen de cada cilindro es:
Donde :ρ es la resistividad de la sangreSi es la sección transversal del iesimo-cilindro de volumen Vi= Si*L.L= distancia interelectródicaVseni(t): tensión sensada.IREF(t): corriente inyectada.
isen
REFi v
ILVolumen .. 2
REF
isenmedmed
isen
REF
IvZY
vI
CATÉTER DE CONDUCTANCIA ( Baan, 1981 )Condiciones Reales
Los nuevos estudios afirman que la admitancia ventricular no solo es una conductancia pura sino que en realidad contiene una componente capacitiva. Esta capacidad es debida exclusivamente al musculo miocárdico y por lo tanto hay que restarla de la medición.
Cm: capacitancia del miocardio [F]
|Ymeas|: magnitud de la admitancia [S]
Ф: fase de la admitancia [grados]
gm: conductancia del miocardio. [S]
f : frecuencia de la señal inyectada [Hz] σ: conductividad del miocardio Ԑ: permitividad del miocardio
Fundamentos Teóricos de la medición de admitancia (Wei &Wu , 2008)
gb: Conductancia de la sangre [S]|Ymeas|: Módulo admitancia ventricular medida. [S]Ф: Fase medida [grados]gm: Conductancia del miocardio [S]
Fundamentos Teóricos de la medición de admitancia
Calibración de admitancia a volumen
Ecuación clásica de Baan
Ecuación de Wei
Asume campo eléctrico homogéneo
No asume campo eléctrico homogéneo
Medición de fase
Medición de MagnitudCaracterísticas de la señal sensada en cada sección del catéter.
Esquema General del Sistema
Esquema etapa digital en FPGA (Flex10k70 Altera)
Bloque Lógico Fase
Simulación del bloque lógico Fase
Fundamentos de la detección de picos
Bloque Lógico Módulo
Simulación Bloque Lógico Módulo
Bloque Lógico Multiplexado y Transmisión
Trama de datos. Protocolo RS232
Simulación Bloque Multiplexado y Transmisión.
Pruebas de BancoMedición de Fase utilizando circuito desfasador.Medición de Módulo y Fase utilizando un
modulador AM y el circuito desfasador.Medición con impedancias patrones conocidas.
Medición de Fase utilizando circuito desfasador
Resultados Medición Fase
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
f(x) = 0.97448708950223 x + 1.25985599554094R² = 0.994370153468883
Desfasaje medido en Osciloscopio [grados]
Desf
asaj
e m
edid
o en
Equ
ipo
[Gra
dos]
Medición de Módulo y Fase utilizando un modulador AM y el circuito desfasador.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
50
60
70
80
f(x) = 0.913068023724929 x + 2.55394383978425R² = 0.996663135848208
Desfasaje medido por el equipo [Grados]
Desf
asaje
med
ido
po el
osc
ilosc
opio
[Gra
dos]
Volver
Medición de Fase utilizando circuito desfasador mas modulador
Medición de módulo utilizando circuito desfasador mas modulador
Osciloscopio
N°
Frecuencia medida por Osciloscopio
[Hz]
Módulo [V]
PC
N°Frecuencia medida por Equipo [Hz]
Módulo [V]
Max. Mín. Max. Mín.
1 1 2 0,6 1 1 2 0,72 5 2 0,6 2 4,7 2 0,73 13,7 2 0,6 3 13,22 2 0,74 20 2 0,6 4 19,4 2 0,75 28,4 2 0,6 5 28 2 0,76 60 2 0,6 6 58 2 0,77 78 2 0,6 7 79,5 2 0,78 89 2 0,6 8 87 2 0,79 102 2 0,6 9 97 2 0,7
10 140 2 0,6 10 145 2 0,711 200 2 0,6 11 175 2 0,712 240 2 0,6 12 218 2 0,5
Medición con Impedancias Patrones
Medición del módulo y ángulo de Impedancias patrones
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
1
2
3
4
5
6
f(x) = 0.0935718734123277 x + 0.0598747889932314R² = 0.918493388608109
Tensión medida vs módulo impedancia patron de entrada |Zp| de una sola sección
Sección 5Linear (Sección 5)
|Zp| de entrada [Ω]
Valo
r de t
ensió
n [V
]
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
f(x) = 0.962890625 x − 1.423828125R² = 0.993453250348797
Ángulo de Zp esperados vs Ángulo de Zp medidos por el equipo.
Sección 1Sección 2Sección 3Sección 4Sección 5
Ángulos Zp esperados [Grados]
Ángu
los
de Z
p m
edid
os p
or e
l equ
ipo
[Gra
dos]
Medición del Ángulo de Impedancias patrones
Conclusiones (1) Se ha construido y probado un equipo capaz de medir
fase y módulo de la impedancia de cada sección de un sistema conductimétrico multielectródico de volumetría implementado en un dispositivo FPGA.La funcionalidad de la etapa digital y analógica del equipo han sido probadas con los diagramas temporales y pruebas de banco respectivamente.
RANGO DE MÓDULO de impedancias : 6,8Ω a 47Ω por sección.
RANGO DEL ÁNGULO DE DESFASAJE: 2° a 90°. Los elevados valores de correlación del 0,9 obtenidos en
las mediciones de fase permiten concluir que la respuesta del sistema es lineal.
Conclusiones (2) No se hicieron pruebas todavía con impedancias
biológicas A pesar de que las pruebas de banco son aceptables,
es necesario realizar lazos presión volumen, para determinar la correcta evaluación de la función cardíaca
Este sistema incorporado a un monitor hemodinámico implantable tiene la ventaja de obtener las señales del LV en forma continua.
DEECDepartamento de Electricidad,
Electrónica y ComputaciónFACET-UNT
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