desarrollo del prototipo de un sistema de adquisición de

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Revista del Instituto Nacional de Higiene “Rafael Rangel”, 2012; 43 (2)

Desarrollo del prototipo de un sistemade adquisición de datos para la digitalizaciónde la señal electrocardiográfica de alta resolución

PrototypedevelopmentofadataacquisitionsystemforECG

signaldigitalizationhighresolution

NELSON DUGARTE JEREZ1,2, RUBéN MEDINA2, RUBéN ROJAS2

ABSTRACT

This paper reports the development of a data acquisitioncard for biomedical use. The project involves developmentof hardware and software. The hardware enables acquisi-tion of 10 analog signals, at a rate of 2000 samples perchannel per second (mps) and 12-bit resolution per sample.The application software was designed for visualizing andstoring, in real time, the acquired signals. This project wasperformed aiming at developing proprietary technology, forsimultaneous acquisition of 12 leads of the standard elec-trocardiogram (ECG) including high resolution (ECGAR)features. The acquisition card was designed as part of a lar-ger project aiming at developing a high resolution electro-cardiograph, incorporating advanced digital processingtechniques for research about cardiovascular diseasessuch as the Chagas disease. The tests performed for thisacquisition card show amplitude errors lower than 0,15%and no loss of information during the communication withthe computer. It was also found that the graphical represen-tation of the acquired signals is of high quality for interpreta-tion by cardiologists.

Key words: Scanning multichannel, high-resolution elec-trocardiogram (ECGAR), cardiovascular diseases.

RESUMEN

El presente trabajo reporta el desarrollo de una tarjeta deadquisición de datos para uso biomédico. El proyecto cons-ta de una etapa de hardware y una de software. La etapade hardware permite la digitalización multicanal de 8 seña-les, con una velocidad de adquisición de 2000 muestraspor segundo (mps) en cada canal y 12 bits de resoluciónpor muestra. El software de aplicación se diseñó con la fi -nalidad de visualizar en tiempo real y almacenar en el com-putador las señales adquiridas. Este proyecto se realizóbuscando desarrollar tecnología propia, que permita la ad -quisición simultánea de los doce canales del electrocardio-grama (ECG) superficial estándar, con características dealta resolución (ECGAR). La tarjeta de adquisición de da tosreportada se diseña como parte de un proyecto, que tienecomo propósito obtener la representación digital de la señalECG multicanal, con las características adecuadas paraaplicar técnicas de análisis especializadas que permitanestudiar enfermedades cardiovasculares de metabolismoretardado, como el mal de Chagas. En las pruebas reali za -das se constató que el sistema presenta errores in feriores al0,15% en las mediciones de amplitud y no presenta pérdidade información en la comunicación del hardware con lacomputadora. También se constató que la representacióngráfica de las señales adquiridas es de muy buena calidadpara su implementación por médicos especialistas.

Palabras clave: Digitalización multicanal, electrocardio -grama de alta resolución (ECGAR), enfermedades cardio-vasculares.

1 Laboratorio de Instrumentación Científica de Medicina (LIC-M) de la ULA. Calle 32, entre avenida 4 y Don Tulio. Edificio de MicroscopiaElectrónica. Mérida, estado Mérida. Venezuela Tf: 0274-240.3171. Mail: [email protected], [email protected].

2 Grupo de Ingeniería Biomédica de la ULA (GIBULA). Avenida Don Tulio, Facultad de Ingeniería, Postgrado en Ingeniería Biomédica de laFacultad de Ingeniería. Mérida, estado Mérida. Venezuela. Mail: [email protected], [email protected].

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NELSON DUGARTE JEREZ, RUBéN MEDINA, RUBéN ROJAS. Desarrollo del prototipo de un sistema de adquisición de datos para la digitalizaciónde la señal electrocardiográfica de alta resolución. Rev. Inst. Nac. Hig. “Rafael Rangel”, 2012; 43 (2): 28-38

INTRODUCCIÓN

En la actualidad se observa un paulatino incremen-to de las enfermedades cardiovasculares(1). Uno de losmé todos más utilizados para el estudio de las patolo -gías cardiacas reside en la evaluación electrocardiográ-fica(2). Este tipo de examen consiste en adquirir y valorarlas se ñales eléctricas que se originan en el corazón delpaciente(3).

La medición de las señales cardiacas se realiza demanera no invasiva, captando la señal con electrodoscolocados sobre la piel y graficando la información obte-nida en un registro denominado electrocardiograma oECG(4). El electrocardiógrafo es el instrumento que seutiliza para adquirir la señal cardiaca. Los electrocardió-grafos comerciales normalmente adquieren y graficancada derivación durante intervalos de tiempo de al me -nos cinco segundos. La presentación gráfica del ECG serealiza en una tira de papel cuadriculado.

Dependiendo de la ubicación de los electrodos colo-cados sobre el cuerpo, la señal cardiaca captada pre-senta características diferentes, consistentes con elángulo polar que se esté visualizando (vector de polari-zación). Se han estandarizado 12 derivaciones que con-forman la representación gráfica de la señal cardiacadesde todos los ángulos(2) (3). Las derivaciones estándarson: I, II, III, aVR, aVL, aVF, V1, V2, V3, V4, V5, V6.

El ECG convencional es adquirido para visualizarseñales en un ancho de banda de 0,05 a 120 Hz. Para locual la señal se digitaliza a 300 mps y con una resoluciónde 8 bits por muestra. Esta resolución es suficiente paraobtener una forma de onda con definición suficiente parala visualización humana, pero muchos detalles se es -capan al ojo humano. Un tipo de señal que pasa desa -per cibida son los potenciales tardíos, contenidos al finaldel complejo qRS(5) (6), Fig. 1.

Para una mayor definición se utiliza el electrocardio-grama de alta resolución (ECGAR)(7) (8). El ECGAR con -siste en adquirir la señal cardiaca en un rango am plia dodel ancho de banda (0,05 a 300 Hz) y con mayor resolu-ción que el ECG convencional. Otro parámetro importan-te radica en la capacidad de adquirir las 12 derivacionesdel ECGAR en forma simultánea(9).

La mayoría de exámenes electrocardiográficos con-vencionales, no pueden detectar de manera precisa laCardiomiopatía subclínica. Los datos previos de Maeha raet al.(10) y Delgado et al.(11) sugieren que el ECGAR de12 derivaciones puede ser altamente sensitivo y especí-fico para detectar la presencia de cardiomiopatía y mani-festaciones tempranas de daño cardiaco.

El problema que se presenta es que existen muy po -cos equipos electrocardiográficos comerciales con capa-cidad de adquirir en alta resolución y simultáneamentetodas las derivaciones de la señal cardiaca.

El proyecto reportado trata sobre el desarrollo de unatarjeta de adquisición de datos (TAD) multicanal, di se ña -da para realizar la adquisición simultánea de todas lasderivaciones de las señales electrocardiográficas de altaresolución. Las señales ECGAR se adquieren con la TAD,son captadas del paciente con un amplificador diferen-cial multicanal, desarrollado con anterioridad y que ac -tual mente se encuentra en fase de prueba(12).

Este diseño está concebido como un instrumento deadquisición especializado, para ser implementado en unequipo médico, aplicable en la investigación electrocar-diográfica moderna.

En múltiples laboratorios a escala mundial se reali-zan intentos por desarrollar equipos de adquisición delECGAR, pero la mayoría de los instrumentos actualesson experimentales(13), o son sistemas desarrollados pa -ra adquirir el ECG con los requerimientos básicos de susinvestigaciones(14), por lo que presenta limitaciones enotras investigaciones.

Instrumentos como el sistema de adquisición entiem po real desarrollado por la National Aeronautics andSpace Administration (NASA)(9), representan una alter-nativa, pero es un instrumento que no estará disponibleen el comercio. En lo particular, el diseño de su software,Cardio Soft, sólo ofrece comercialmente el servicio deanálisis de señales.

Algunos instrumentos comerciales, como el “Mortara

H-Scribe II - H12+” (15), ofrecen prestaciones idénticas aFigura. 1. Detección de potenciales tardíos en el ECGAR(6).

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los requerimientos presentados en este proyecto, perosu característica de adquisición a 500 muestras por se -gundo (mps) limita el sistema en la captación de señalesde alta frecuencia.

Empresas comerciales como la National Instru -ments(16), desarrollan tarjetas de adquisición de datos ysoftware de adquisición, análisis y procesamiento, concaracterísticas de alta resolución. Pero estos productosson diseñados para usos generales y no cuentan conlas restricciones aplicadas en la normativa de instru-mentos médicos.

Cabe destacar que los instrumentos ofrecidos pores tas casas comerciales son de tecnología cerrada, locual impide realizar modificaciones en los sistemas, limi-tando las investigaciones y sus aplicaciones a lo es -tandarizado por la empresa. Adicionalmente, estos ins-trumentos son relativamente costosos, por lo que sedi ficulta su utilización en desarrollos orientados para apli-caciones en masa.

El desarrollo de este proyecto ha permitido el diseñoy la construcción de un prototipo funcional. Las pruebaspre liminares reportan un excelente funcionamiento, conerrores inferiores al 0,15% en las mediciones de amplitudy sin errores detectados en la comunicación de datos.

METODOLOGÍA

A. Características generales

La TAD desarrollada está conformada por una seriede circuitos electrónicos que permiten la digitalización deseñales analógicas bajo la normativa de funcionamiento yseguridad eléctrica aplicada a equipos médicos(17) (18).

El proyecto reportado consta de dos etapas (Fig. 2).Una etapa de hardware, con la cual se digitaliza la señalECGAR; y una etapa de software instalada en el computa-dor, con la cual se grafica y almacena la señal adquirida.

El propósito al diseñar TAD es recopilar señaleselec trocardiográficas en el computador con un alto gradode detalle. El funcionamiento de este instrumento permi-

te visualizar gráficamente las señales adquiridas y alma-cenar la data para su posterior análisis.

Las señales analógicas son adquiridas del pacientepor ocho amplificadores diferenciales con ganancia1000. Los circuitos amplificadores se desarrollaron conan te rioridad y actualmente se encuentra en su fase deprueba(12).

B. La etapa de hardware

Contiene los circuitos electrónicos que permiten ladigitalización de la señal, la transmisión de la informaciónal computador y la seguridad eléctrica del sistema (verFig. 3). Las entradas rotuladas como: I, III, V1, V2, V3,V4, V5, V6, corresponden a las señales electrocardiográ-ficas adquiridas por los amplificadores diferenciales. Lasseñales de entrada son continuas en el tiempo, con am -plitudes que oscilan entre 0 y 5 Volts (V) y con un anchode banda de 0,05 a 300 Hz.

Todo el sistema es alimentado por la fuente del USB(Universal Serial Bus), esto permite que el hardware fun-cione sin conexiones adicionales. Para esto se utilizó uncircuito de aislamiento de fuente DC a DC, de esta formano puede pasar corriente de retorno por la línea de tierra,evitando que el paciente o los operadores de este instru-mento puedan quedar expuestos a corrientes de fuga.

C. Digitalización de la señal

La etapa de digitalización, consiste en la conversiónanalógica/digital (A/D)(19), en forma casi simultánea, decada uno de los ocho canales de la señal ECGAR. Estoes posible debido a que cada vez que se efectúa el mues-treo de la señal, se realiza el multiplexado de los ocho

Figura 2. Estructura de la tarjeta de adquisiciónde datos desarrollada.

Figura 3. Diseño del hardware de la tarjeta de adquisiciónde datos desarrollada.


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canales. El dispositivo seleccionado para este trabajo esel microcontrolador dsPIC30F3013(20). Este componenteelectrónico está equipado con un convertidor A/D de 12bits y puede funcionar a frecuencias de reloj de hasta120 megahertz (MHz), basado en un circuito osciladorde precisión con un cristal de cuarzo de 4,0000 MHz.

La resolución del convertidor A/D puede calcularseempleando la ecuación 1.

Resolución = Amplitud ÷ [Nº de combinaciones] (1)

La Amplitud en la ecuación 1 está determinada por elintervalo completo dentro del cual está contenida la se -ñal analógica ECG. En este diseño, los límites de ampli-tud están comprendidos entre 0 y 5,0 V.

Dado que se está digitalizando a 12 bits, se tiene queel número de combinaciones es de 4.096 (convertido debinario a decimal: b’12 bits’ = d’4096’). De tal manera, laresolución es dada por la ecuación 2.

Resolución = ( 5 V ) ̧ [ 4096 ] = 1,22 mV (2)

Como la señal analógica adquirida del paciente esamplificada 1000 veces, la resolución real es de 1,22µV, lo que está dentro de los requerimientos de altaresolución.

Uno de los parámetros más importantes en el pro -ceso de adquisición digital de la señal es el período demues treo, el cual se define como el tiempo entre las su -cesivas conversiones A/D de la señal de entrada. Laseñal ECG convencional normalmente se digitaliza de300 a 500 muestras por segundo (mps), pero como con-secuencia del ancho de banda ampliado de la señalECGAR se requiere de una mayor velocidad de mues-treo(21). Para poder reconstruir los componentes de ma -yor frecuencia de la señal digitalizada se requiere depor lo menos 1000 mps, pero para evitar que se puedanperder detalles significativos, en este sistema se digitali-za la señal a 2000 mps.

Otro factor importante en la digitalización de la señalECGAR es la velocidad de adquisición. La velocidad deadquisición consiste en el tiempo que demora el conver-tidor A/D en generar el valor numérico, correspondiente ala amplitud de la señal en ese instante(22). Los com -ponentes de frecuencia de la señal ECGAR están pordebajo de 300 Hz, lo que implica que las frecuencias

más altas tienen un período de 3,33 milisegundos (ms).La velocidad de adquisición del convertidor implemen -tado es inferior a un microsegundo (ms), 3333 vecesmás rá pido que la frecuencia más alta de la señal, por loque puede considerarse que el número digital obtenidoco rresponde al valor de la amplitud en el momento de ladigitalización.

El microcontrolador trabaja siguiendo un listado deinstrucciones conocido como “firmware”. El firmware de -sa rrollado se diseñó en lenguaje de programación de ba -jo nivel denominado ensamblador. Se utilizó ensambladordadas las cualidades que permiten detallar los procesossecuenciales que hacen altamente eficiente el programafuncional. Para el proceso de desarrollo del Firmware seutilizó el software “MPLAB”, instalado en el computador.Este software permite la codificación del programa enensamblador, su depuración en proceso de simulación yla posterior compilación que genera el archivo final conextensión “.hex”.

El firmware se instaló en el microcontrolador utilizan-do el hardware quemador ICD 2. Este es un instrumentodesarrollado por la empresa “Microchip”, el cual se co -munica con el computador vía USB y permite transferirlos datos compilados del archivo .hex del firmware hastael microcontrolador instalado en la TAD.

D. Comunicación de datos

La comunicación de datos con el computador serea liza vía USB. El dispositivo escogido para trabajarco mo interfase USB con el computador es el circuito in -tegrado CP2102(23). Este componente electrónico secaracteriza por funcionar con muy pocos componentesexternos, posee un reloj interno con el cual puede fun-cionar de acuerdo al estándar USB2. La empresa quefabrica este dispositivo desarrolló un software que seinstala como dri ver en el computador, y permite el reco-nocimiento del puerto USB. De esta manera, el CP2102funciona en el PC como un puerto serial virtual, facilitan-do la correcta implementación de los protocolos en lacomunicación de datos. Este dispositivo puede trabajarcon una velocidad de transmisión de datos de hasta921600 bits por segundo (bps).

El intercambio de información entre la etapa de digi-talización y la interfase USB, es del tipo serial UART conprotocolo RS232 de alta velocidad. Este es un tipo detransmisión de datos asíncrona entre los bytes que se

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desean transmitir pero síncrona entre los bits de cadaby te que se estás transmitiendo; en otras palabras, elbyte de información puede presentarse en cualquier ins-tante de tiempo, pero cada bit de ese byte es transmitidoseparado por períodos de tiempo constantes definidoscomo baudios. El número de baudios por segundo de -fine la cantidad de datos que se pueden enviar por uni-dad de tiempo.

El protocolo RS232 consiste en transmitir en formaserial, paquetes contentivos de 10 bits por cada byte deinformación(24). Cada paquete de transmisión consta dedos bits de control y ocho bits de información. Los bits decontrol consisten en emitir un bit de inicio de valor lógico“0” y un bit de parada de valor lógico “1”. El bit de inicioper mite al receptor de la transmisión prepararse paraleer la información; seguidamente son polarizados losvalores lógicos del dato, y por último el bit de parada, conla finalidad de dar tiempo al sistema de prepararse parala transmisión de un nuevo dato.

Cuando se desea transmitir datos de más de ochobits de información, se deben concatenar dos o más pa -que tes consecutivos y reconstruir el dato en el softwarereceptor de la información.

Cuando se transmite o se recibe un dato, el primerode los ocho bits de información corresponde a la posiciónme nos significativa o LSB y el último bit es ocupado por elmás significativo o MSB. Por ejemplo, si se desea trans -mitir el número decimal “97”, que en binario es equivalen-te a “01100001”, la transmisión se realizaría tal co mo serepresenta en la Fig. 4.

El volumen de información está dado por el númerode bits por segundo “NB” que se desea transmitir, comose muestra en (3).

NB = Nbm * Npm * Nm * Nc (3)

Nbm indica el número de bits por muestra a transmitir.En este sistema Nbm consta de 10 bits en total, dados porun bit de inicio, ocho bits de información y un bit de para-da. Npm indica el número de paquetes por muestra: comola señal ECG se digitaliza a 12 bits implica que la in for ma -ción de cada muestra se debe transmitir en dos pa que tesconsecutivos que serán concatenados. Nm señala el nú -mero de muestras por segundo por cada canal a digitali-zar, lo cual está definido en 2000 mps. Nc es dado por elnúmero de canales a digitalizar, los cuales consisten enlos ocho canales fundamentales de la señal ECG. Contodo esto, NB puede calcularse como se indica en (4).

NB = 10 * 2 * 2000 * 8 = 320000 bps (4)

En este sistema se optó por trabajar a 500000 bps.Esta velocidad de transmisión es óptima para el disposi-tivo CP2102 y es lo suficientemente alta para transmitirlos datos muestreados en tiempo real, sin pérdida deinformación.

E. Sistema de protección

Esta TAD se diseñó para ser implementada en uninstrumento de uso médico, el cual será aplicado direc -tamente a pacientes, por lo que se han tomado las medi-das de seguridad eléctrica correspondientes a la norma-tiva de equipos médicos. Las medidas implementadastienen el propósito de evitar que el paciente o los opera-dores del instrumento puedan quedar expuestos a da ñosfísicos por efecto de la corriente eléctrica. Las me didasque se tomaron en cuenta fueron las siguientes:

• Se aisló completamente la única fuente de poder quealimenta al sistema, que corresponde a la fuente delpuerto USB.

• La comunicación de datos entre el microcontroladory el CP2102 se realiza por medio de un dispositivoopto acoplador.

• La conexión del punto común entre la TAD y los cir-cuitos de adquisición analógica es única, de maneraque no puedan formarse lazos de tierra.

Figura. 4. Secuencia de transmisión del número “97”en protocolo RS232.

El dispositivo CP2102 cuenta con una memoria dealmacenamiento de buffer de 576 bytes para la recep-ción y 640 bytes para la transmisión de datos, esto per-mite mantener en espera cualquier información que sepresente mientras se realiza la transmisión o recepciónde un dato en particular.


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• Se utilizaron dispositivos limitadores de voltaje a laentrada del conector USB.

F. El Software

Todos los algoritmos del software del sistema sedesarrollaron bajo una plataforma de software libre. Paraesto se utilizó el lenguaje interpretado “PYTHON”, traba-jando bajo la plataforma de Linux “UBUNTU”.

El software desarrollado, Programa 1, consiste en unal goritmo estructurado, diseñado con la finalidad de cap-tar la información que se transmite desde el hardware delsistema. La TAD se diseñó con el propósito de ser imple-mentada en un sistema electrocardiográfico, por consi-guiente el objetivo del software es el de presentar gráfi-camente la señal ECGAR en tiempo real y almacenar losdatos adquiridos.

Programa 1:

Inicializar variables;

Configurar puerto serial USB

Activar Buffer USB a UART;

Puerto = 460800 baudios, 8 bit por dato, 1 bit de parada;

Drivers = 0;

Repita hasta (Parar = clic)

Detectar sincronismo;

Identificar los pares de datos de ocho bits a concatenar;

Formar los bytes de 16 bits a partir de cada par de datos;

Calcular las derivaciones faltantes;

Ilustrar gráfico según derivación seleccionada;

Almacenar mediante buffer cíclico cada 5 segundos;

Fin de repita

Guardar los últimos datos adquiridos;

Salir del programa.

Cuando el hardware se conecta al puerto USB, serealiza la configuración automática del puerto serial vir-tual en el computador. Mientras el hardware esté conec-tado, en el computador se reciben continuamente 2000paquetes de 18 datos consecutivos, pero el sistema sóloto ma en cuenta los datos a partir del instante en que elusuario le ordena al software que comience la adquisi-ción. Los dos primeros datos de cada paquete confor-man un número constante e irrepetible, estos sirven co -mo sincronismo para indicar que los siguientes 16 datos

contienen la información digital del muestreo, de losocho canales de las señales analógicas.

El software está diseñado para leer el canal de co -municación y recibir los datos sin pérdida de información.Esto es posible porque cada vez que se lee un paquetede datos, se verifica que se encuentren presentes losdatos de sincronismo. Si alguno de los datos de sincro-nismo no está presente, el sistema detecta una posiblepérdida de información, por lo que detiene el proceso yemite un mensaje de error.

El paso siguiente consiste en recuperar la infor -mación de cada una de las ocho derivaciones. Se tratade identificar los datos según el orden en que llegan yconcatenar cada par de bytes de ocho bits para recupe-rar la infor mación en bytes de 16 bits.

Con los datos adquiridos, correspondientes a lasderivaciones I y III, se calculan las derivaciones faltantes.Esto se hace aplicando las ecuaciones (5), (6), (7) y (8).

La información obtenida es graficada en tiempo real,mostrando una señal a la vez, según el canal seleccio -nado. El espacio gráfico presentado en pantalla es elequivalente a cinco segundos de adquisición, el cual serefresca automáticamente cada vez que el trazado secompleta. El gráfico es presentado en un formato cua -driculado que imita al papel estándar usado en los elec-trocardiógrafos comerciales.

La información se almacena cada cinco segundos, ocuan do el usuario finaliza la adquisición. Los datos ad -qui ridos se almacenan en un archivo tipo “csv” (archivosde datos con formato ASCII), estructurado por filas de 12datos separados por comas. Cada fila contiene los valo-res obtenidos del muestreo para un instante de tiempo.Las columnas de este archivo representan los valoresde amplitud en función del tiempo de cada una de las 12de rivaciones de la señal ECGAR digitalizada.

(5)

(6)

(7)

(8)

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Este tipo de almacenamiento puede ser leído desdecualquier aplicación bajo Linux o bajo Windows, y es to -talmente exportable a otros tipos de archivos como el for-mato “xls” (archivo de Microsoft Excel) o del tipo “txt” (ar -chivos de texto). La información almacenada se utilizaráposteriormente para realizar los análisis matemáticosque permitan determinar indicadores de posibles enfer-medades cardiovasculares.

RESULTADOS

El desarrollo técnico experimental aplicado en laevolución de este proyecto ha permitido el ensambladodel prototipo funcional de la tarjeta de adquisición dedatos (Fig. 5), con las características requeridas.

En las pruebas preliminares se realizaron adquisi -ciones de señales sinusoidales, como la mostrada en laFig. 6, generadas con un oscilador calibrado.

La señal mostrada en la Fig. 6, tiene amplitud totalde 4 volts pico a pico. La leyenda sobre la gráfica indicauna resolución de amplitud en el eje vertical de 10 mil í me -tros por milivolts (mm/mV) y una velocidad de desplaza-miento en el eje horizontal de 25 milímetros por segundo(mm/s). Esto es debido a que el sistema está dise ñadopara trabajar con la señal que entrega el amplificadordiferencial de entrada. Si una señal analógica cualquierase aplica directamente a la entrada de la tarjeta de adqui-sición de datos, la amplitud se cuantifica en 10 milíme-tros por volts (mm/V).

A. Medición de errores de funcionamiento

Consiste en las pruebas realizadas para comprobarel funcionamiento de la TAD y cuantificar los errores en elfuncionamiento del sistema. Para el análisis de las seña-les adquiridas se desarrollaron algunos algoritmos deaplicación bajo el software Matlab. Los instrumentos utili -zados en las pruebas de funcionamiento fueron:

• Instrumento simulador de señales biomédicas, marcaBio-Tek, modelo LIONHEART 3, Nº de serie: 148913.

• Equipo analizador de seguridad eléctrica, marcaFLUkE, modelo 601 Pro Series.

• Generador de funciones de precisión marca HewlettPackard, modelo HP33120A.

• Multímetro calibrado, marca FLUkE, modelo 45 DualDisplay.

Figura 6. Señal sinusoidal con 4V de amplitud,adquirida por la entrada V3 de la TAD.

Figura 5. Tarjeta de adquisición de datos (TAD ECGAR)desarrollada. (a) Cara superior del circuito impreso.

(b) Cara inferior del circuito impreso.

(a)

(b)


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Prueba1:Verificacióndelacomunicaciónde

datos. Esta prueba tiene como objetivo verificar que noexista perdida de información ni datos adicionales in -troducidos por ruido, en la comunicación desde el hard-ware al computador. La prueba se realizó al comparar elnúmero de datos que se obtuvieron en adquisicionesrealizadas durante periodos de tiempo determinados,con el número de datos calculados para cada uno deestos períodos. En adquisiciones de hasta 30 minutoscontinuos no se detectó pérdida de información.

Adicionalmente, en el diseño del software se incor-poró un algoritmo de verificación de la comunicación, elcual certifica que estén presentes los datos de sincronis-mo a la cabeza de cada paquete de datos recibido. Sialgún dato se pierde, el sincronismo no se detecta y porlo tanto el funcionamiento del programa se detiene y seemite un mensaje de error.

Prueba2:Medicióndelaamplituddelasseñales

adquiridas. En esta prueba se realizó el análisis de ochoar chivos de señales adquiridas, una adquisición por cada uno de los canales de la TAD. Los archivos anali -zados contienen adquisiciones de 60 segundos de seña-les con amplitud continua (DC) obtenidas de una fuentede referencia constante de 2,5051 V. El valor de amplitudde la señal utilizada es certificado por las medidas reali-zadas con el multímetro de precisión FLUkE en el rangode voltímetro.

La medición de amplitud se realizó con aplicacionesbásicas de estadística sobre el total de los valores detodas las muestras adquiridas. El análisis de la señal de -tecta los valores máximos y mínimos, calcula el prome-dio, la desviación estándar y el error cometido con res-pecto al valor de amplitud de entrada, en cada archivo.

Cada uno de los archivos analizados incluye un totalde 120.000 muestras. Los resultados obtenidos estáncontenidos en la Tabla 1. El nombre de cada archivo estáaso ciado a la derivación correspondiente a cada una delas entradas de la TAD.

De los datos anotados en la Tabla 1, se detalla que:

• El error máximo positivo es de 0,0020 V, lo que equi-vale a 0,0798%.

• El error máximo negativo es de -0,0037 V, lo queequivale a 0,1477%.

• La máxima desviación estándar es de 0,0052.

La Fig. 7, muestra el comportamiento de los valoresde amplitud adquiridos en el total de muestras de uno delos archivos. El comportamiento de los datos es de for -ma binomial con tendencia central sobre el promedio delos datos obtenidos.

Figura 7. Comportamiento del valor de los datosdel archivo adquirido por la entrada correspondiente

a la derivación “I”.

Tabla 1

Valores obtenidos de ocho adquisiciones con la TAD

Nombre Amp. Amp. del Mín. Máx. Promedio Desviación Error

Archivo (V) (V) (V) Estándar (V)

I.csv 2.5037 2.5098 2.5067 0.0015 -0.0016

III.csv 2.4974 2.5071 2.5033 0.0026 0.0018

V1.csv 2.5061 2.5134 2.5088 0.0052 -0.0037

V2.csv 2.5010 2.5071 2.5031 0.0048 0.0020

V3.csv 2.5010 2.5071 2.5040 0.0045 0.0011

V4.csv 2.5010 2.5096 2.5043 0.0020 0.0008

V5.csv 2.5010 2.5096 2.5052 0.0011 -0.0001

V6.csv 2.4986 2.5084 2.5034 0.0031 0.0017

Prueba3:Presentacióngráficadelaseñaladqui-

rida, lo que se pretende es evaluar el resultado gráficoen la pantalla del computador. Para esta prueba se aco-pló la tarjeta de adquisición de datos con el amplificadordiferencial de ocho canales diseñado anteriormente.

La prueba consistió en realizar adquisiciones delECGAR sobre un grupo de pacientes control en la Uni -dad de Cardiología del Hospital Universitario de los

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Andes. La evaluación visual fue efectuada por médicoscardiólogos adscritos a esta unidad. Los resultados gráfi -cos indican que el instrumento desarrollado presentamuy buenas prestaciones y una elevada definición deldetalle (Fig. 8).

DISCUSIÓN

Las capacidades tecnológicas expanden las posibili-dades en el campo científico, quitando barreras que pue-dan impedir investigaciones que permitan captar, es -tudiar y controlar un mayor número de enfermedadescardiovasculares.

Existen muchos métodos para digitalizar las señaleselectrónicas y los algoritmos de procesamiento desarro -lla dos en este proyecto pueden ser superados por algúnsoftware de aplicaciones comerciales, pero el hecho decontar con tecnología propia tiene grandes implicaciones:

1. El manejo de tecnología propia conlleva una notablereducción de costos en la Implementación de estesistema. Esto permite la utilización de un mayor nú -me ro de instrumentos cardiovasculares y por consi-guiente, el mejoramiento de la salud en este campo.

2. Un caso típico que puede hacer fracasar una investi-gación científica se da cuando son discontinuadoslos equipos comerciales utilizados. El desarrollocientífico, con la implementación de instrumentosdesarrollados con tecnología propia, no se ve limi -tado con los constantes cambios de la oferta tecno -lógica comercial.

3. Los equipos desarrollados con tecnología propia pue-den ser reajustados, expandidos o rediseñados deacuerdo con los requerimientos que se presenten conla evolución de la investigación científica. Se trata delvalor tecnológico que adapta la instrumentación invo-lucrada a la expansión de las fronteras en busca delos conocimientos.

El desarrollo futuro de este proyecto está orientado acrear una plataforma de adquisición y procesamiento dela señal ECG de alta resolución utilizando las 12 deriva-ciones estándar.

Otra de las virtudes de este sistema es que se de -sarrolla con software libre, logrando reducir los costos enla implementación del prototipo. Ello permitirá que el sis-tema sea utilizado por las comunidades de menoresrecursos de la población.

CONCLUSIONES

El desarrollo del prototipo de un equipo médico re -presenta un aporte importante desde el punto de vistatecnológico. Con este diseño se pretende crear una he -rramienta médica que incorpore el desarrollo de técnicasnovedosas y avanzadas de procesamiento de la señalelectrocardiográfica.

El diseño del sistema se realizó tomando en cuentalas normas internacionales de seguridad eléctrica. Latécnica de aislamiento elimina cualquier posibilidad deque el usuario de la TAD pueda sufrir algún tipo de des-carga eléctrica.

En el diseño del sistema sólo se utilizaron compo-nentes modernos y confiables. La implementación de latecnología actual en el desarrollo de equipos médicos hapermitido la reducción de la influencia de ruido electro-magnético, el mejoramiento de las características funcio-nales de los circuitos y la miniaturización de los equipos.

Cabe destacar que el diseño se realizó pensando enel mantenimiento futuro; en este sentido sólo se utiliza-ron componentes electrónicos que de alguna manerapudieran ser remplazados por otros modelos comercia-les con el mínimo de modificaciones. Esto alarga la vidaútil del sistema, en especial si alguno de los componen-tes utilizados es discontinuado comercialmente.

El manejo de esta tecnología incorpora la posibilidadde ajustar y rediseñar el sistema a los requerimientosque se presenten. Esto posibilita la adaptación del instru-

Figura 8. Gráfica de la derivación V5 del ECGAR adquiridade un paciente control, con la TAD desarrollada acoplada

al amplificador diferencial.


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mento a las necesidades innovadoras de los investiga-dores y por consiguiente al mejoramiento de la salud enel área de la electrocardiografía.

Se debe resaltar que este proyecto es sólo parte deun desarrollo de mayor envergadura donde se pretendeconstruir el prototipo de un instrumento médico inno -vador y para conocer la seguridad y eficiencia en su apli-cación clínica debe ser sometido a estudios de investiga-ción detallados por expertos en el área médica aplicada.

Con esta investigación se busca el desarrollo de tec-nología propia en el diseño de equipo médico. Esto per-mitirá reducir los costos en instrumentos cardiovascula-res, los cuales son indispensables para la detección delas enfermedades que hoy día son la primera causa demuerte en el mundo.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a la Universidad de los Andes y a susinstituciones, como el Laboratorio de InstrumentaciónCien tífica de la Facultad de Medicina (LIC-M) y al Grupode Ingeniería Biomédica (GIBULA), por el apoyo presta-do. De la misma forma se agradece a la Unidad de car-diología del Hospital Universitario de los Andes (HULA)por su invaluable cooperación en las pruebas de valida-ción del instrumento. También se agradece a FONACITpor medio de la Misión Ciencia, a CENDITEL y al CDCHT(proyecto: I-947-06-07-A e I-1051-07-02-ED), por permitirque este proyecto sea factible.

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desarrollo del prototipo de un sistema de adquisición de

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