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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN EQUIPO SIMULADOR DE LA SEÑAL
ELECTROCARDIOGRÁFICA PARA EL MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE
ELECTROCARDIOGRAFOS REALIZADO POR LA EMPRESA INNOVATEC S.A
PEDRO ALEJANDRO BURBANO ROJAS
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
DIVISIÓN DE INGENIERÍAS
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ
2018
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN EQUIPO SIMULADOR DE LA SEÑAL
ELECTROCARDIOGRÁFICA PARA EL MANTENIMIENTO PREVENTIVO DE
ELECTROCARDIOGRAFOS REALIZADO POR LA EMPRESA INNOVATEC S.A
PEDRO ALEJANDRO BURBANO ROJAS
Proyecto en modalidad de práctica empresarial para obtener el título de
Ingeniero Electrónico.
Asesor
Eduard Galvis Restrepo, PhD Universidad Santo Tomás
Co-asesor
Ing. Pablo Andrés Carreño Chaves INNOVATEC
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
DIVISIÓN DE INGENIERÍAS
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ
2018
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCION ..............................................................................................................................8
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................................9
2. ANTECEDENTES .................................................................................................................. 10
2.1 Simulación numérica en medicina .......................................................................... 10
2.1.1 Simuladores de enseñanza médica................................................................. 10
2.1.2 Simuladores de servicio técnico o prueba de equipos médicos ............ 10
2.2 Simulador ECG ............................................................................................................. 11
3. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... 13
4. OBJETIVOS ............................................................................................................................ 14
4.1 General ............................................................................................................................ 14
4.2 Específicos .................................................................................................................... 14
5. MARCO CONCEPTUAL ....................................................................................................... 15
5.1 Electrocardiógrafo ....................................................................................................... 15
5.2 Electrocardiograma (ECG) ......................................................................................... 15
5.3 Derivaciones de la señal ECG .................................................................................. 16
5.3.1 Derivaciones Bipolares ...................................................................................... 16
5.3.2 Derivaciones Unipolares .................................................................................... 17
5.3.3 Derivaciones Precordiales ................................................................................. 18
6. DISEÑO METODOLÓGICO ................................................................................................. 20
7. EJECUCION DEL PROYECTO ........................................................................................... 21
8.1 Base de Datos PhysioNet .......................................................................................... 23
8.2 Tarjeta de desarrollo basada en microcontrolador ............................................. 24
8.2.1.1 Algoritmo de generación de la señal .......................................................... 26
8.2.1.2 Algoritmo de visualización ............................................................................ 26
8.2.1.3 Algoritmo de control ....................................................................................... 29
8.3 Desarrollo de Circuito Electrónico .......................................................................... 29
8.3.1 Sección de Control .............................................................................................. 32
8.3.2 Sección de Interfaz grafica ................................................................................ 33
8.3.3 Sección de atenuación de la señal .................................................................. 34
8.4 Montaje y resultados ................................................................................................... 37
8.4.1 Conexiones entre tarjeta de desarrollo Arduino DUE y circuito
electrónico. ............................................................................................................................ 38
8.4.2 Materiales ............................................................................................................... 40
8.4.3 Resultados ............................................................................................................. 41
8. CONCLUSIONES .................................................................................................................. 54
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .......................................................................................... 55
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Características técnicas de la tarjeta de desarrollo Arduino DUE. ......................... 25
Tabla 2. Amplificadores de instrumentación para aplicaciones electromédicas. ................ 30
Tabla 3. Materiales utilizados para desarrollo del proyecto .................................................... 40
Tabla 4. Características de las señales generadas por el simulador ECG implementado. 45
Tabla 5. Comparación Simulador implementado y Simulador Comercial. ........................... 52
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Señal ECG [19]. ............................................................................................................ 16
Figura 2. Ubicación de electrodos para obtener las derivaciones bipolares [21]............... 17
Figura 3. Derivaciones Unipolares en el plano frontal. La figura (a) corresponde a la
derivación aVR, la figura (b) corresponde a la derivación aVL y la figura (c) corresponde a
la derivación aVF [22]. ................................................................................................................... 18
Figura 4. Ubicación en el pecho de las derivaciones precordiales [24]. ............................... 19
Figura 5. Esquema general de las etapas de desarrollo. ...................................................... 22
Figura 6. Primer paso a seguir. .................................................................................................. 23
Figura 7. Segundo paso a seguir............................................................................................... 24
Figura 8. Pasos para incluir librería en software Arduino IDE. En la figura (a) se muestra
donde se debe proceder para gestionar la librería. En la figura (b) donde se busca y se
descarga la librería. ....................................................................................................................... 27
Figura 9. Distribución pantalla TFT. .......................................................................................... 28
Figura 10. Interfaz gráfica simulador ECG. .............................................................................. 28
Figura 11. Diagrama esquemático implementado. ................................................................. 30
Figura 12. Diseño del Circuito eléctrico implementado. .......................................................... 31
Figura 13. Configuración Pul-Down............................................................................................ 32
Figura 14. Sección de control del equipo simulador ECG. .................................................... 32
Figura 15. Pantalla TFT 2.2”. En la figura (a) cara frontal de la pantalla. En la figura (b)
cara posterior dela pantalla. ......................................................................................................... 33
Figura 16. Sección de interfaz gráfica. ...................................................................................... 34
Figura 17. Sección de atenuación de las señales. ................................................................. 35
Figura 18. Amplificador configurado en seguidor de tensión. ............................................... 36
Figura 19. Esquema de un divisor de voltaje. .......................................................................... 36
Figura 20. Conexión de alimentación entre la tarjeta de desarrollo y el circuito
electrónico. ...................................................................................................................................... 38
Figura 21. Conexión entre tarjeta de desarrollo Arduino DUE y sección de interfaz gráfica
en el circuito electrónico. ............................................................................................................... 39
Figura 22. Conexión entre tarjeta de desarrollo Arduino DUE y Sección de control. ........ 39
Figura 23. Conexión entre tarjeta de desarrollo Arduino DUE y testigos de frecuencia de
la señal ECG generada. ................................................................................................................ 40
Figura 24. Señales generadas por el Simulador ECG. .......................................................... 42
Figura 25. Frecuencias posibles para cada señal generada por el simulador ECG. ........ 46
Figura 26. Señal de ruido. ........................................................................................................... 47
Figura 27. Señales generadas por el simulador ECG agregando la señal de ruido ......... 48
Figura 28. Señales representadas en la interfaz gráfica del simulador ECG. .................... 50
Figura 29. Simuladores ECG. ....................................................................................................... 51
8
INTRODUCCION
Los equipos simuladores dentro del ámbito de la salud son de vital importancia
para las entidades que prestan el servicio de salud como hospitales, centros de
salud e Instituto prestador de salud (IPS), ya que estos equipos permiten verificar
y comprobar que el funcionamiento de los diferentes equipos médicos sea el
adecuado. Esto garantiza que a la hora de hacer uso de los dispositivos médicos
con un paciente, los resultados generados por estos sean completamente reales
respecto a la salud o condición física en la que se encuentre el paciente en
cuestión. Es por esto que en Colombia rigiéndose por el decreto 1769 del
ministerio de salud es altamente recomendable realizar un constante
mantenimiento a los equipos médicos de las diferentes entidades de salud.
Para cualquier empresa que preste el servicio de mantenimiento preventivo a
equipos médicos y hospitalarios es vital contar con los equipos y herramientas que
permitan realizar dicha actividad de manera eficiente y responsable, garantizando
el beneficio tanto para la entidad cliente como para la empresa prestadora de
dicho servicio.
Por su parte en la empresa Innovatec S.A se prestan diferentes servicios tales
como: mantenimiento a equipos electrónicos industriales, instalación de
dispositivos de seguridad (cámaras y alarmas) y también se realiza el servicio de
mantenimiento preventivo a equipos médicos u hospitalarios. Dentro del último
servicio al que se dedica Innovatec, se tiene clientes de diferentes municipios del
departamento de Nariño en Colombia.
El proyecto desarrollado en este documento fue el diseño e implementación de un
simulador de electrocardiografía (ECG), el cual permite generar las diferentes
señales de las derivaciones bipolares, las derivaciones unipolares, las
derivaciones precordiales y dos señales de patologías. Además el simulador tiene
una interfaz gráfica desarrollada en una pantalla TFT, donde se muestra al usuario
una representación gráfica de la señal con sus respectivas características.
9
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La empresa Innovatec es una Mipymes, que presta diferentes servicios entre los
cuales está el mantenimiento preventivo a equipos médicos y hospitalarios,
teniendo en cuenta diferentes normativas de regulación, entre las cuales se puede
mencionar: decreto 1769 de 1994 del ministerio de salud, decreto 4725 de 2005,
resolución número 2003 de 2014, todas estas permiten que el mantenimiento
preventivo, regulación y habilitación de equipos médicos y hospitalarios se realice
de manera adecuada entendiendo esto como la actividad técnico-administrativa
dirigida principalmente a prevenir averías [1] [2] [3] . Es por esto que a la hora de
realizar el mantenimiento preventivo a equipos médicos se debe contar con
módulos especializados que permitan realizar dicho procedimiento de forma
adecuada y eficiente [4].
En el departamento de Nariño, Colombia en la mayoría de centros de salud e IPS
de los municipios donde se desarrolla el mantenimiento preventivo de equipos
médicos y hospitalarios por parte de la empresa Innovatec se debe contar con los
módulos e instrumentos especializados para realizar dicha actividad. Esta consiste
en realizar inspecciones periódicas a equipos e instrumentos, haciendo tareas de
limpieza, lubricación, ajuste y comprobación. En este caso, la empresa Innovatec
realiza esta actividad cada tres meses, sin embargo si existe algún inconveniente
en el transcurso de ese tiempo la empresa Innovatec hace una inspección al
equipo o equipos médicos que estén presentado inconvenientes.
Sin embargo a la hora de realizar los procedimientos de mantenimiento en algunos
equipos electromédicos, la empresa Innovatec solo se cuenta con un módulo
especializado para realizar esta actividad, lo cual genera que el tiempo empleado
para revisar e inspeccionar todos los equipos con los que cuente cada centro de
salud e IPS sea significativamente grande. Además, a la hora de realizar el
mantenimiento preventivo en un municipio lo ideal es que se realice en todos los
centros o IPS de ese municipio el mismo día, pero al no contar la cantidad
suficiente de módulos especializados (Simulador ECG), esto no es posible,
generando que los gastos de transporte sean mayores ya que se planearían más
de un día de mantenimiento preventivo a un municipio determinado dependiendo
de los centros de salud e IPS a los que se debe asistir a realizar dicha actividad.
Además, en la actualidad existe variedad de Simuladores ECG, los cuales
permiten verificar el buen funcionamiento de los equipos electromédicos, sin
embargo la realidad es que el costo de estos equipos es elevado [5], dificultando
la adquisición para las Mipymes con poco presupuesto como Innovatec.
10
2. ANTECEDENTES
La instrumentación médica es utilizada en el sector de la salud como auxiliar
fundamental en la medicina, la instrumentación medica quien se da a la tarea de
desarrollar diferentes herramientas y equipos que facilitan obtener información
sobre la salud de pacientes. Con la información obtenida por estos equipos
médicos se puede realizar un diagnóstico de la salud del paciente como también
ver la funcionalidad de los diferentes sistemas del organismo de dicho paciente.
En la instrumentación médica existen equipos que permiten obtener imágenes,
diagnosticar, suplir funciones de algunos órganos y también están los simuladores
que permiten comprobar el funcionamiento correcto de los equipos médicos [6].
Entre las variadas acciones que se pueden realizar con equipos electrónicos y que
actualmente son utilizados a nivel nacional e internacional, se destacan:
2.1 Simulación numérica en medicina
La simulación numérica se entiende como la reproducción de un hecho de la
realidad logrando su repetición indefinida, la cual facilita un análisis pausado,
metódico, sin condicionantes para permitir que personas experimenten la
representación de un evento real con el propósito de practicar [7]. En el caso de
los simuladores médicos hay dos tipos: de enseñanza médica y de servicio técnico
o prueba de equipos médicos.
2.1.1 Simuladores de enseñanza médica
Estos simuladores son los que permiten reproducir un hecho o evento cotidiano
dado en el ámbito médico, donde su principal objetivo es la enseñanza a médicos,
enfermeras (os), internos, residentes y estudiantes los cuales podrán mejorar sus
habilidades en procedimientos médicos, como en el análisis de las condiciones del
paciente [8].
2.1.2 Simuladores de servicio técnico o prueba de equipos médicos
Estos simuladores son los que permiten generar señales similares a las generadas
por un paciente, donde su objetivo principal es realizar pruebas a los diferentes
equipos médicos para comprobar su funcionamiento correcto [9].
11
2.2 Simulador ECG
Estos simuladores tienen como principal objetivo generar la señal
electrocardiográfica producida por el corazón, la cual debe estar previamente
digitalizada. Con estos simuladores se realizan pruebas a los electrocardiógrafos,
monitores de ECG, grabadoras Holter, aparatos sincronizados o disparados por el
QRS entre otros. En la actualidad los avances tecnológicos han permitido que
cada vez se desarrollen nuevos simuladores ECG.
Actualmente existen simuladores básicos que únicamente permiten obtener las
derivaciones bipolares (I, II, III) las cuales permiten observar el diferencial de
potencial que existe entre las extremidades, también existen simuladores más
completos los cuales permiten obtener las derivaciones bipolares y las
derivaciones precordiales (V1, V2, V3, V4, V5, V6) con estas derivaciones se
obtiene información más detallada del corazón.
En general, desde hace ya varios años se pueden encontrar los simuladores ECG
en el mercado. También se han realizado este tipo de simuladores en el ámbito de
la educación internacional entre los cuales se puede mencionar:
En el año 2010 en Turquía, en la Universidad Başkent. Este simulador está
basado en un microcontrolador que genera señales ECG previamente
digitalizadas, además permite visualizar la señal en una LCD gráfica [10].
En el año 2013 fue diseñado un simulador ECG de alta resolución. Este simulador
toma la señal de una base de datos y desde el PC envía la señal al simulador por
medio del protocolo de comunicación USB. El software utilizado para este
proyecto es Visual G, por medio de este se tiene control de lo que se desea enviar
al simulador. Además se permite ver en tiempo real la señal que se genera [11].
En el año 2014 se realizó la tesis de grado “Diseño de un sistema simulador de las
señales eléctricas del corazón y posibles aplicaciones” desarrollada por
estudiantes de ingeniería electrónica de la Universidad Nacional Autónoma de
México [12]. En esta tesis se realizó únicamente la simulación de las diferentes
etapas que permitieran la generación de las señales eléctricas del corazón.
En el año 2015 se realizó la tesis de grado “Diseño de un Simulador de Señales
Biológicas, mediante Raspberry Pi, para la Comprobación y la Calibración de
Equipos Electromédicos de Diagnóstico y Monitorización del Electrocardiograma”
desarrollada por estudiantes de la Universitat Oberta de Catalunya (UOC) [13]. En
esta tesis se realizó una profundización de los diferentes conceptos y materiales a
utilizar para el desarrollo del simulador, sin embargo no cumplen con el objetivo de
implementar el simulador mediante Paspberry Pi, argumentando diferentes
12
dificultades para realizar los algoritmos que permitieran cumplir con dicho
propósito.
En el año 2016 se destaca el diseño de un nuevo simulador multipropósito,
desarrollado por Sohyung Cho, Youngseok Lee e Inbae Chang, este simulador
genera las señales del ECG por medio de un microcontrolador el cual genera
señales PWM para posteriormente pasarlas por filtros RC y generar las señales
producidas por el corazón [14]. Este trabajo se resalta porque se implementa dicho
simulador en un prototipo de cuerpo humano, esto permite al usuario ubicar los
electrodos en diferentes posiciones y dependiendo de esto la señal generada será
diferente.
13
3. JUSTIFICACIÓN
En el ámbito de la salud los equipos médicos son de vital importancia ya que
permiten realizar un estudio y monitoreo del estado de salud en el que se
encuentre el paciente, es por esto que dichos equipos deben tener un excelente
funcionamiento. Para que el funcionamiento de estos equipos sea el adecuado es
necesario realizar un mantenimiento preventivo de forma regular.
Para la empresa Innovatec es importante generar un buen servicio a los centros
de salud e IPS de Nariño, razón por la cual la empresa se ha comprometido con
apoyar técnica y financieramente el desarrollo de un equipo simulador de la señal
ECG. Su función empresarial conduce al desarrollo adecuado y eficiente en el
mantenimiento preventivo de equipos médicos y hospitalarios.
A la hora de realizar un mantenimiento preventivo a los equipos electromédicos en
los diferentes centros de salud e IPS por parte de Innovatec se requiere de mayor
numero de módulos especializados (simuladores ECG) ya que por el momento
solo se cuenta con uno de estos equipos comerciales, de referencia Sim Slim S8
fabricado por PRONK TECHNOLOGIES. El dispositivo Sim Slim S8 cuenta con las
siguientes características: 12 derivaciones, variación de frecuencia (pulsaciones
por minuto), arritmias. Esto permitiría que el mantenimiento que se realice por
Innovatec sea más eficiente, reduciendo el tiempo empleado para este proceso lo
cual tendrá un impacto positivo tanto para Innovatec como para las diferentes
entidades de salud donde se preste dicho servicio.
Además para la empresa Innovatec será más económico invertir en el diseño e
implementación de un simulador ECG que adquirir un simulador ECG comercial de
los que se encuentran en el mercado, ya que los materiales a usar para este
primer prototipo se los consigue en el mercado a un precio moderado, además las
características de dichos materiales son suficientemente aptas para cumplir con
las condiciones necesarias para generar de las diferentes señales tales como:
derivaciones bipolares (I, II, III), derivaciones unipolares aumentadas (aVR, aVL,
aVF), derivaciones precordiales (V1, V2, V3, V4, V5, V6). Además el prototipo
planteado en este trabajo tendrá la ventaja que el simulador ECG que se desea
diseñar e implementar se podrá reprogramar según sean las necesidades que se
presenten para futuros prototipos.
14
4. OBJETIVOS
4.1 General
Diseñar e implementar un equipo simulador de la señal electrocardiográfica para el
mantenimiento preventivo de electrocardiógrafos realizado por la empresa
Innovatec S.A.
4.2 Específicos
Diseñar e implementar un algoritmo que permita generar la señal
electrocardiográfica y las diferentes señales de las derivaciones bipolares,
derivaciones unipolares y derivaciones precordiales, a partir de las muestras
obtenidas de la base de datos de PhysioNet. Además generar las señales de
dos patologías diferentes: bloqueo de rama izquierda del corazón y bloqueo
auriculoventricular de primer grado.
Realizar las pruebas de funcionamiento del equipo simulador ECG y también
hacer una comparación con el simulador comercial de referencia Sim Slim SL8
fabricado por PRONK TECHNOLOGIES, equipo con el que cuenta
actualmente la empresa Innovatec. los parámetros a tener en cuenta son: tipos
de señales (derivaciones y arritmias o patologías) y frecuencia de la señal.
Diseñar e implementar un algoritmo que permita agregar ruido a la señal que
se le está entregando al equipo médico, que permita verificar el buen
funcionamiento de los filtros de dicho equipo.
Diseñar una interfaz gráfica e implementarla en la pantalla TFT, para que el
usuario pueda visualizar y conocer la información respecto a la señal
generada.
Diseñar e implementar un circuito electrónico de acondicionamiento de señales
como elemento de entrada para los terminales del equipo médico.
Realizar la implementación del prototipo funcional de simulación ECG para que
la empresa Innovatec posteriormente tenga la posibilidad de realizar pruebas
de certificación.
15
5. MARCO CONCEPTUAL
Con el fin de precisar el diseño y desarrollo del equipo simulador que se desea
desarrollar tanto en la parte técnica como en la parte conceptual, se debe tener en
cuenta los siguientes conceptos:
5.1 Electrocardiógrafo
Es un dispositivo electrónico que capta y amplía la actividad eléctrica del corazón
a través de electrodos. El registro de un electrocardiógrafo se denomina
electrocardiograma y es el registro continuo de impulsos eléctricos del corazón, los
cuales son generados por un pequeño grupo de células conocidas como nodo
sinusal [15].
Se sabe que estos equipos capturan, filtran y amplifican la señal. Estos equipos
están regulados y estandarizados para realizar estos procedimientos. A
continuación se presentan los estándares propuestos por ANSI - AAMI EC11-1991
para la monitorización de la señal ECG en los equipos electromédicos [16]:
Rango Dinámico de Entrada: +/-5mV de señal y tolerancia para offsets dc
de +/-300mV.
Exactitud en la Ganancia: +/- 5% para selecciones de control de ganancia
de 20mm/mV, 10mm/mV y 5mm/mV.
Respuesta en la Frecuencia: un ancho de banda de 0.05Hz a 100Hz.
Impedancia de entrada: Una impedancia de entrada de una sola entrada de
por lo menos 2Mohms a 10Hz es requerida.
5.2 Electrocardiograma (ECG)
El electrocardiograma es una señal que permite describir el comportamiento
eléctrico del corazón, esta se caracteriza, en el dominio del tiempo, por tener una
amplitud reducida (1mV pico a pico aproximadamente) y componentes espectrales
entre 0.5 y 100 Hz [17]. Este es el registro grafico de las corrientes que circulan en
el corazón. Al realizar un estudio del ECG se puede obtener información sobre:
Orientación anatómica del corazón
Trastornos del ritmo y la conducción
16
Tamaño relativo de las cámaras del corazón
Existencia y evolución de isquemias
En la figura 1, se observan las formas de onda más características: la onda P, el
segmento PR, el complejo QRS, el segmento ST, la onda T y la onda U, todas
ellas, son producidas por los potenciales eléctricos que se generan como
consecuencia de la polarización y despolarización de las aurículas y ventrículos
del corazón [18].
Figura 1. Señal ECG [19].
5.3 Derivaciones de la señal ECG
La curva electrocardiográfica presenta distintas formas según donde esté colocado
el electrodo. Los lugares en que se ubican los electrodos corresponden a las
distintas derivaciones del ECG. Existen diferentes derivaciones entre las que se
encuentran: las derivaciones bipolares, derivaciones precordiales y las
derivaciones amplificadas [20].
5.3.1 Derivaciones Bipolares
Las derivaciones bipolares son tres, en el ámbito medico son llamadas I, II y III, o
D1, D2 y D3. Estas registran la diferencia de potencial entre dos puntos del cuerpo
17
del paciente. Para obtener la señal eléctrica de estas derivaciones los electrodos
deben estar colocados en los miembros superiores (brazo derecho, brazo
izquierdo) y en los miembros inferiores (pierna derecha, pierna izquierda) del
paciente sometido al examen. En la figura 2 se presenta la ubicación de los
electrodos para obtener estas derivaciones.
Figura 2. Ubicación de electrodos para obtener las derivaciones bipolares [21].
5.3.2 Derivaciones Unipolares
Forman el plano frontal. Se denominan aumentadas porque miden los potenciales
absolutos de las siguientes extremidades:
Brazo derecho: aVR
Brazo izquierdo: AVL
Pie izquierdo: aVF
18
En la figura 3 se ilustra la ubicación de los electrodos para medir el plano frontal.
Figura 3. Derivaciones Unipolares en el plano frontal. La figura (a) corresponde a la derivación aVR, la figura
(b) corresponde a la derivación aVL y la figura (c) corresponde a la derivación aVF [22].
5.3.3 Derivaciones Precordiales
Las derivaciones torácicas o precordiales comprenden un electrodo indiferente,
colocado en la pierna izquierda y un electrodo explorador aplicado sobre la región
precordial en diferentes puntos señalados y numerados de 1 a 6 (V1 a V6) [23]. En
la figura 4 se muestra la ubicación de los electrodos, para obtener las derivaciones
precordiales.
19
Figura 4. Ubicación en el pecho de las derivaciones precordiales [24].
20
6. DISEÑO METODOLÓGICO
Para el desarrollo de este proyecto inicialmente se realizó un estudio de las
diferentes necesidades que presenta la empresa Innovatec, posterior a esto se
decide desarrollar un proyecto que permita mejorar el mantenimiento preventivo a
equipos electromédicos. Por lo tanto se decide realizar el desarrollo del proyecto
“diseño e implementación de un equipo simulador ECG para el mantenimiento
preventivo”. Para el desarrollo del proyecto se escogió una estrategia de
investigación cuantitativa. A continuación se da a conocer los puntos que se
tuvieron en cuenta para el diseño metodológico llevado acabo para en el
desarrollo del proyecto.
En este proyecto se ha utilizado la base de datos de PhysioNet [25], de donde se
adquieren las señales electrocardiográficas, avaladas por la comunidad médica y
científica, en forma de muestras digitalizadas. A partir de estas muestras
digitalizadas, se hace un registro de las mismas, en la memoria de datos de la
tarjeta de desarrollo Arduino, subsecuentemente se desarrolla el algoritmo en el
ambiente de desarrollo integrado de la tarjeta de desarrollo y se generan las
diversas señales de las derivaciones bipolares, unipolares y precordiales, además
de las dos señales de las patologías bloqueo auriculoventricular y bloqueo de
rama izquierda del corazón. Finalmente se utiliza el conversor-digital-analogo
(DAC) con el que cuenta la tarjeta de desarrollo Arduino DUE para entregar la
señal ECG de forma análoga.
En lo referente al procesamiento de la información, las muestras obtenidas de la
base de datos se guardan y se procesan digitalmente mediante una tarjeta de
desarrollo basada en un microcontrolador de 32 bits, lo cual ha permitido obtener
las diferentes señales, posteriormente estas señales son enviadas a un circuito
electrónico de acondicionamiento de las señales, donde se realiza una atenuación
hasta alcanzar la amplitud que se asemeje mayormente a los valores generados
por el ser humano. Finalmente estas señales se conectan a los terminales que
serán los conectores del equipo electromedico. Adicional se encuentra la etapa de
la interfaz gráfica, aquí se muestra al usuario una representación de las señales,
además de datos como el tipo de derivación, las pulsaciones por minutos y tipo de
arritmia en el caso pertinente.
21
7. EJECUCION DEL PROYECTO
Para la ejecución del proyecto se realizó un flujograma donde se puede observar
los diferentes pasos realizados para el desarrollo del proyecto. A continuación se
presenta dicho flujograma.
22
Conociendo los diferentes pasos empleados para el desarrollo del proyecto, se
puede dividir por etapas. En la primera etapa se realiza la búsqueda de las
diferentes señales a implementar dentro de la base de datos de PhysioNet.
Por otro lado en la segunda etapa se realizó el algoritmo que permitió generar las
diferentes señales, además este algoritmo permite al usuario seleccionar el tipo de
señal, la frecuencia de la señal y también da la opción de agregar ruido a la señal.
Por otro lado este algoritmo permite mostrar la visualización en la pantalla TFT,
donde se puede observar la señal y algunas características.
En la tercera etapa se hace el diseño e implementación del circuito electrónico, el
cual está compuesto por la sección de control, la sección de interfaz gráfica y la
sección de adaptación de la señal.
Finalmente se encuentra la etapa de implementación y pruebas del prototipo
simulador ECG. Además aquí se presentan los diferentes resultados obtenidos en
las diferentes etapas de desarrollo del proyecto.
En la figura 5, se muestra que el desarrollo de las etapas se hizo de forma
secuencial uno a uno ya que la cada etapa siguiente depende del desarrollo
completo de la etapa anterior.
Figura 5. Esquema general de las etapas de desarrollo.
INICIO
Búsqueda de Base de
Datos PhysioNet
Tarjeta de
desarrollo basada
en
microcontrolador
Desarrollo de
circuito electrónico
Montaje y
Resultados
FIN
23
8.1 Base de Datos PhysioNet
Dentro de los pasos importantes del desarrollo del proyecto uno que se resalta fue
la búsqueda de una base de datos confiables y reales de la señal ECG, las
diferentes derivaciones y las dos patologías. Para este caso se utilizó la base de
datos de PhysioNet, donde se encontraron las señales requeridas para el equipo
simulador ECG. A continuación en las figuras 6 y 7 se muestran los pasos a seguir
para obtener la base de datos de las señales.
Figura 6. Primer paso a seguir.
El primer paso para obtener la base de datos de las señales, es ingresar a la página web de PhysioNet, posterior a esto se busca la opción PHYSIONET donde se despliegan diferentes opciones, aquí se selecciona PHYSIOBANK y finalmente se selección la opción PhysioBank ATM aquí es donde se encuentran las diferentes señales.
24
Figura 7. Segundo paso a seguir.
En la figura 7 se muestran las diferentes opciones que se deben tener en cuenta a
la hora de realizar la búsqueda de la señal deseada. Las opciones a tener en
cuenta son:
Input: En donde se selecciona la señal que se desea buscar.
Output: Aquí se debe seleccionar el tiempo, el formato del tiempo y el
formato de los datos. Para nuestro caso se seleccionó tiempo 10 segundos,
formato del tiempo muestras y formato de datos estándar.
Toolbox: es como se desea obtener la señal, para este caso se seleccionó
la opción Show samples as text.
8.2 Tarjeta de desarrollo basada en microcontrolador
La tarjeta de desarrollo que se implementó para el desarrollo del proyecto fue la
placa Arduino DUE. Esta tarjeta es desarrollada por la empresa Arduino la cual se
dedica al diseño y manufactura diferentes tipos de placas electrónicas que
permitan acercar y facilitar el uso de la electrónica y la programación de sistemas
embebidos en proyectos multidisciplinarios. A continuación en la tabla 1 se pueden
observar las principales características técnicas de la tarjeta utilizada.
25
Arduino DUE
Tarjeta electrónica de desarrollo
Precio $ 65000
CPU Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3 CPU
SRAM 96 KB (dos bancos: 64KB y 32KB)
Pines digitales I/O 54 (12 proporcionan PWM)
Pines de entrada análogos 12
Pines de salida análogos 2 (DAC)
Corriente DC para pin 3.3V 800mA
Corriente DC para pin 5V 800mA
Memoria Flash 512 KB para aplicaciones de usuario
Velocidad de Reloj 84 MHz
Periféricos de bajo nivel SPI
Fuentes de alimentación Micro USB o conector de alimentación
Dimensiones 101.52mm x 53.3mm Tabla 1. Características técnicas de la tarjeta de desarrollo Arduino DUE.
Conociendo las características técnicas con la que cuenta el Arduino DUE, se
debe tener en cuenta que el conversor digital-análogo (DAC) tiene una resolución
de 12 bits (4096 pasos), sin embargo la zona de trabajo de este DAC se encuentra
desde 0,55V (paso 684) hasta 2,75V (paso 3417), lo cual reduce la resolución a
2731 pasos que es equivalente al 66,7% de la resolución de 12 bits. Esto fue una
consideración importante a la hora de desarrollar el algoritmo para generar las
diferentes señales del simulador ECG.
8.2.1 Desarrollo de algoritmos
Para el desarrollo de los diferentes algoritmos de generación, visualización, control
de la señal, se desarrollaron cada uno por separado y posteriormente se unieron
para obtener un solo algoritmo que permitiera desarrollar todas las funciones
propuestas para el prototipo simulador ECG. A continuación se realiza de manera
detallada es desarrollo de los algoritmos.
26
8.2.1.1 Algoritmo de generación de la señal
En el desarrollo de este algoritmo lo primero que se realizo fue guardar las
diferentes muestras de señales obtenidas de la base de datos de PhysioNet en la
memoria de la tarjeta de desarrollo Arduino DUE. Para tener una mejor
manipulación de las muestras se hizo una separación de las muestras
dependiendo la onda o segmento de la señal. Finalmente se realizó el algoritmo
adecuado que permitiera reproducir las muestras y enviarlas al puerto de salida
análogo DAC para obtener la señal de forma análoga.
8.2.1.2 Algoritmo de visualización
Para el desarrollo del algoritmo de visualización de la señal en la pantalla TFT 2.2”
es necesario tener claro las características principales, donde se puede
mencionar:
Voltaje 3.3V
Resolución display: (240xRGB)(H) x 320(V)
Comunicación SPI
Respecto a la comunicación SPI fue importante tener claro los 4 pines que
permiten realizar la comunicación en modo maestro – esclavo. Estos pines son:
MISO (Master Input Slave Output):
MOSI (Master Output Slave Input):
SCK: Señal de reloj del bus, rige la velocidad a la que se transmite cada bit.
CS (Chip Select)
Después de conocer las características fue necesario descargar la librería
Adafruit_ILI9340, la cual permite trabajar la pantalla con la tarjeta de desarrollo
Arduino DUE. Es importante resaltar que la versión del software Arduino IDE que
se usó, permite incluir las librerías que hagan falta desde el entorno de trabajo.
A continuación en la figura 8 se muestra los pasos que se siguieron para incluir la
librería en cuestión.
27
Figura 8. Pasos para incluir librería en software Arduino IDE. En la figura (a) se muestra donde se debe
proceder para gestionar la librería. En la figura (b) donde se busca y se descarga la librería.
Para incluir la librería, se debe ir a la opción programa donde se despliegan varias
opciones de las cuales se selecciona incluir librería, aquí se escoge la opción
gestionar librerías donde se abre una nueva ventana la cual se observa en la
figura 8(b), aquí se hace la búsqueda de la librería que se desea agregar y
finalmente se instala la librería.
Después de incluir la librería para trabajar la pantalla TFT desde la placa Arduino
DUE, se hizo la prueba de funcionamiento utilizando el ejemplo graphicstest de la
librería Adafruit_ILI9340, para la implementación de este ejemplo se hizo la
conexión correspondiente entre la placa Arduino DUE y la pantalla TFT, donde se
definió los pines de la siguiente manera:
#define _miso 50
#define _mosi 51
#define _sclk 52
#define _cs 53
#define _dc 49
#define _rst 48
28
Estos pines fueron definidos para realizar la prueba de funcionamiento como
también para el desarrollo de la interfaz gráfica del equipo simulador ECG
implementado.
En la figura 9 se muestra la repartición del espacio de la pantalla, donde se puede
observar la representación de la señal generada y sus características.
Figura 9. Distribución pantalla TFT.
Para poder realizar el algoritmo de visualización fue muy importante tener claro las dimensiones de la pantalla a trabajar las cuales son 240 vertical x 320 horizontal, posicionada como se muestra en la figura 9. A continuación en la figura 10 se muestra el resultado final de la interfaz gráfica del simulador ECG.
Figura 10. Interfaz gráfica simulador ECG.
29
8.2.1.3 Algoritmo de control
En el algoritmo de control se realizó las diferentes funciones que permitieran al
usuario seleccionar la frecuencia de la señal, el tipo de derivación o la patología y
un algoritmo que permitiera agregar ruido a la señal que se estuviera generando.
8.3 Desarrollo de Circuito Electrónico
Antes del diseño e implementación del circuito electrónico, fue importante conocer
el proceso realizado por los equipos electromédicos a la hora de obtener las
señales provenientes de los electrodos conectados al paciente, o en este caso las
señales provenientes del simulador ECG.
Se sabe que estos equipos capturan, filtran y amplifican la señal, sin embargo
para realizar dichos procesos estos deben cumplir con ciertas regulaciones y
estándares propuestos por diversas entidades. A continuación se presentan los
estándares propuestos por ANSI - AAMI EC11-1991 para la monitorización de la
señal ECG en los equipos electromédicos:
Rango Dinámico de Entrada: +/-5mV de señal y tolerancia para offsets DC
de +/-300mV.
Exactitud en la Ganancia: +/- 5% para selecciones de control de ganancia
de 20 mm/mV, 10 mm/mV y 5 mm/mV.
Respuesta en la Frecuencia: un ancho de banda de 0.05Hz a 100Hz.
Impedancia de entrada: Una impedancia de entrada de una sola entrada de
por lo menos 2 MΩ a 10 Hz es requerida.
Además los estándares anteriores es importante considerar que la señal es mucho
mayor que las señales bioeléctricas, por ende fue importante utilizar un
amplificador con un Common Mode Rejection Ratio (CMRR) e impedancia de
entrada alta.
En la tabla 2 se muestran algunos amplificadores de instrumentación apropiados
para el acondicionamiento de señales bioeléctricas.
30
REFERENCIA TIPO DE AMPLIFICADOR ESPECIFICACIONES
INA321
Instrumentación
Alimentación simple, 94db CMRR a G=100, 500uV max
offset, MSOP
INA128
Instrumentación
Alimentación dual, 120db CMRR, 50uV max offset, 5 nA
max de corriente de bias, 700uV
INA118
Instrumentación
Alimentación dual, 110db CMRR, 50uV max offset, 5 nA
de corriente de bias, 350uV
INA121
Instrumentación
Alimentación dual, 106db CMRR, 200uV max offset, 4 pA
max de corriente bias Tabla 2. Amplificadores de instrumentación para aplicaciones electromédicas.
Teniendo en cuenta el apartado anterior y conociendo los diferentes parámetros
de control y los terminales de salida con los que dispondrá el equipo simulador
ECG, se prosiguió a realizar el diseño del circuito electrónico utilizando el software
CS EAGLE. A continuación en la figura 11 se muestra diagrama esquemático
realizado para el desarrollo del proyecto.
Figura 11. Diagrama esquemático implementado.
En el diagrama esquemático se puede observar claramente que hay diferentes secciones, las cuales son: la sección de acondicionamiento de la señal generada
31
por la tarjeta de desarrollo, que se compone por el amplificador de instrumentación y el conjunto de resistencias. Por otra parte está la sección de control, la cual es compuesta por los pulsadores en configuración pull-down. Finalmente esta la sección de la interfaz gráfica, que está compuesta por los terminales donde se conecta la pantalla TFT y además hay 3 leds los cuales indican la frecuencia a la que se genera la señal.
Después de realizar el diagrama esquemático, se hizo el diseño PCB, en la figura
12 se puede observar el esquema final del diseño del circuito electrónico
implementado.
Figura 12. Diseño del Circuito eléctrico implementado.
El circuito electrónico está constituido por tres secciones las cuales son: la sección
de control, la sección de atenuación de las señales y la sección de interfaz gráfica
del equipo simulador ECG. A continuación se realiza una explicación más
detallada de cada sección del circuito electrónico.
32
8.3.1 Sección de Control
Para la implementación de esta sección se usó la configuración de las resistencias pull-down, lo cual garantiza un cero lógico en la Vout mientras el pulsador no sea activado, y un uno lógico en Vout si este se activa. En la figura 13 se muestra la configuración pull-down.
Figura 13. Configuración Pul-Down
En la figura 14 se indica la ubicación de la sección de control dentro del circuito
electrónico del prototipo simulador ECG.
Figura 14. Sección de control del equipo simulador ECG.
33
Como se puede observar en la figura 14, la sección de control cuenta con 5
pulsadores, los cuales tienen configuración pull-down, que garantiza un cero lógico
cuando el pulsador no este activado y un uno lógico cuando este sea activado.
Por otra parte, cada pulsador cumple con una función determinada en el prototipo
simulador ECG, comenzando con el primer pulsador de izquierda a derecha, este
permite agregar ruido a la señal, siguiendo el orden de izquierda a derecha, el
segundo pulsador permite cambiar el tipo de señal que se desea generar. Los
últimos tres pulsadores permiten seleccionar el tipo de frecuencia a la que se
desea la señal. Si se desea la señal con una frecuencia de 40 pulsaciones por
minuto (PPM) se debe activar el tercer pulsador de izquierda a derecha, si se
desea una frecuencia de 60 PPM se debe activar el cuarto pulsador de izquierda a
derecha y finalmente si se desea una frecuencia de 90 PPM se debe activar el
quinto pulsador de izquierda a derecha.
8.3.2 Sección de Interfaz grafica
En la figura 15, se muestra la pantalla TFT 2.2” que se usó en el desarrollo del
proyecto. En la figura 15a se muestra la cara frontal donde se visualiza la señal
generada y las respectivas características, y en la figura 15b se muestra la cara
posterior donde se especifican los diferentes pines de conexión de dicha pantalla.
Figura 15. Pantalla TFT 2.2”. En la figura (a) cara frontal de la pantalla. En la figura (b) cara posterior dela
pantalla.
34
En la figura 16 se indica la ubicación de la sección de la interfaz gráfica dentro del
circuito electrónico del prototipo simulador ECG.
Figura 16. Sección de interfaz gráfica.
8.3.3 Sección de atenuación de la señal
En la figura 17, se muestra la ubicación de la sección de atenuación de la señal
dentro del circuito electrónico, esta se realizó utilizando divisores de voltajes, los
cuales permitieran reducir el voltaje entregado por la tarjeta de desarrollo Arduino
es cual es de 3.3V a unos cuantos milivoltios para enviarlos a los terminales del
prototipo simulador ECG.
35
Figura 17. Sección de atenuación de las señales.
Como se ha visto hasta el momento la generación de las diferentes señales ECG, así como la configuración de las mismas respecto a la amplitud y a la frecuencia se refiere, se realiza directamente desde la tarjeta de desarrollo Arduino DUE. Sin embargo, las señales que se entregan por parte de la tarjeta no se pueden enviar directamente a los terminales del simulador ECG ya que el voltaje de estas es de 3.3V y como se mencionó anteriormente los equipos electromédicos tienen un rango de medición en milivoltios, por lo cual se hace necesario realizar una atenuación de los 3.3V a unos cuantos milivoltios de amplitud para que se asemejen mayormente a los valores generados por el organismo humano. Para esta atenuación se usaron divisores de voltaje los cuales permitieran reducir las señales a los valores deseados y que se encontraran dentro del rango de medición de los equipos electromédicos. Por otro lado, es importante realizar una adaptación de impedancias para lo cual se utiliza un amplificador en configuración de seguidor de voltaje, el cual se usa a la salida del DAC de la tarjeta de desarrollo Arduino DUE. En la figura 18 se presenta el amplificador en configuración de seguidor de tensión.
36
Figura 18. Amplificador configurado en seguidor de tensión.
A continuación se presentan los cálculos realizados para obtener los valores de voltaje deseado. En la figura 19 se muestra el esquema de un divisor de voltaje.
Figura 19. Esquema de un divisor de voltaje.
En este caso el Vin (voltaje de entrada) es la señal proveniente del amplificador en configuración de seguidor de voltaje y Vout (voltaje de salida) es el voltaje que se envía a los terminales del simulador ECG. Se definió R2 utilizando un valor que sea comercial y que permitiera atenuar la señal a valores que estuvieran dentro del rango de entrada de los equipos electromédicos es cual es +/-5mV de señal, por eso se ha elegido R2=2.4Ω, además se conoce que el valor máximo de entrada (Vin) es de 3,3V. Si Vout=3.3mV tenemos:
𝑉𝑜𝑢𝑡 =𝑉𝑖𝑛 ∗ 𝑅2
𝑅1 + 𝑅2
Despejamos R1 para encontrar su valor, tenemos:
𝑉𝑜𝑢𝑡(𝑅1 + 𝑅2) = 𝑉𝑖𝑛 ∗ 𝑅2
37
𝑉𝑜𝑢𝑡 ∗ 𝑅1 + 𝑉𝑜𝑢𝑡 ∗ 𝑅2 = 𝑉𝑖𝑛 ∗ 𝑅2
𝑅1 =𝑉𝑖𝑛 ∗ 𝑅2 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 ∗ 𝑅2
𝑉𝑜𝑢𝑡
Reemplazando los valores obtenemos:
𝑅1 =(3.3𝑉 ∗ 2.4Ω) − (3.3𝑚𝑉 ∗ 2.4Ω)
3.3𝑚𝑉
𝑹𝟏 = 𝟐𝟒𝟎𝟐, 𝟒Ω
El valor de R1= 2402,2 Ω, sin embargo este valor de resistencia no es comercial por lo cual se decidió usar un valor comercial aproximado al calculado. En este
caso se decidió usar R1=2200 Ω, por lo cual se realizó el cálculo del voltaje de salida Vout, se obtuvo:
𝑉𝑜𝑢𝑡 =𝑉𝑖𝑛 ∗ 𝑅2
𝑅1 + 𝑅2
𝑉𝑜𝑢𝑡 =3.3𝑉 ∗ 2.4Ω
2200Ω + 2.4Ω
𝑽𝒐𝒖𝒕 = 𝟑. 𝟓𝟗𝟔𝒎𝑽 El voltaje obtenido con los valores comerciales dados se encuentra dentro del rango de entrada de los equipos electromédicos.
8.4 Montaje y resultados
Para el montaje final del equipo simulador ECG, se realizaron las conexiones
correspondientes entre la tarjeta de desarrollo Arduino DUE y las diferentes
secciones del circuito electrónico. Además fue importante tener en cuenta todos
los materiales a usar para la implementación del simulador ECG. A continuación
se presentan las conexiones de manera detallada realizadas entre la tarjeta y el
circuito electrónico, además se presentan los materiales utilizados y finalmente se
38
presentaran los resultados obtenidos en las diferentes pruebas realizadas al
prototipo de simulación ECG.
8.4.1 Conexiones entre tarjeta de desarrollo Arduino DUE y circuito
electrónico.
Aquí se realizaron diferentes esquemas de conexiones, los cuales presentan con
detalle los pines que se conectaron de la tarjeta de desarrollo Arduino DUE y el
circuito electrónico en cada una de las secciones (control, interfaz gráfica y
terminales del simulador ECG).
En la figura 20, se muestra la conexión de alimentación entre la tarjeta de
desarrollo y el circuito electrónico.
Figura 20. Conexión de alimentación entre la tarjeta de desarrollo y el circuito electrónico.
En la figura 21, se muestra el esquema de conexión entre la tarjeta de desarrollo y
la sección de interfaz gráfica.
39
Figura 21. Conexión entre tarjeta de desarrollo Arduino DUE y sección de interfaz gráfica en el circuito
electrónico.
En la figura 22, se muestra el esquema de conexión entre la tarjeta de desarrollo y
la sección de control.
Figura 22. Conexión entre tarjeta de desarrollo Arduino DUE y Sección de control.
En la figura 23, se muestra la conexión entre la tarjeta de desarrollo y los testigos
de las diferentes frecuencias de la señal ECG generada.
40
Figura 23. Conexión entre tarjeta de desarrollo Arduino DUE y testigos de frecuencia de la señal ECG
generada.
8.4.2 Materiales
Los materiales utilizados para desarrollar el equipo simulador ECG se encuentran
en la siguiente tabla, donde se puede detallar la cantidad y algunas características
de cada elemento utilizado.
Material Cantidad
Tarjeta de desarrollo Arduino DUE 1
Pantalla TFT 2.2 1
INA 128 2
Base de 8 pines 2
Bornera 2
Pulsador 10
Conectores Molex 2
Resistencia 2.2Ω 20
Resistencia 120Ω 20
Resistencia 220Ω 20
Resistencia 1.2kΩ 20
Resistencia 2.2kΩ 20
Resistencia 10kΩ 20
Resistencia 3.3kΩ 20
Interruptor 2
Váquela de fibra 10x15 cm 1
Leds 6
Tabla 3. Materiales utilizados para desarrollo del proyecto
41
8.4.3 Resultados
En este apartado se presentan los resultados obtenidos en las diferentes pruebas
realizadas. A continuación en la figura 24, se muestran las señales generadas por
el simulador ECG implementado.
42
Figura 24. Señales generadas por el Simulador ECG.
En la figura 24, se puede observar las diferentes derivaciones bipolares,
derivaciones unipolares y derivaciones precordiales, además se pueden apreciar
las dos patologías, las cuales son: bloqueo auriculoventricular y bloqueo de rama
izquierda del corazón. La particularidad de la primera patología es que la señal no
cuenta con la onda P y la onda T tiene mayor amplitud respecto a las señales de
diferentes derivaciones. Por otro lado la segunda patología tiene la particularidad
de tener la onda P y la onda T en sentido positivo y el complejo QRS tiene sentido
negativo.
A continuación en la tabla 4, se presenta las diferentes características de amplitud
y tiempo cada señal.
DERIVACION I
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,174
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 1,41
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,261
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
43
DERIVACION II
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,196
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 1,6
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,283
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
DERIVACION III
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,174
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 1,503
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,261
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
DERIVACION aVR
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,196
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 1,17
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,261
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
DERIVACION aVL
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,174
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 0,958
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,217
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
DERIVACION aVF
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,217
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 1,328
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,305
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
DERIVACION V1
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,152
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 0,936
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,261
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
44
DERIVACION V2
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,196
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 1,15
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,283
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
DERIVACION V3
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,174
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 1,02
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,283
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
DERIVACION V4
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,196
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 1,6
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,283
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
DERIVACION V5
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,174
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 1,24
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,239
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
DERIVACION V6
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,152
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 1,04
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,261
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
PATOLOGIA: Bloqueo Auriculoventricular
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,0065
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 1,285
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,348
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0
45
PATOLOGIA: Bloqueo Rama Izquierda
Segmento 40 PPM 60 PPM 90 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 92 ms 92 ms 0,152
Intervalo P-Q 94 ms 64 ms 44 ms 0
Complejo QRS 136 ms 136 ms 136 ms 1,111
Intervalo S-T 98 ms 76 ms 54 ms 0
Onda T 144 ms 144 ms 144 ms 0,37
Intervalo T-P 940 ms 512 ms 218 ms 0 Tabla 4. Características de las señales generadas por el simulador ECG implementado.
Como se puede apreciar en la tabla 4, los tiempos para las diferentes frecuencias
(40 PPM, 60 PPM, 90 PPM) son los mismos en todas las señales generadas.
Además se puede observar que la amplitud entre los segmentos de cada señal
tiene una diferencia de milivoltios.
A continuación en la figura 25, se muestra una de las señales en las 3 diferentes
frecuencias.
46
Figura 25. Frecuencias posibles para cada señal generada por el simulador ECG.
En la figura 25a, se muestran la cantidad señales que se pueden observar en la
pantalla del osciloscopio dependiendo de la frecuencia a la que se genere la señal.
Teniendo en cuenta lo anterior, si la frecuencia es de 0,666Hz o 40 PPM se
pueden observar 3 señales dentro de la pantalla, si la frecuencia es de 1Hz o de
60 PPM se pueden observar 5 señales dentro de la pantalla y si la frecuencia es
de 1,5Hz o de 90 PPM se puede observar 6 señales en la pantalla.
Además de esto en la figura 25b, se toma el periodo de cada señal en las
diferentes frecuencias. Para 40 PPM se tiene que el periodo de la señal es de
1.512 segundos, para 60 PPM el periodo de la señal es de 1.0008 segundos y
para 90 PPM el periodo de la señal es de 660 milisegundos.
47
Después de conocer las diferentes señales con sus respectivas características,
en la figura 26, se presenta la señal de ruido que se puede agregar a la señal que
se genere. Siendo esto una de las opciones que tiene el simulador ECG
implementado.
Figura 26. Señal de ruido.
Para agregar ruido a la señal generada se hizo una suma a determinados
segmentos u ondas de dicha señal y también se realizó una resta a los segmentos
u ondas faltantes.
Después de agregar la señal de ruido a las señales generadas por el simulador
ECG, se obtuvo lo que se puede observar en la figura 27.
48
Figura 27. Señales generadas por el simulador ECG agregando la señal de ruido
49
Después de conocer los resultados en tiempo real de las diferentes señales, a
continuación se mostraran los resultados obtenidos en la interfaz gráfica. En la
figura 28, se muestra las diferentes señales representadas en la interfaz gráfica.
50
Figura 28. Señales representadas en la interfaz gráfica del simulador ECG.
Para poder obtener las diferentes representaciones de las señales, se utilizó
diferentes funciones de la librería Adafruit_ILI9340, entre las que se encuentran: la
función tft.fillScreen(ILI9340_BLUE), la cual permite determinar el color del fondo
de la pantalla. Para este caso el fondo es de color azul. Otra de las funciones
utilizadas fue tft.drawline(x1,y1,x2,y2,color), la cual permite realizar una line
utilizando un punto inicial (x1,y1) y un punto final (x2,y2), además se puede elegir
el color de la línea graficada. Para este caso se optó por el color rojo para la
representación de la señal. Además se usaron las siguientes funciones para
agregar las características de la señal. Comenzando con la funcion tft.setCursor(x,
y) la cual permite ubicar el cursor en la posición donde se desea escribir,
siguiendo con la función tft.setTextColor(ILI9340_WHITE) que permite seleccionar
el color de fuente, además se usó la función tft.setTextSize(2) que da el tamaño
de la fuente y finalmente se usó la función tft.println("SIMULADOR ECG") que es
donde se escribe lo que se desea observar.
Después de conocer la representación de las señales en la interfaz gráfica, se
realizó la comparación entre el simulador implementado y el simulador comercial
51
Sim Slim SL 8 del fabricante PRONK TECHNOLOGES. A continuación en la
figura 29, se puede apreciar el simulador implementado y el simulador comercial.
Figura 29. Simuladores ECG.
Como se puede observar en la figura anterior, el simulador implementado con
respecto al simulador comercial tienen una diferencia respecto a sus dimensiones,
sin embargo en la tabla 5 se muestra una comparación más detallada de las
diferentes características de estos simuladores ECG.
Simulador ECG
Tipos de señales
12 señales: Derivaciones bipolares, derivaciones unipolares, derivaciones precordiales.
12 señales: Derivaciones bipolares, derivaciones unipolares, derivaciones precordiales.
Arritmias o Patologías
2 señales. Bloqueo auriculoventricular, bloqueo rama izquierda
6 señales. Entre las cuales están: Complejo QRS con contracción ventricular prematura (PVC), taquicardia ventricular, arritmias ventriculares, bloqueos ventriculares.
52
Frecuencias seleccionables
40, 60,90 PPM 30, 60, 90, 120, 140, 160, 200, 240 PPM
Añadir ruido Si No Tabla 5. Comparación Simulador implementado y Simulador Comercial.
Al realizar un análisis de la tabla de comparación entre el simulador implementado
y el simulador comercial, se observa que ambos permiten generar las 12
derivaciones, con respecto a las arritmias o patologías claramente el simulador
comercial cuenta con más opciones que el simulador implementado y finalmente
con relaciones a la cantidad de frecuencias seleccionables el simulador comercial
cuenta con 5 frecuencias más que el simulador implementado. Sin embargo el
simulador implementado cuenta con la opción de agregar ruido a la señal que se
está generando, esta es una opción con la que no cuenta el simulador comercial.
Finalmente se realizó una comparación respecto a las señales y sus diferentes
características en tiempo y en amplitud de cada segmento de la señal generada. A
continuación en la tabla 6 se presenta la comparación de algunas de las señales
generadas por el simulador ECG implementado y el simulador ECG comercial.
DERIVACION I
Simulador ECG
Implementado Simulador ECG Comercial
Segmento 60 PPM Amplitud(mV) 60 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 0,174 80 ms 0,175
Intervalo P-Q 64 ms 0 80 ms 0
Complejo QRS 136 ms 1,41 92 ms 1,07
Intervalo S-T 76 ms 0 120 ms 0
Onda T 144 ms 0,261 160 ms 0,37
Intervalo T-P 512 ms 0 470 ms 0
DERIVACION II
Segmento 60 PPM Amplitud(mV) 60 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 0,196 80 ms 0,275
Intervalo P-Q 64 ms 0 80 ms 0
Complejo QRS 136 ms 1,6 92 ms 1,525
Intervalo S-T 76 ms 0 120 ms 0
Onda T 144 ms 0,283 160 ms 0,505
Intervalo T-P 512 ms 0 470 ms 0
DERIVACION III
Segmento 60 PPM Amplitud(mV) 60 PPM Amplitud(mV)
Onda P 92 ms 0,174 80 ms 0,1
Intervalo P-Q 64 ms 0 80 ms 0
Complejo QRS 136 ms 1,503 92 ms 1,12
Intervalo S-T 76 ms 0 120 ms 0
Onda T 144 ms 0,261 160 ms 0,15
Intervalo T-P 512 ms 0 470 ms 0
53
En la tabla 6, se puede observar que la duración de cada segmento que
conforma la señal genera a 60 PPM, tiene diferencias de tiempo en todas los
segmentos, sin embargo el tiempo total de la señal generada por el simulador
ECG implementado es de 1024 ms y el tiempo total de la señal generada por el
simulador ECG comercial es de 1002 ms. Claramente el simulador comercial es
más preciso que el simulador implementado. Por otro lado, al realizar un análisis
de la amplitud de cada segmento de la señal también existen diferencias en
milivoltios, sin embargo ambos simuladores se encuentran dentro del rango de
voltaje.
54
8. CONCLUSIONES
Al finalizar el diseño e implementación del prototipo simulador ECG, se cumple
con el propósito general que era dejar un prototipo funcional para la empresa
Innovatec, utilizando instrumentos económicamente asequibles pero que
garantizaran una funcionalidad y respuesta favorable a la hora de cumplir con las
funciones básicas de dicho simulador ECG para fines de mantenimiento
preventivo. Al cumplirse el propósito general, la empresa Innovatec se ve
beneficiada ya que a futuro podrá contar con la cantidad suficiente de
instrumentos de simulación ECG que le permitan realizar un mantenimiento
preventivo a los equipos electromédicos minimizando el tiempo de ejecución de
esta actividad. Además de esto la empresa Innovatec, a futuro podrá invertir
recursos tanto económicos como recursos tecnicos para mejor el prototipo, el cual
le permita realizar un mantenimiento preventivo no solo a los equipos
electromédicos sino también a otros equipos médicos.
El prototipo de simulación ECG desarrollado en este proyecto, al ser comparado
con un simulador ECG comercial, ha demostrado cumplir con las funciones
básicas que son permitir generar las diferentes derivaciones bipolares, unipolares
y precordiales, además de esto permite variar la frecuencia de la señal. Sin
embargo como trabajo futuro se puede aumentar la cantidad de opciones de
frecuencia a la que se genere la señal ya que el prototipo desarrollado solo cuenta
con 3 diferentes frecuencias y el simulador ECG comercial cuenta con 8
frecuencias diferentes. También es importante resaltar que ambos prototipos de
simulación ECG tienen un margen de error respecto a los tiempos de las señales
generadas, siendo menor el margen de error del simulador ECG comercial que el
margen de error del simulador ECG implementado. Por otro lado se puede concluir
que el prototipo implementado se encuentra dentro de los rangos de amplitud.
Cabe resaltar que el prototipo implementado cuenta con la opción de agregar ruido
a la señal que se está generando lo cual el simulador comercial con el que se hizo
la comparación no cuenta con esta opción, lo cual es un punto a favor del
simulador ECG implementado.
Es importante aclarar que por políticas de confidencialidad de la empresa
Innovatec no se presenta el algoritmo implementado para el desarrollo del
proyecto.
Finalmente el prototipo de simulación ECG se ha deja a disponibilidad de la
empresa Innovatec la cual debe analizar la factibilidad y viabilidad de realizar la
prueba de certificación al prototipo.
55
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