electrocardiografía de alta definición aplicada a redes...
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Encuentro de Investigadores y Docentes de Ingeniería 2009 EnIDI 2009, Los Reyunos, San Rafael. Mendoza, Argentina
Electrocardiografía de Alta Definición Aplicada a Redes Sociales de Salud
Nelson Dugartea,b, Antonio Alvareza, Rubén Medina Molinab, Rubén Rojas Sulbaránb, José Balaccoa, Gustavo Mercadoa, Adolfo Gonzaleza.
a Grupo de Ingeniería Biomédica (GIBULA) y Laboratorio de Instrumentación Científica
(LIC-M), Universidad de Los Andes (ULA), Mérida, Venezuela. [email protected], [email protected], [email protected]
b Instituto Regional de Bioingeniería, Universidad Tecnológica Nacional – Facultad
Regional Mendoza. [email protected]
Resumen. Mortality due to ischemic heart disease and stroke is estimated to increase by approximately 145 percent among men and women in Latin America from 1990 to 2020, as compared with a 28 percent increase for women and a 50 percent increase for men over the same period in developed countries. Cardiovascular disease (CVD) represents one-third of chronic disease deaths in the region which also has the burden of Chagas, malnutrition and others diseases which affect directly the health of heart. Despite the high burden of CVD, most health resources in these countries are dedicated to communicable diseases and maternal-child health conditions and there is not a great attention to this problem. This paper presents the design of a network of telemedicine which is applied to diagnostic of CVD through high definition electrocardiography and wireless transmission. Early diagnosis of heart failure is essential for successfully addressing underlying diseases ant it is the main goal of this work that also is a collaborative project between Venezuelan and Argentina Universities.
Palabras Clave: Instrumento destinado a cardiología, adquisición de la señal electrocardiográfica de alta resolución, Telemedicina aplicada al diagnóstico, detección del mal de Chagas.
1 Introducción
Hasta la fecha, la enfermedad cardiovascular sigue siendo la principal causa de muerte en el mundo occidental. Esta situación se agrava en particular en América Latina donde a las causas raíces tradicionales de estas patologías, se suman endemias como la enfermedad de Chagas, la desnutrición infantil, la cultura alimentaría basada en alto consumo de grasas saturadas, el estrés derivado de la pobreza, la marginalidad social, la carencia de políticas activas relacionadas con la prevención de enfermedades cardiovasculares [1], etc.
Las enfermedades cardíacas y los accidentes cardiovasculares son la causa numero uno de muerte prematura en América, con el 31% de todas las muertes. Se estima
que en los próximos diez años más de 20 millones de personas morirán por estas enfermedades.
En el mundo fallecen 18 millones de personas por año a causa de estas enfermedades correspondiendo el 80% de ellas a los países de medianos y bajos recursos económicos, lo que demuestra como la enfermedad cardiaca también está fuertemente asociada al perfil económico de las distintas regiones del planeta.
La enfermedad de Chagas solamente afecta a más de dieciséis millones de personas en el continente. Es una infección producida por un parásito denominado Tripanosoma Cruzi [2], el cual tiene afinidad por alojarse en los tejidos estriados de órganos vitales como el corazón. Los daños que este parásito ocasiona cuando habita en el corazón, causa un recrecimiento del miocardio que degenera la capacidad de bombeo, desencadenando deficiencia cardiaca y en muchos de los casos muerte por paro fulminante [3].
Actualmente, solo en América Latina hay más de 16 millones de personas enfermas con el mal de Chagas [4]. En la mayoría de los pacientes, el Chagas es detectado cuando es demasiado tarde. En aquellos pacientes con enfermedad de Chagas, más del 60% morirá de manera inesperada aun en ausencia de manifestaciones de daño cardiaco.
En el caso de la desnutrición los avances científicos han demostrado que la malnutrición crónica tiene efectos nocivos sobre el músculo cardíaco produciendo distintos tipos de atrofias del músculo y de los sistemas de conducción eléctrica del corazón.
Por último, las dietas alimentarias basadas en alto contenido de grasas saturadas y colesterol (condiciones tradicionales de las comidas latino-americanas) son una de las causas más importantes de enfermedades de los vasos sanguíneos y del músculo cardíaco en su conjunto estimándose que solamente en América Latina para el año 2020 la patología cardíaca debida a esta causa habrá aumentado en casi el 30 % [5].
Ante este dramático contexto solamente existen dos estrategias realmente efectivas para prevenir los daños en vidas y recursos económicos de los países latino-americanos:
Prevención a partir de cambios de hábitos y mayor difusión de los programas de educación para la salud.
Diagnóstico precoz de la enfermedad cardiovascular a partir del control periódico de la mayor parte de la población posible, garantizando el acceso a las poblaciones más vulnerables y alejadas de los centros médicos urbanos.
En este sentido, el trabajo desarrollado apunta a afianzar la estrategia del diagnóstico precoz a partir de la creación de una red social de diagnóstico cardiovascular de alta definición que constituya una plataforma tecnológica sumamente eficiente para el diagnóstico precoz y preciso de distintos tipos de patologías cardíacas, Fig. 1.
Básicamente esta red está conformada por tres unidades funcionales: Sistema de captura de datos: Electrocardiógrafo de alta definición y doce
derivaciones. Sistema de Transmisión de Datos a distancia. Central de Monitoreo y Diagnóstico.
Fig. 1. Plataforma tecnológica para el diagnóstico a distancia de patologías cardíacas.
1.1 Electrocardiografía de Alta Definición
El electrocardiograma o ECG es la presentación gráfica de las señales cardiacas, obtenida desde todos los ángulos [6], [7]. A cada señal gráfica obtenida se le denomina derivación. Por normativa internacional se han estandarizado 12 derivaciones. Las derivaciones ECG estándar son: I, II ,III, aVR, aVL, aVF, V1, V2, V3, V4, V5, V6.
La electrocardiografía de alta definición surge con mayor fuerza a mediados de los 70 con el objetivo de detectar la actividad eléctrica del sistema de His-Purkinje de forma no invasiva [8]. Más adelante fueron descubiertas otras zonas o intervalos del ECG donde aparecían micropotenciales relacionados con zonas concretas del corazón y/o determinados estados o patologías.
La electrocardiografía de alta resolución se diferencia de la tradicional porque permite la adquisición de señales muy pequeñas y con un ancho de banda superior al requerido en la electrocardiografía convencional [9]. En los mejores casos, la digitalización de la señal ECG convencional es de 500 muestras por segundo (mps) con 8 bits de resolución, y el ancho de banda va de 0.5 a 120 Hz, mientras que la señal ECGAR se digitaliza a 2000 mps con 12 bits de resolución y dentro de un ancho de banda ampliado de 0.05 a 300 Hz.
La mayoría de exámenes electrocardiográficos no invasivos no pueden detectar de manera precisa la Cardiomiopatía Chagásica subclínica u otras enfermedades. Aunque la ecocardiografía es útil para evaluar la disfunción ventricular izquierda [10], a menudo no está disponible en las zonas carenciadas y/o endémicas de la enfermedad de Chagas. Adicionalmente, la electrocardiografía convencional presenta limitaciones en aquellos pacientes con anormalidades del movimiento de la pared ventricular izquierda y fracción de eyección reducida (y por lo tanto riesgo cardiaco incrementado).
El ECGAR se utiliza además para realizar el análisis de componentes de baja amplitud y alta frecuencia (HF QRS) [11], tal es el caso de las zonas de amplitud reducida (RAZ) en adquisición simultanea de todas las derivaciones. Fig. 2.
El uso inicial del electrocardiograma de alta frecuencia de 12 derivaciones HF QRS ECG, podría resultar particularmente útil para detectar manifestaciones tempranas de daño cardiaco en pacientes que de otro modo no serian diagnosticados. Los datos previos de Maehara et al. [12] y Delgado et al. [13] sugieren que el HF
QRS de 12 derivaciones puede ser altamente sensitivo y específico para detectar la presencia de cardiomiopatía.
Fig. 2. Señal HF QRS de un paciente sano.
El análisis para la detección del RAZ es una técnica relativamente nueva, no-
invasiva, económica y reproducible en tiempo real [14]. Esta técnica es más precisa que el ECG convencional para detectar enfermedades cardiacas como afecciones de las arterias coronarias e isquemia del miocardio. Podemos definir una zona RAZ como un marcador de una disminución anormal de las componentes HF QRS, Fig. 3.
Fig. 3. HF QRS con una zona RAZ de un paciente con cardiopatía.
Con el desarrollo de este proyecto, se ha logrado la culminación exitosa de un
prototipo de hardware que permite la adquisición simultánea de todas las derivaciones del ECGAR y el desarrollo de los algoritmos de la primera etapa del software. En esta etapa de desarrollo se pueden realizar adquisiciones del ECGAR con muy bajos niveles de ruido, presentación gráfica en tiempo real de la señal en el monitor del computador y el almacenamiento de la información, mientras que continúan en desarrollo los algoritmos que permitirán el análisis matemático de los datos adquiridos.
2 Metodología
Como consecuencia de los diversos análisis que se desean realizar es necesaria la adquisición simultanea de las 12 derivaciones de la señal ECGAR. Está demostrado que los canales II , aVR, aVL y aVF pueden obtenerse por cálculo a partir de los 8 canales restantes, por consiguiente en el sistema reportado, solo se realiza la
adquisición simultanea de los 8 canales fundamentales y se calculan los restantes en el computador.
El sistema que se desarrolla está compuesto por una etapa de hardware y una etapa de software. El hardware permite la adquisición analógica y la digitalización de la señal ECGAR, y el software está conformado por los algoritmos instalados en el computador destinados al procesamiento y la transmisión de la señal.
2.1 Hardware del Sistema
El hardware del sistema está conformado por los circuitos electrónicos que permiten la adquisición de la señal ECGAR y la comunicación con el computador. El hardware está compuesto por tres partes: los circuitos de adquisición analógica, la etapa de digitalización y la comunicación de datos con la computadora. Fig. 4
Fig. 4. Diagrama del hardware del sistema.
Los circuitos de adquisición analógica, están conformados por un arreglo de 8
amplificadores diferenciales, diseñados con un alto nivel de rechazo al ruido en modo común (superior a 100dB) y con un ancho de banda de 0.05 Hz a 300 Hz. Estos circuitos están diseñados para amplificar la señal electrocardiográfica con una ganancia de 1000.
La etapa de digitalización, consiste en la conversión analógica/digital (A/D), en forma casi simultánea de cada uno de los 8 canales de la señal ECGAR. Esto es posible debido, a que cada vez que se efectúa el muestreo de la señal, se realiza un multiplexado de alta velocidad de las 8 derivaciones; el multiplexado se realiza con una diferencia de tiempo inferior a un micro segundo (µs) entre muestras. El proceso de digitalización se realiza con una frecuencia de 2000 muestras por segundo (mps) y con una resolución de 12 bits.
La comunicación de datos con la computadora, se realiza vía USB, pero parte del software instalado en el computador permite realizar la transferencia de datos en forma serial a una velocidad de 460800 bits por segundo (bps). La interfaz USB también permite la alimentación del sistema pero por medio de una fuente aislada contenida en el mismo diseño del hardware.
Sistema de protección, Este diseño es de uso médico y será aplicado directamente a pacientes, por consiguiente se han tomado medidas de seguridad anti-electrochoque, que evitan que el paciente pueda quedar expuesto a daños físicos por
efecto de la corriente eléctrica. Las medidas mas importantes que se tomaron en cuenta fueron las siguientes:
Se aisló completamente la única fuente de poder que alimenta al sistema (fuente del USB), de esta forma no puede pasar corriente de retorno por la línea de tierra al computador.
La comunicación de datos se realiza por medio de un dispositivo opto-acoplador, esto termina de aislar completamente el hardware del sistema de la cualquier fuente eléctrica externa hasta por un diferencial de 2500 voltios.
Cada uno de los cables que conecta al paciente con el equipo, está acoplado por medio de una resistencia de alto valor y un dispositivo limitador de picos de voltaje, restringiendo la corriente que pudiera pasar por estos, a niveles seguros. Estos circuitos, además protegen al instrumento de picos de alto voltaje que se puedan presentar externamente como consecuencia de descargas de desfibriladores o por acumulaciones de estática.
El chasis externo del hardware del equipo es de plástico, aislando todas las conexiones eléctricas internas del aparato.
2.2 Software del Sistema
El software desarrollado hasta el momento, consiste en un algoritmo estructurado, Fig. 5, diseñado con la finalidad de captar la información que se transmite desde el hardware del sistema.
Fig. 5. Funcionamiento del software.
Los algoritmos del software del sistema se están desarrollando bajo plataforma de software libre. Para esto se ha utilizado el lenguaje interpretado “PYTHON” y programación en “C”, trabajando bajo linux con entorno gráfico de “UBUNTU”.
El funcionamiento del software, se inicia identificando los datos según el orden en que llegan, para recuperar la información que corresponde al valor de cada muestra adquirida.
La información obtenida es graficada de inmediato, con lo cual se obtiene una visualización de la señal ECGAR en tiempo real. El grafico es presentado en un formato cuadriculado que imita al papel estándar usado en los electrocardiógrafos comerciales. El espacio gráfico presentado en pantalla es el equivalente a 5 segundos de adquisición, el cual se refresca automáticamente cada vez que el trazado se completa.
Cuando el usuario finaliza la adquisición, se realiza el almacenamiento los datos en un archivo tipo “csv” (archivos de datos con formato ASCII, estructurado en columnas y con separación de datos en las filas).
2.3 Sistema de transmisión de datos
La arquitectura de la transmisión de datos está basada esencialmente en el uso de telefonía fija y móvil que en la actualidad presentan un gran desarrollo en casi toda la región de América Latina, Fig. 6.
Fig. 6. Estructura General del Sistema Base.
Una vez finalizado el prototipo definitivo del ECG, se pretende reemplazar la
conexión cableada de datos serie a la PC, por una interface inalámbrica. Esto es posible mediante la interface serie, que posee el Módulo ECG, a través de una conexión serie virtual, utilizando un módulo Bluetooth KC111 y KC121 de KC WireFree. Este módulo utiliza líneas de datos y también de control de flujo. Una vez
resuelta la etapa de conexión física ECG-Bluetooth, se procede a realizar la programación manual del KC121, mediante un set de instrucciones/comandos AT especificados en las hojas técnicas, de varios parámetros de configuraciones de dicho módulo, tales como el bit-rate, control de datos, etc, para compatibilizarlo con el dispositivo ECG. La programación mediante comandos AT, se pretende realizar usando el Hiper Términal de WindowsXP.
Algunas pruebas realizadas con anterioridad han generado buenos resultados, logrando la elaboración de tarjetas de adquisición del ECG, Fig. 7, en baja resolución y su transmisión en forma inalámbrica a celulares y posteriormente a computadores.
Fig. 7. Sistema de adquisición ECG desarrollado en la UTN de Mendoza.
Módulo RCM 2110 (Rabbit™ Core Module): Este módulo recibe los datos
digitalizados del circuito de adquisición del ECG, y establece una conexión a Internet Dial-up y transmite los datos hacia un servidor FTP (File Transfer Protocol). Para establecer conexión a Internet el RCM 2110 se conecta, a través de una interface serie RS-232, con un Módem (Modulador/Demodulador) externo.
Los módulos de microprocesamiento Core fueron diseñados para agilizar el desarrollo y la implementación de sistemas dedicados con conectividad Ethernet integrada. El RabbitCore se monta y actúa como el procesador central del sistema diseñado por el usuario. Posee tamaño reducido y ofrece un paquete completo para el control y la comunicación. Se programan con Dynamic C® (lenguaje C) provisto por ZWorld. Las librerías de este entorno de programación contienen todo lo necesario para controlar al procesador Rabbit. La versión utilizada fue Dynamic C 8.3 (Rabbit Semiconductor, 2000).
Recepción RS-232: Los datos digitalizados provenientes de las etapas anteriores son recibidos en uno de los puertos serie del RCM 2110 y se almacenan en el buffer del mismo.
Establecimiento de conexión a Internet. La conexión es del tipo Dial-Up y se realiza mediante un Módem externo Us Robotics Sporster Voice 33.6 Faxmodem. El uso del protocolo PPP (Point to Point Protocol) nos permitió la negociación de direcciones de IP (Internet Protocol) con un ISP (Internet Server Provider).
Transmisión de datos sobre Internet. A nivel de la capa de red y transporte se utilizó el protocolo TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). A
nivel de aplicación, se optó por FTP (Z-World, 2001). Los datos obtenidos de la digitalización de las señales son almacenados en archivos y luego transferidos mediante este protocolo a un servidor FTP.
Transmisión sobre telefonía móvil. Se realizaron pruebas que involucraron conectividad móvil (GSM - GPRS) y en todos los casos, el módulo en cuestión es configurado por medio de instrucciones/comandos AT especificados en las hojas técnicas de dicho dispositivo.
Establecimiento de llamada telefónica. Antes de establecer una llamada telefónica, se debe seleccionar la entrada/salida de audio. En las pruebas realizadas se seleccionó (manos libres). Seguidamente con el comando AT de marcado telefónico se inicializa la comunicación requerida. Cuando el Terminal de destino responde contesta la llamada, se establece la comunicación telefónica móvil.
Envió y recepción de SMS. Para realizar el envío de mensajes cortos (SMS) al comienzo se configura el formato a utilizar y luego de setear el número telefónico destinatario se incluye el cuerpo del mensaje a transmitir. En la recepción de mensajes, el módulo GPRS informa la llegada de un SMS y al aplicar un determinado comando se accede a la lectura del mismo.
Conexión a Internet vía GPRS. La conexión a Internet se realiza con el inicio de conexión GPRS, inmediatamente se hace la configuración de IP DNS.
3 Resultados
Hasta el momento, se ha desarrollado el hardware para la adquisición del ECGAR,
Fig. 8, y se han logrado buenos resultados en el sistema de adquisición y transmisión inalámbrica de la señal ECG, Fig. 10. El software del sistema se encuentra en desarrollo, pero los resultados preliminares han demostrado la eficiencia y las virtudes del proyecto.
Fig. 8. Hardware del sistema (ECGAR DIGICARDIAC).
Al prototipo del hardware de adquisición del sistema se le dio el nombre “ECGAR DIGICARDIAC”. Con el hardware se ha logrado la adquisición y digitalización simultánea de todos los canales de la señal ECGAR, dentro del ancho de banda previsto y con niveles de ruido inferiores a 20 micro voltios (µV). Para el manejo de la adquisición realizada por el hardware “DIGICARDIAC” se diseñó un algoritmo estructurado, que permite captar la información que se transmite sin perdida de datos, presentar gráficamente la señal ECG en tiempo real, Fig. 9, y almacenar los datos para análisis posteriores.
Fig. 9. Señal ECGAR, derivación V5 adquirida con este sistema. Actualmente se está complementando la aplicación desarrollada para realizar el
análisis matemático de la señal ECGAR, con el propósito de detectar índices cualitativos y cuantitativos que permitan realizar detecciones y prediagnósticos de enfermedades cardiovasculares.
En relación con el sistema de transmisión se han realizado con éxito ensayos tanto sobre telefonía fija como telefonía móvil pudiendo registrarse la señal de ECG desde la pantalla de teléfonos celulares y desde una central ubicada en un Hospital de referencia para su procesamiento diagnóstico con un alto nivel de definición. Fig. 10.
Se comprobó el estado de la conexión entre host destino (módulo GPRS) y una PC conectada a internet. Los resultados fueron satisfactorios.
Fig. 10. Prototipos de los módulos de transmisión.
Conclusiones
El problema de la patología cardiaca en América Latina adquiere grandes proporciones cuando se lo asocia a los millones de personas que afecta, a los escasos medios económicos de los sistemas de salud de la región y al bajo nivel de acceso a los centros de salud especializados de gran parte de la población de alta vulnerabilidad que habita en zonas alejadas o marginales de las principales ciudades de Latinoamérica.
La aplicación de la Electrocardiografía de Alta Definición en asociación con sistemas de conectividad móvil, que operan sobre GSM-GPRS, abre una perspectiva nueva al diagnóstico precoz de gran parte de la población y en conjunto constituyen una poderosa plataforma tecnológica. El desarrollo de este proyecto en conjunto tiene su aplicación en políticas de medicina preventiva que garanticen el bienestar de la población más desfavorecida de la Región.
En la actualidad se está trabajando sobre los procesos legales de certificación del equipamiento de adquisición biomédica y sobre el procesamiento inteligente de las señales de ECG. Algunos de los análisis matemáticos se están desarrollando a partir de la aplicación de algoritmos basados en análisis estadísticos, transformada rápida de Fourier y transformada de Wavelets.
De esta manera, la evolución de esta tecnología abre posibilidades enormes al desarrollo de la investigación operativa sobre la patología cardiaca en nuestra región.
Agradecimientos
Se agradece a la Universidad Tecnológica Nacional (UTN) de Argentina y a sus instituciones de investigación científica como el Instituto Regional de Bioingeniería (IRB), de la misma forma se agradece a Universidad de Los Andes de Venezuela y a sus instituciones como el Laboratorio de instrumentación Científica de la Facultad de Medicina (LIC-M) y al Grupo de Ingeniería Biomédica (GIBULA). También se agradece a las instituciones que con su financiamiento hacen que este proyecto sea factible, como son FONACIT (Contrato Nº 200700581), a CENDITEL y al CDCHT (proyecto: I-947-06-07-A e I-1051-07-02-ED) de Venezuela, y al SCIT y los organismos gubernamentales de Argentina.
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