metodología para la adquisición, procesamiento y análisis

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Centro de Estudios de Electrónica y Tecnologías de la

Información(CEETI)

TRABAJO DE DIPLOMA

Metodología para la adquisición, procesamiento y

análisis de señal ECG en ratones

Autor: Yoel E.Tejeda Rodríguez

Tutor: Ing. Héctor Arturo Kairuz Hernández-Díaz

Lic. Dany Domínguez Pérez

MCs. Alexander Falcón

Santa Clara

2012

“Año 54 del Triunfo de la Revolución”

Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central

“Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad

de Ingeniería en Biomédica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución,

para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no

podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.

Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de

la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un

trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.

Firma del Autor

Firma del Jefe de Departamento

donde se defiende el trabajo

Firma del Responsable de

Información Científico-Técnica

i

PENSAMIENTO

Ciencia y técnica

Significa preparar un país, crear un país, no importa de

dónde partamos hoy; pero si crear un país que vive de su

inteligencia y su sudor (…) eso solo la ciencia y la técnica lo

pueden hacer.

Fidel Castro Ruz.

ii

DEDICATORIA

Quiero dedicar este trabajo a mi familia en general, en especial a mis padres, a mi hermano

Yunier, a mis abuelos y a mi amigo Cristóbal.

iii

AGRADECIMIENTOS

Agradecer no es difícil, lo difícil es saber cómo y a quien; por lo tanto aspiro agradecer en

este trabajo a:

“Mi madre, por ayudarme en los momentos más difíciles, dándome amor y apoyo”

“Mi padre, por aconsejarme y guiarme en todo momento”

“Mi hermano por darme su confianza y cariño”

“Todo el que convive conmigo por brindarme el amor de lo que llamamos familia…”

“Cristóbal, Edith Lumey, Mayumi, Odalys, por su apoyo incondicional en cada momento”

“Todos mis amigos y compañeros por lo mucho que significan para mi…”

“Mi tutor Héctor Arturo Kairuz por enseñarme a sacar lo máximo de mi en todo momento”

iv

TAREA TÉCNICA

Adquisición de la señal ECG en ratones utilizando los medios que poseen el CEETI

(Front-End y el Osciloscopio Digital Tektronix).

Procesamiento digital de la señal ECG adquirida utilizando el software MATLAB.

Determinación de los puntos de interés de la señal ECG en ratones.

Programación y diseño de la interfaz gráfica del software.

Firma del Autor Firma del Tutor

v

RESUMEN

Este trabajo aborda el tema de la detección de eventos en la señal electrocardiográfica en

ratones de laboratorio (OF-1) empleando algoritmos a la medida (modificados de los

estándares utilizados en humanos y otros de novedad científica). El objetivo es crear un

método viable para la adquisición, análisis y almacenamiento de este tipo de señales el cual

no existe en estos momentos en la UCLV. Estos elementos permitirán un diagnóstico

clínico adecuado del posible efecto de fármacos en dichas criaturas. Para ello se configuran

los equipos a la medida de acuerdo a las particularidades de los animales involucradas y a

la extensión de estos estudios. El acercamiento presentado es basado en el uso combinado

de filtros y umbrales adaptables. Esta metodología se utiliza en los estudios del efecto de

drogas en la variación del ritmo cardíaco del corazón.

vi

INDICE GENERAL

PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i

DEDICATORIA .................................................................................................................... ii

AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii

TAREA TÉCNICA ................................................................................................................ iv

RESUMEN ............................................................................................................................. v

INDICE GENERAL .............................................................................................................. vi

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1

CAPÍTULO 1. Fundamentos Teóricos de la Señal Electrocardiográfica ........................ 3

Introducción ........................................................................................................................ 3

1.1 Características del ratón como modelo biológico. ................................................... 3

1.2 Antecedentes de la señal Electrocardiográfica ........................................................ 4

1.3 Características de la señal Electrocardiográfica ....................................................... 5

1.4 El electrocardiograma (ECG) ................................................................................... 5

1.4.1 Onda P ............................................................................................................... 6

1.4.2 Complejo QRS .................................................................................................. 6

1.4.3 Onda T .............................................................................................................. 6

1.5 Sistemas de adquisición de datos ............................................................................. 7

1.5.1 Sensor/Transductor ........................................................................................... 7

1.5.2 El acondicionamiento de la señal ...................................................................... 7

1.5.3 El conversor análogo digital ............................................................................. 8

1.5.4 La computadora ............................................. ¡Error! Marcador no definido.

1.6 Aislamiento galvánico con la PC ............................................................................. 8

vii

1.7 La señal VRC ........................................................................................................... 8

1.7.1 Causas de la variabilidad del ritmo cardíaco .................................................... 8

CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS ................................................................... 10

2.1 Equipo de adquisición de señales ECG (Font-End) ............................................... 10

2.2 Características del PSoC ........................................................................................ 11

2.3 Tarjeta de adquisición de la PC, modelo Dag Board 200 ...................................... 12

2.4 Interfaz ECG-PC .................................................................................................... 13

2.4.1 Alimentación ................................................................................................... 13

2.4.2 Circuito de aislamiento y adaptador de niveles. ............................................. 15

2.5 Multisim / Ultiboard 10.1 ....................................................................................... 17

2.5.1 Multisim 10.1 .................................................................................................. 17

2.5.2 NI Ultiboard 10.1 ............................................................................................ 18

2.5.3 Circuito diseñado en Multisim 10.1 de la interfaz de ECG-PC ...................... 18

2.5.4 Circuito impreso utilizando el NI Ultiboard 10.1 para la comunicación de

ECG –PC. ...................................................................................................................... 19

2.6 Protocolo para la captura de la señal ECG de los ratones ...................................... 20

2.7 Procesamiento de la señales ECG .......................................................................... 21

2.7.1 Detector manual .............................................................................................. 21

2.7.2 Detector de QRS ............................................................................................. 24

CAPITULO3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................. 27

3.1 Desempeño de los algoritmos diseñados ................................................................ 28

Tabla 3.1 Resultados de comparación del grupo de control ................................................ 29

Tabla 3.2 Resultados de comparación del grupo de tratado ................................................ 29

3.2 Interfaz gráfica Mice .............................................................................................. 31

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 33

viii

Conclusiones ..................................................................................................................... 33

Recomendaciones ............................................................................................................. 33

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 34

INTRODUCCIÓN 1

INTRODUCCIÓN

El electrocardiograma (ECG/EKG, del alemán Elektrokardiogramm) es el gráfico que se

obtiene con el electrocardiógrafo para medir la actividad eléctrica del corazón en forma

continua. Se utiliza para medir el ritmo y la regularidad de los latidos, así como el tamaño

y posición de las aurículas y ventrículos. Las señales bioeléctricas generadas por el cuerpo

contienen información relevante sobre los sistemas biológicos subyacentes. Su

decodificación ha permitido identificar y clarificar un gran número de condiciones

patológicas. A lo largo de los años el estudio del electrocardiograma (ECG) ha sido de

vital importancia para la detección de diferentes patologías relacionadas con el corazón, ya

sean personas o animales; alguna de estas enfermedades pueden causar la muerte. Los

anímales que se utilizan para este tipo de estudio son los ratones de laboratorios, estos

animales se emplean para realizar estudios que posteriormente puedan ser aplicados en

humanos. El estudio del ECG en ratones, aporta una forma de onda diferente en el registro,

debido a la morfología del corazón de estos animales y los efectos delos

medicamentosinoculados durante el estudio.

INTRODUCCIÓN 2

OBJETIVO GENERAL

Desarrollar una metodología para adquirir, procesar y analizar señales de

Electrocardiograma en ratones.

OBJETIVOS ESPECÌFICOS

Adquirir la señal ECG en ratones con los medios que posee el CEETI.

Procesar la señal ECG en ratones con el empleo del software MATLAB.

Diseñar un software para la detección de los puntos de interés para la señal ECG en

ratones.

.

CAPÍTULO 1. Fundamentos Teóricos

3

CAPÍTULO 1. Fundamentos Teóricos de la Señal Electrocardiográfica

Introducción

Elelectrocardiograma (ECG) es el gráfico que se obtiene con el electrocardiógrafo para

medir la actividad eléctrica del corazón de forma continua.A lo largo de los años, el uso del

electrocardiograma (ECG) ha sido de vital importancia para la detección de diferentes

patologías cardiovasculares de personas o animales. Por otra parte, los animales de

experimentación más comúnmente empleados en evaluaciones farmacológicas son los

ratones.

1.1 Características del ratón como modelo biológico

El hombre siempre se vio en la necesidad de descubrir reacciones biológicas del cuerpo

humano, cómo estaba compuesto el mismo, dónde se encontraban los órganos, qué

funciones tenían, cómo probar vacunas y medicamentos, y observar sus reacciones.

Ya en el siglo segundo DC el médico romano Galeno ya experimentaba con cerdos, monos,

y otros animales para demostrar que las venas transportaban sangre y no aire como se

planteaba en aquel entonces. Aquellos animales traían una serie de contradicciones ya que

eran animales muy grandes,de difícil manipulación y mayor costo.Por lo tanto surge la

necesidad de buscar un modelo experimental más oportuno y esto es lo que introdujo el

ratón al laboratorio, debido a que cumple con una serie de ventajas enumeradas a

continuación.

Animal pequeño.

Fácil manipulación.

Muy prolíferos.

Fácil adaptación al medio.

Bajo costo.

Todos estos requisitos convierten al ratón en un biomodelo ideal para la experimentación

animal.


4

Primeramente se utilizaron como animales convencionales (clínicamente sanos), pero con

el avance de la biotecnología y la aparición de nuevas enfermedades se hizo inminente la

necesidad de probar medicamentos más específicos en animales de mejor calidad, que

puedan dar una respuesta inmune mayor que la de un animal convencional al no presentar

ningún germen patógeno, por lo que se crean los ratones SPF o LPE (libre de gérmenes

patógenos específicos), logrados a través de una histerectomía [1].

1.2 Antecedentes de la señal Electrocardiográfica

En 1872, Alexander Muirhead, durante sus estudios de postgrado en el Hospital de San

Bartolomé de Londres, conectó alambres a la muñeca de un paciente febril con el fin de

obtener un registro de los latidos del corazón. Esta actividad se registró directamente para

ser visualizado por un electrómetro de Lippmann por el fisiólogo británico John

BurdonSanderson [2].

En el siglo XIX se hizo evidente que el corazón generaba electricidad. La actividad

bioeléctrica correspondiente al latido cardíaco fue descubierta por Kolliker y Mueller en

1856. El primero en aproximarse sistemáticamente a este órgano bajo el punto de vista

eléctrico fue AugustusWaller, que trabajaba en el hospital St. Mary, en Paddington

(Londres) [6]. Aunque en 1911 aún veía pocas aplicaciones clínicas a su trabajo, el logro

llegó cuando WillemEinthoven, que trabajaba en Leiden (Países Bajos), descubrió el

galvanómetro de cuerda, mucho más exacto que el galvanómetro capilar que usaba Waller.

Einthoven asignó las letras P, Q, R, S y T a las diferentes deflexiones y describió las

características electrocardiográficas de gran número de enfermedades cardiovasculares. Le

fue otorgado el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1924 por su descubrimiento[4].

Por otro lado la compañía Cambridge Scientific Instruments, ubicada en Londres fabricó

por primera vez la máquina de Einthoven en 1911, y en 1922 se unió con una compañía en

Nueva York para formar Cambridge Instruments Company, Inc. Desde entonces, ambas

compañías se han beneficiado con el intercambio mutuo de tecnología. Poco tiempo

después el electrocardiógrafo demostró su valor en eldiagnóstico médico y hoy se mantiene

como uno de los instrumentos electrónicos más empleados en la medicina moderna [5].


5

1.3 Características de la señal Electrocardiográfica

El electrocardiograma (ECG ó EKG) es una señal cuasiperiódica y a la vez es una

herramienta muy importante para detectar cardiopatías y para apuntar a qué nivel está la

dificultad cuando el corazón falla. El ECG es una representación gráfica de las fuerzas

eléctricas que trabajan sobre el corazón. Durante el ciclo cardíaco de bombeo y llenado, un

patrón conocido de pulsos eléctricos cambiantes refleja exactamente la acción del corazón.

Estos pulsos pueden ser recogidos a través de electrodos. La actividad del corazón

representada por ondas características puede así ser evaluada instantáneamente en un

monitor de TV o ser impresa sobre un papel milimetrado, (Figura 1.1).

Figura 1.1. Papel milimetrado en que se ve el electrocardiograma.

1.4 El electrocardiograma (ECG)

El trazado típico de un electrocardiograma es registrando un latido cardíaco normal consiste

en una onda P, un complejo QRS una onda T. La pequeña onda U normalmente es

invisible. Estos son eventos eléctricos que no deben ser confundidos con los eventos

mecánicos correspondientes, es decir, la contracción y relajación de las cámaras del

corazón. Así, la sístole mecánica o contracción ventricular comienza justo después del

inicio del complejo QRS y culmina justo antes de terminar la onda T. La diástole, que es la

relajación y rellenado ventricular, comienza después que culmina la sístole

correspondiendo con la contracción de las aurículas, justo después de iniciarse la onda P.


6

1.4.1 Onda P

La onda P es el resultado de la activación, contracción o despolarización auricular. Ambas

aurículas, derecha e izquierda, se contraen simultáneamente para bombear la sangre hacia

los ventrículos. Hecho que se produce al trasmitirse el impulso eléctrico desde el nodo

sinoauricular (nodo SA) al nodo auriculo-ventricular (nodo AV). La onda P irregulares o

inexistentes, puede indicar una arritmia. Su relación con los complejos QRS determina la

presencia de un bloqueo cardíaco. La repolarización de la onda P queda escondida en el

comienzo del complejo QRS.También la onda P depende de corrientes eléctricas generadas

cuando las aurículas se despolarizan antes de la contracción.

1.4.2 Complejo QRS

El complejo QRS es producido por corrientes cuando los ventrículos se despolarizan antes

de contraerse. El QRS es consecuencia de la activación, contracción o despolarización

ventricular para bombear la sangre hacia fuera, el fenómeno se produce por la trasmisión

del impulso eléctrico a través de ambos ventrículos (las 2 cavidades inferiores del corazón),

la cual es mucho más potente que la de las aurículas, produciendo de este modo una mayor

deflexión en el ECG.

La onda Q cuando está presente, representa la pequeña corriente horizontal (de izquierda a

derecha) del potencial de acción viajando a través del septum interventricular. Las ondas R

y S indican contracción del miocardio. Las anomalías en el complejo QRS pueden indicar

bloqueo de rama (cuando es ancha), taquicardia de origen ventricular, hipertrofia

ventricular u otras anomalías ventriculares. Los complejos son a menudo pequeños en las

pericarditis.

1.4.3 Onda T

La onda T está causada por corrientes nacidas cuando los ventrículos se recuperan del

estado de despolarización. Este proceso ocurre en el músculo ventricular 0.25 a 0.35

segundos, después de la despolarización, y esta onda se conoce como onda de

repolarización, la onda T indica el período de recuperación (repolarización) de los

ventrículos [6]. (Figuras 1.2).


7

Figura 1.2. Señal de ECG en humanos (izquierda), ratas y ratones (derecha).

1.5 Sistemas de adquisición de datos

Un sistema de adquisición de datos monitorea un proceso o una serie de procesos

colectando lecturas de varios sistemas físicos. Estas lecturas son procesadas y almacenadas

de manera que los datos resultantes puedan presentarse en un formato útil. Los sistemas de

adquisición constan de cuatro partes principales que se relacionan a continuación.

1.5.1 Sensor/Transductor

Reacciona ante una magnitud física (como presión, fuerza, frecuencia, temperatura, etc.) y

codifica esa magnitud en forma de señal eléctrica. Los transductores pueden variar sus

señales en tipo y potencia, algunos generan voltajes o alteran un valor constante del mismo,

otros generan corriente o varían su resistencia. La señal eléctrica puede variar directa o

inversamente con la magnitud física que se mide y esta variación puede ser linear o no

linear. Para que esta señal eléctrica sea útil debe ser acondicionada.

1.5.2 El acondicionamiento de la señal

Convierte la señal del transductor en un voltaje acondicionado listo para enviar al conversor

análogo digital (ADC por sus siglas en inglés). Dependiendo de la calidad de la señal se

involucran más o menos etapas en este proceso como pueden ser: linealización, aislamiento

de alto voltaje, amplificación o atenuación, filtrado y muestreo y retención (S/H por sus

siglas en inglés).


8

1.5.3 El conversor análogo digital

Convierte una señal analógica acondicionada en un número digital. Estos números son

fácilmente utilizados por las computadoras con software compatibles para procesar y

almacenar señales del mundo real [7].

1.6 Aislamiento galvánico con la PC

Para cumplir con los requerimientos de aislamiento, por la necesidad e importancia de la

protección al paciente o al animal en este caso de los efectos de macro choque y micro

choque eléctrico, es necesario utilizar un conversor DC/DC que aísla galvánicamente al

animal de la red eléctrica [8]. Además, para lograr el aislamiento con la PC se deben

utilizar optoacopladores en las líneas de transmisión y recepción [8], [9]. De esta forma,

quedan aisladas galvánicamente las líneas de Tx y Rx.

1.7 La señal VRC

El nodo sinoauricular es la fuente de los impulsos repetitivos que dan lugar a los latidos

normales del corazón. Normalmente la conducción correcta del impulso eléctrico generado

en el nodo sinoauricular a través del haz de His, junto con el período refractario

especialmente elevado de las fibras de Purkinje, bloquea cualquier otra actividad eléctrica

excepto aquella que proviene del nodo sinoauricular. El estudio de la variabilidad del ritmo

cardíaco consiste en analizar la variación de los instantes de ocurrencia de los latidos de

forma que se puedan inferir propiedades de interés clínico del sistema cardiovascular [10],

[11].

1.7.1 Causas de la variabilidad del ritmo cardíaco

La actividad del nodo SA está regulada por el sistema nervioso autónomo (SNA), que se

encarga de modular la respuesta cardiovascular en función de las necesidades de cada

sujeto. El SNA está dividido en dos sistemas o ramas: la simpática y la parasimpática. La

rama parasimpática actúa sobre el nodo SA a través del nervio vago, por lo cual se suelen

emplear como sinónimos sistema parasimpático y sistema vagal. Se acepta como regla en el


9

estudio del ritmo cardíaco que la excitación proveniente del sistema simpático acelera el

ritmo mientras que la proveniente del sistema parasimpático lo desacelera. Como ambos

sistemas actúan simultáneamente se producen oscilaciones alrededor del ritmo cardíaco

medio; por lo tanto, el origen de la variabilidad del ritmo cardíaco es la interacción entre

ambos sistemas. Puesto que el sistema nervioso autónomo recibe información de muchos

otros sistemas, estos también intervienen en el ritmo cardíaco. Los que afectan de forma

más notable la variabilidad del ritmo cardíaco son los siguientes:

Sistema respiratorio.

Sistema vasomotor.

Sistema termorregulador.

Sistema nervioso central.

Debido a estas influencias indirectas, el estudio de la variabilidad del ritmo cardíaco no

sólo aporta información acerca del sistema cardiovascular sino que además permite evaluar

el estado de diferentes sistemas fisiológicos cuya medición de forma directa resulta

forzosamente invasiva [10].

1.8 Conclusiones:

El análisis de las toxinas a partir de la señal ECG de ratones es un tema que requiere de un

estudio pormenorizado de los parámetros de captura y posterior procesamiento de los datos.

Los resultados provenientes del mismo son valiosos para la investigación y el desarrollo de

nuevos fármacos.

CAPÍTULO 2. Materiales y Métodos. 10

CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS

En este capitulo se exponen los materiales y métodos utilizados para el desarrollo de la

interfaz necesaria para la captura y procesamiento de las señales ECG de ratones de

laboratorios. Se aborda el análisis de los parámetros correspondientes para la captura de la

señal en cuanto a la selección de derivaciones, frecuencia de corte y ganancia. Por último

las características de la interfaz grafica para el análisis de los datos adquiridos. (Figura 2.1)

Figura 2.1. Diagrama en bloque del modulo de acondicionamiento de la señal ECG en Humanos.

2.1 Equipo de adquisición de señales ECG (Font-End)

El Front-End es un equipo fabricado en la Universidad de New Brunswick, Canadá, que

consta de amplificadores de instrumentación y aislamiento, filtros, tarjeta de adquisición de

la firma IOTech y software incorporado.

El mismo se emplean en la adquisición de señales electrofisiológicas de propósito general,

diseñado e implementado con propósitos investigativos, por lo cual supera las

características generales de otros canales de adquisición convencionales.


Características:

Posee 4 canales de entradas y 4 canales de salidas.

Una ganancia diferencial configurable desde 100 a 10000.

Razón de rechazo al modo común (CMRR por sus siglas en inglés) de 100dB.

Resistencia de entrada de 100MΩ.

Filtro antialisaing con aproximante de Bessel.

Filtros paso alto configurable, con Fc de 0.5 y 1Hz.

2.2 Características del PSoC

Para el desarrollo de la interfaz entre la señal ECG y la PC, se decidió utilizar el PSoC de la

serie CY8C27443 ya que este ofrece 12 bloques analógicos, 8 bloques digitales y un

procesador M8C (8-bit) y 4MIPS, todos configurables, en un encapsulado de 28 terminales.

Los PSoC permiten la reconfiguración dinámica, contribuyendo a que múltiples funciones

operen en el mismo chip en tiempos diferentes y en la misma aplicación [12].

Los PSoC ofrecen múltiples ventajas para el acondicionamiento, al tener amplificadores

operacionales con bajo offset de entrada (5 mV) y bajo ruido (80 nV/√Hz) [12],[13],[14],

[15] amplificadores de ganancia programable (hasta 48×) y amplificadores de

Instrumentación (topologías de dos y tres operacionales), con razón de rechazo al modo

común de unos 60 dB. La ganancia DC en lazo abierto de los amplificadores es de 80 dB,

el ancho de banda para ganancia unitaria es de 12 MHz y la razón de cambio es de 8 V/µs,

mientras que los resistores no difieren en más de 0,5 %. Los terminales de entrada/salida

son configurables y cada uno puede entregar hasta 10 mA, (existen 4 salidas de 40 mA) y

recibir hasta 25 mA [12]. También existe además una amplia gama de filtros que se

pueden configurar a la medida del acondicionamiento requerido [16], [17], [18]. Tanto la

referencia como el potencial de tierra pueden ser seleccionados de acuerdo a la aplicación

de que se trate: BandGap para sistemas de voltaje absoluto, Vdd/2 para sistemas radio-

métricos y referencia externa, Vref, para incrementar flexibilidad [14], [15].

El CY8C27443 posee multiplexores de 4 y 8 entradas analógicas. Para implementar los

filtros anti-aliasing cuenta con topologías de filtros paso-bajo activos con bloques de


tiempo continuo, que son las más recomendadas [16], [17], pero también se dispone de

configuraciones basadas en bloques de capacitores conmutados (también útiles en el

acondicionamiento general), que no requieren de ninguna componente externa [18]. La

configuración de amplificador de instrumentación con tres operacionales (última etapa con

capacitores conmutados) puede sincronizarse con los convertidores A/D, por lo que no

requieren de bloques de muestreo/retención.

El CY8C27443 tiene un núcleo microprocesador empotrado M8C, con arquitectura

Harvard, que puede trabajar hasta 24MHz. Además, contiene un multiplicador por

hardware, que permite implementar funciones básicas de procesamiento digital, así como el

control de los convertidores, amplificadores, filtros y demás bloques del sistema. Este

dispositivo da múltiples opciones de comunicación, destacándose el chequeo que puede

realizar de redundancia cíclica (CRC) de 2 a 16 bits, así como la implementación de los

estándares: I2C (de Philips), SPI y UART (para comunicación serie). Además, existen

algunos dispositivos de la familia capaz de comunicarse inalámbricamente. Tiene 16

KBytes de memoria de programa flash con protección robusta de lectura/escritura; también,

ofrece emulación de EEPROM en flash y poseen 256 Bytes de SRAM.

El CY8C27443 resulta adecuado desde el punto de vista de su bajo consumo, incluso a alta

velocidad, presentando flexibles modos de reposo (sleep), con corrientes tan bajas como

3µA. Sus voltajes de trabajo van desde 3V hasta 5,25V, aunque puede ser bajado a 1V,

usando SMP (switchmodepump).

2.3 Tarjeta de adquisición de la PC, modelo Dag/Board 200

La tarjeta Dag/Board 200 esta asociada al Front-End la misma cuenta con características

favorables para la adquisición de las señales electrofisiológicas, pero depende de una

computadora de muy bajas prestaciones (se conecta en la PC mediante un slot del puerto

ISA [7] lo cual limita su explotación. En el presente trabajo se utiliza para comparar con

otros métodos de digitalización con que cuenta el departamento CEETI.

Características:

Resolución de 16 bits.

2 canales de salidas analógicas de 12 bits.


La selección bipolar o unipolar es (secuencial).

Líneas digitales de salidas y entradas programables es (16 de alta velocidad y 24

de propósito general).

Contador y temporizador programables son 5 canales a 7 MHz.

Conectividad por el puerto paralelo.

2.4 Interfaz ECG-PC

En esta sección se presenta la interfaz para adquirir la señal ECG de ratones de laboratorios

utilizando un acople mediante el Front-End hacia la PC. Que consta de una fuente de

alimentación para el PSoC, un bloque que comprende un circuito acondicionamiento de

niveles y aislamiento galvánico entre el ECG y la PC. En la Figura 2.2 se puede apreciar el

diagrama en bloque de la comunicación del ECG-PC.

Figura 2.2. Diagrama en bloque de la comunicación del ECG-PC.

2.4.1 Alimentación

Por la necesidad de obtener una alimentación bipolar de ±2.5V para la parte analógica del

PSoC y 5V para la parte digital del PSoC, Se regula una fuente aislada del Front-End de


±15V con un circuito que utiliza reguladores integrados “programables” con un montaje

compacto, fiable y que provoca pocas variaciones de voltaje (en el orden de las unidades de

mV). Se seleccionaron el LM317 [19]y el LM337 [20] disponibles, al haber sido

recuperado de equipos médicos en desuso. Estos reguladores entregan un voltaje regulado a

la salida en dependencia de la R1, R2, R3 y R4, según las expresiones 2.1 y 2.2:

𝑉0 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 ∗ 1 +𝑅2

𝑅1 + 𝐼𝑎𝑑𝑗 ∗ 𝑅2 (2.1)

𝑉0 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 ∗ 1 +𝑅4

𝑅3 + −𝐼𝑎𝑑𝑗 ∗ 𝑅4 2.2

Donde el voltaje de referencia (Vref) es de 1.25V para el LM317 y -1.25V para el LM337;

la corriente de Iadj es de 10uA por lo que se desprecia [19], [20].

Según las expresiones se tomaron lo valores de R1, R2, R3, R4 iguales a 330 Ω estos se

seleccionaron con una tolerancia de 20%, pero cuidando que sean lo más semejante

posibles, para obtener +2.5V y -2.5V en sus respectivas salidas, como se aprecia en la

Figura 2.3. En este diseño se emplean los capacitores de 2.2μF para filtrar las pequeñas

variaciones de voltaje que puedan producirse, en paralelo se colocan capacitores de 0.1 μF

que responde mejor a las altas frecuencias.

Figura 2.3. Voltaje a la salida de los reguladores LM317 y LM337.


En la figura 2.4 se muestra el diseño del circuito de alimentación para el PSoC y el circuito

del aislamiento galvánico.

Figura 2.4. Diseño de la fuente de alimentación del PSoC y del aislamiento galvánico.

2.4.2 Circuito de aislamiento y adaptador de niveles.

Por la necesidad e importancia que representa para el experimento la seguridad bioeléctrica

del ratón, es preciso garantizar el aislamiento galvánico de la interfaz [21], [22]. Por otro

lado, se requiere la conversión de niveles TTL a RS232 y viceversa, para la comunicación

por el puerto serie, ya que el PSoC utiliza transmisión y recepción con niveles TTL (entre 0

y 5 V) y la PC utiliza niveles RS232 (entre +12 V y -12 V). Además se necesita que este

bloque de aislamiento sea de poco peso y tamaño reducido, por lo que se selecciona el

circuito integrado CNY17 [22].

Para lograr un aislamiento galvánico efectivo se necesitan dos fuentes de alimentación

independientes, una para el ECG y otra para la PC. Por ello se tomaron los 5V del PSoC y

para la transmisión (TxD) y recepción (RxD) de la PC, los voltajes de alimentación se

tomaron del conector DB-9 del puerto serie (Figura 2.5), utilizando GND como tierra de

referencia, los +12V son proporcionados en los terminales RTS y DTR, este se niega por

software y se conecta a través de un diodo en paralelo con RTS y así proporciona mayor


corriente al circuito. Como TxD está la mayor parte del tiempo en alto (-12 V) se tomaron

los -12V necesarios. Cuando TxD está en bajo el capacitor está cargado, logrando los -12 V

hasta que TxD vuelva a estar en alto.

En el laboratorio se le efectúan pruebas al circuito de la Figura 2.5. Para ello se lleva a cabo

el montaje del circuito en una breadboard, alimentado con fuentes independientes (tierras

aisladas) y mediante un generador de ondas Iwatsu Electric Co.se proporciona una onda

cuadrada por TxD. De la parte del ECG se prueban con niveles TTL (entre 0 y 5 V) y de la

parte de la PC se calibran niveles RS232 variables (-12 V a +12 V). Se varía la frecuencia

de la onda cuadrada y son observadas a través de un osciloscopio, ambas formas de ondas

se utilizan para determinar la máxima frecuencia que puede transmitir por el

optoacoplador, que es de 48461 por el CNY17 en el diseño propuesto.

Figura 2.5. Circuito de aislamiento y adaptador de niveles para la comunicación entre el PSoC y la PC.


2.5 Multisim / Ultiboard 10.1

2.5.1 Multisim 10.1

Para la puesta a punto del circuito diseñado y diseño del impreso se utiliza el Paquete

Multisim/Ultiboard 10.1 por ser una poderosa herramienta de ayuda al diseño y simulación.

El multisim es una herramienta ampliamente usada en el campo profesional, gracias a su

potente entorno interactivo, no requiere un conocimiento amplio en simulación. Con

Multisim se realiza captura, simulación y pos procesado en el mismo entorno [24], lo que

elimina los altos costos de realizar el diseño en múltiples etapas repetitivas, asegurando la

alta calidad en la simulación y medidas en el diseño. La familia de productos a nivel

profesional de Multisim (Base, Full y Power Pro) ofrece un amplio conjunto de

herramientas para los diseñadores profesionales:

Entorno de diseño intuitivo.

Cableado sin modelado y colocación.

Instrumentos virtuales interactivos.

Asistentes para creación automática de circuitos.

Rubberbanding sobre componentes y cableado.

Fácil exportación al diseño PCB usando NI Ultiboard.

24 tipos de análisis.

Más de 16 000 componentes, todos con modelos listos para ser simulados.

Fácil adición de nuevas partes y modelos de simulación.

Simulación con micro-controladores y co-simulación VHDL.

Intercambio de información e instrumentos desde y hacia LabVIEW y Signal

Express.


2.5.2 NI Ultiboard 10.1

El NI Ultiboard 10.1 es una herramienta intuitiva para el diseño de circuitos impresos, PCB

Layout y enrutamiento con un entorno completamente personalizable para asegurar la fácil

accesibilidad e inmediata productividad. Incluye hoja de cálculo avanzada, caja de

herramientas, asistentes para el diseño y control, incluyendo la definición de cualquier tipo

de tarjeta. Los usuarios pueden hacer diseños PCB usando los existentes desde Multisim o

realizándolos desde el inicio, usando las partes que conforman la amplia base de datos de

Ultiboard . También contiene múltiples características que ahorra mucho tiempo y ayuda al

usuario a comprender mejor el comportamiento del circuito y el por qué de su diseño. La

integración con NI Multisim permite transferencia directa entre el esquemático y el diseño

PCB, además de asegurar el intercambio interactivo de información en las dos direcciones.

Incluye herramientas flexibles que optimizan el posicionamiento de partes y las capas con

altísima precisión que permite definir elementos críticos de la tarjeta o automatizar la

funcionalidad para ayudar a terminar el diseño rápidamente. Podrá hacer exportaciones a

estándares industriales como Gerber y DXF, que le permitirán completar el flujo de diseño

[25].

También se utilizan para:

Preparar a los estudiantes para las actividades de diseño profesional con PCB yauto

enrutamiento.

Anotación bidireccional.

Exporta formatos estándar, incluyendo Gerber.

Diseños de hasta cuatro capas y 1000 pines.

Visualización 3D del diseño.

2.5.3 Circuito diseñado en Multisim 10.1de la interfaz de ECG-PC

Mediante el circuito diseñado en Multisim 10.1 que se muestra en la Figura 2.6 se visualiza

la interfaz creada de la comunicación de ECG-PC.


Figura 2.6. Circuito diseñado de la interfaz de ECG-PC.

2.5.4 Circuito impreso utilizando el NI Ultiboard 10.1 para la comunicación de ECG

–PC.

Utilizando el Ultiboard se diseñó el circuito impreso de la figura 2.7. Un conector DB9 con

cable apantallado que sirve para la conexión con la PC. Los voltajes de ±15V y GND llegan

a la interfaz proveniente del Front-End en el conector de 15 terminales del mismo.

Figura 2.7. Impreso de la comunicación de ECG-PC.


2.6 Protocolo para la captura de la señal ECG de los ratones

Se utilizaron ratones de laboratorios OF-1 de 2 meses, con pesos entre 18 y 22 gramos. Se

dividen en dos grupos, tratado y control. A ambos grupos se les inyecta tiopental como

anestésico de forma intraperitonial, en una dosis de 30 mg/kg. Se espera 1 min y se le pone

una máscara de éter durante 30s. Luego se le colocan electrodos subcutáneos de agujas,

empleando la derivada (LII), ya que esta adquiere una mayor amplitud de la onda R y

posee una magnificación de la onda R y T. Se fija a una superficie de poliespuma, al grupo

de control, se inocula con 100 µL de NaCl (0.9%), mientras que al de tratado se le inocula

100 µL de una toxina de anémonas [26].

Luego se comienza el registro durante 20 min en la PC y 400 segundos en el Osciloscopio

Tektronix simultáneamente.

Teniendo en cuenta las características espectrales y dinámicas de la señal ECG en los

ratones, esta fue acondicionada usando un filtro paso alto con frecuencia de corte de 0,5 Hz

y uno paso bajo de Bessel de orden 8 con frecuencia de corte a 500 Hz, la frecuencia de

muestreo utilizada es de 1000 Hz, la resolución del ADC de 16bits y la ganancia diferencial

es de 2000.

Se emplean los electrodos de agujas que perforan la epidermis por lo tanto se elimina el

tratamiento necesario para el acondicionamiento de la piel que requieren los electrodos

superficiales, se captura la señal con mayor intensidad y se logra una fijación del ratón a la

plataforma mediante los mismos. El principal inconveniente de este tipo de electrodos es

que son altamente invasivos; pero su uso se justifica en este caso debido a que el animal se

encuentra anestesiado previamente. (Figura 2.8).


Figura2.8. Adquisición de la señal ECG del ratón y colocación del electrodo de aguja.

2.7 Procesamiento de la señales ECG

Se decide procesar los registros provenientes de la tarjeta Dag/Board 200 debido a que

constituyen un registro continuo del experimento, a diferencia del Osciloscopio Tektronix

que ofrece una secuencia de 400 segundos con posibles pérdidas de información por

saturación de la memoria del equipo. Se utilizan dos vías de procesamiento, una manual y

otra automática. La vía manual se implementa para el uso de los especialistas que requieran

de alta precisión en la detección de variabilidad cardiaca. El detector automático por otra

parte debe garantizar un error mínimo para su posible uso en grandes volúmenes de datos

2.7.1 Detector manual

En el detector manual se segmenta la señal ECG en ventanas de un minuto cada 30

segundos, realiza un procesamiento general que realza los QRS del resto de la señal

mediante una variante del algoritmo de Tompkins [27] que cuenta con filtrado pasa banda


con banda de paso que se extiende desde 50Hz hasta 120Hz Figura 2.9, con aproximante

Chebyshev tipo I, error en la banda de paso de 0.5dB y orden 4. Este filtro se deriva del

análisis del espectro de potencia de las señales capturadas Figura 2.10. A continuación se

eleva la señal al cuadrado y se pasa a través de un filtro de promedio móvil con ventana de

30 milisegundos. Posteriormente se procede a analizar cada trama (T) de forma manual y se

le fija un umbral auxiliándose del mouse de la computadora Figura 2.11 y Figura 2.12.

Figura 2.9. Gráfica del filtro pasa banda.

Figura 2.10. Espectro de potencia de la señal capturada.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

Frecuencia (Hz)

Magnitud (

dB

)

Filtro pasabanda

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 50020

25

30

35

40

45

50

55

Frequency (Hz)

Pow

er/

frequency (

dB

/Hz)

Welch Power Spectral Density Estimate


Figura 2.11. Gráfica donde se muestra el resultado de forma manual.

Figura 2.12. Diagrama de flujo del detector manual.

3 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 3.45

x 104

-2

0

2

x 104

muestras

Am

plit

ud

Señal ECG

2.95 3 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3

x 104

2

4

6

8

x 107

Am

plit

ud

Señal Procesada


2.7.2 Detector de QRS

El detector de QRS es una modificación del que se ofrece por Tompkins [27]. El

procesamiento general es semejante al algoritmo explicado anteriormente seguido por una

detección de picos cada 84 milisegundos, umbral establecido a partir de los datos del

procesamiento manual, luego se hace una detección de QRS con umbrales adaptativos que

permiten construir las mismas estadísticas que provee el algoritmo anterior Figura 2.13,

Figura 2.14 y Figura 2.15.

Figura 2.13. Diagrama de flujo del detector QRS.


Figura 2.14. Valor medio por minuto del intervalo RR.

Figura 2.15. Comportamiento de la cantidad de latidos por minutos tratado 2


2.8 Conclusiones:

Se puede concluir que con los materiales que cuenta el Departamento CEETI y con la

modificación de algoritmos propuestos en la literatura es posible digitalizar, procesar y

calcular las estadísticas necesarias para el experimento de Toxinas de Anémonas.

CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 27

CAPITULO3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

A partir de los resultados obtenidos se demuestra que el protocolo seguido con los ratones,

la localización y la configuración del sistema de adquisición, alcanza resultados

satisfactorios que permite arribar a conclusiones en la investigación que se lleva a cabo con

las toxinas de anemonas. De forma general las señales se evalúan de excelente por los

especialistas del Departamento de Biología de la UCLV, ya que las mismas muestran con

elevada calidad el complejo QRS y las afectaciones que ocurren en el corazón del animal

durante el experimento. Figura 3.1, Figura 3.2.

Figura 3.1. Señal adquirida control 1.

4.872 4.874 4.876 4.878 4.88 4.882 4.884

x 105

-4

-3

-2

-1

0

1

2

x 104

muestras

Am

plit

ud

señal adquirida de control1


Figura 3.2. Señal adquirida tratado 1.

3.1 Desempeño de los algoritmos diseñados

Con la ayuda del algoritmo para umbralización manual se consiguen resultados estadísticos

fiables para el experimento. Además se crea un estándar dorado para comparar el

desempeño del detector automático de QRS. (Figura 3.3).

2.824 2.826 2.828 2.83 2.832 2.834 2.836

x 105

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4x 10

4

Am

plit

ud

muestras

señal adquirida de tratado 1


Figura 3.3. Señal adquirida (inferior) señal procesada y puntos marcados (superior).

El detector automático de QRS fue probado sobre los datos adquiridos, los resultados de la

comparación con el estándar dorado se muestran en laTabla 3.1 y Tabla 3.2, el error es

calculado mediante la Ecuación 3.1:

𝑒 =|𝑚𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 − 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑚á𝑡𝑖𝑐𝑜|

𝑚𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙100% 3.1

Tabla3.1 Resultados de comparación del grupo de control.

Control Error de cant. Lat./min Error valor medio de RR

0 0.3655 0.0122

1 0.0716 0.0471

2 0.1075 0.1199

3 0.1068 0.1034

4 0.0904 0.0454

Tabla 3.2Resultados de comparación del grupo de tratado.

Tratado Error de cant. Lat./min Error valor medio de RR

0 0.1020 0.0967

1.56 1.58 1.6 1.62 1.64 1.66 1.68 1.7 1.72 1.74 1.76

x 104

-2

0

2

x 104 señal ECG

muestras

Am

plit

ud

1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9

x 104

1

2

3

4

x 107 señal procesada

Am

plit

ud


1 0.0094 0.0139

2 0.0603 0.0567

3 1.7815 4.9518

4 0.2805 0.561

El error máximo alcanzado por el detector de QRS es de 4.95% en los tratados y 0.36% en

los controles, lo cual demuestra su utilidad para procesar grandes volúmenes de datos ya

que el mismo solo presenta dificultades leves en señales ECG extremadamente afectadas

por la toxina.

Los parámetros que se utilizan en el estudio del ritmo cardíaco en animales son muy

dependientes de la ubicación precisa en la señal ECG, a partir de los cuales se calculan las

estadísticas asociadas a la investigación del efecto de la toxina. El método presentado se

utiliza en un estudio para el cual se requieren las variables siguientes: intervalo RR (RR),

cantidad de latidos por minuto (LPM).(Figura 3.4 y Figura 3.5).

Figura 3.4. Valor medio por minuto del intervalo RR.

0 5 10 15150

160

170

180

190

200

210

220

230c3.IOT RR mean&std/min

tiempo en min

tiem

po e

n m

s


Figura 3.5. Comportamiento del LPM en el experimento.

3.2 Interfaz gráfica Mice

A partir de los algoritmos explicados anteriormente, epígrafes 2.71 y 2.72 y utilizando el

programa de MATLAB versión 7.4, se implementa un software cuya interfaz grafica se

muestra en la Figura 3.6. Este brinda la facilidad de cargar las señales de tipo (*.IOT y

*.mat), guarda los QRS detectados por cualquiera de las vías propuestas en formato *.mat o

*.txt y genera las graficas de los análisis RR y LPM. La misma esta diseñada para que los

algoritmos propuestos puedan ser utilizados por especialistas del Departamento de Biología

de la UCLV, relacionados con los experimentos de ECG en ratones, de igual forma se

puede utilizar en la docencia en las asignaturas de Fisiología Animal.

0 5 10 150

50

100

150

200

250

300

350

400c3.IOT latidos/min

tiempo en min

cantidad d

e latidos


Figura 3.6. Interfaz grafica.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 33

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

1. En el presente trabajo se implementó y validó una metodología para la

manipulación de ratones y la captura de la señal ECG de los mismos.

2. Se proponen algoritmos para la detección de los QRS y se prueban

objetivamente la utilidad de los mismos.

3. Con el propósito de facilitar el procesamiento de los datos se crea una interfaz

gráfica de fácil manipulación que ofrece los resultados de los detectores de

QRS.

Recomendaciones

Con el objetivo de dar seguimiento al presente trabajo se proponen las siguientes

recomendaciones:

1. Repetir los experimentos con otros tipos de ratones, toxinas y anestésicos, con

el propósito de generalizar el protocolo de captura de señal ECG en ratones.

2. Implementar otras medidas a partir de la señal ECG que se encuentren

relacionadas con los efectos de la toxina, como puede ser la longitud del

intervalo Q-T.

3. Utilizar un micro - controlador con mayor potencia de cálculo y que posea un

mejor ADC, con mayor frecuencia de muestreo y resolución de al menos 16

bits.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 34

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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