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Resumen—Según la Organización Mundial de la
Salud (OMS) las cardiopatías constituyen una de las
principales causas de muerte en el mundo. La muerte
súbita cardíaca es una de dichas causas, la cual se
presenta debido a fallas cardiovasculares y
cerebrovasculares, originadas en factores de riesgo que
afectan a la persona, tales como tabaquismo, la
hipertensión arterial, alto nivel de colesterol, obesidad,
sedentarismo y exceso de estrés). El artículo presenta el
desarrollo de un sistema de adquisición de las señales
del corazón por medio de un circuito electrónico
basado en sistemas embebidos, con el objeto de
caracterizar y filtrar las señales de la conducción
eléctrica del corazón en personas con posibles
patologías. Se propone por lo tanto que las señales
obtenidas sean almacenadas en un sistema remoto,
transmitidas mediante redes inalámbricas con
conectividad al internet, permitiendo realizar el
seguimiento del paciente en tiempo real y de este modo
lograr una atención más rápida y efectiva.
Abstract--According to the World Health
Organization (WHO), heart disease affected by one of
the leading causes of death in the world. Sudden
cardiac death is one of the causes, which occurs due to
cardiovascular and cerebrovascular failures,
originating in risk factors that affect the person, stories
such as smoking, hypertension, high cholesterol,
obesity, sedentary lifestyle and excess of stress). The
article presents the development of the heart signal
acquisition system through an electronic circuit based
on embedded systems, in order to characterize and
filter the signals of the electrical conduction of the
heart in people with possible pathologies. It is therefore
proposed that the signals obtained be stored in a
remote system, transmitted through wireless networks
with internet connectivity, can track the patient in real
time and thus achieve faster and more effective care.
I. INTRODUCCIÓN
as personas a menudo usan los términos ataque
cardíaco y muerte súbita cardíaca de manera indistinta,
pero no son sinónimos. Un ataque al corazón es cuando el
flujo de sangre al corazón está bloqueado, y una muerte
súbita o paro cardíaco repentino es cuando el corazón
funciona mal y de repente deja de latir inesperadamente.
Un ataque cardíaco es un problema de "circulación" y un
paro cardíaco repentino es un problema "eléctrico" [1].
¿Qué es un ataque al corazón? Un ataque al corazón
ocurre cuando una arteria bloqueada impide que la sangre
rica en oxígeno llegue a una sección del corazón. Si la
arteria bloqueada no se vuelve a abrir rápidamente, la parte
del corazón que normalmente se nutre de esa arteria
comienza a morir [2]. Cuanto más tiempo pase una persona
sin tratamiento, mayor será el daño.
Los síntomas de un ataque cardíaco pueden ser
inmediatos e intensos. Sin embargo, con mayor frecuencia,
los síntomas comienzan lentamente y persisten durante
horas, días o semanas antes de un ataque cardíaco [3]. A
diferencia del paro cardíaco repentino, el corazón
generalmente no deja de latir durante un ataque cardíaco.
Los síntomas del ataque cardíaco en las mujeres pueden
ser diferentes a los de los hombres.
¿Qué es la muerte súbita cardíaca? Una muerte súbita
ocurre repentinamente y con frecuencia sin previo aviso.
Se desencadena por un mal funcionamiento eléctrico en el
corazón que causa latidos irregulares (arritmia) [4]. Con su
acción de bombeo interrumpida, el corazón no puede
bombear sangre al cerebro, los pulmones y otros órganos.
Segundos después, una persona pierde el conocimiento y
no tiene pulso. La muerte ocurre en minutos si la víctima
no recibe tratamiento.
Estas dos condiciones cardíacas distintas están
vinculadas [5]. Un paro cardíaco repentino puede ocurrir
después de un ataque cardíaco o durante la recuperación.
Los ataques al corazón aumentan el riesgo de un paro
cardíaco repentino. La mayoría de los ataques cardíacos no
Sistema de electromiografía del corazón con
comunicación inalámbrica Oscar Javier Gil Mina1, Ruben Dario Hernández2, Oscar Fernando Avilés2
1Estudiante Facultad de Ingeniería, Programa de Ingeniería Mecatrónica, Universidad Piloto de Colombia 2 Profesor Doctor Facultad de Ingeniería, Programa de Ingeniería Mecatrónica, Universidad Piloto de Colombia
[email protected], 2ruben-hernandez1, oscar-aviles{@upc.edu.co}
L
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conducen a un paro cardíaco repentino. Pero cuando
ocurre un paro cardíaco repentino, el ataque cardíaco es
una causa común. Otras afecciones cardíacas también
pueden alterar el ritmo cardíaco y provocar un paro
cardíaco repentino. Estos incluyen un músculo cardíaco
engrosado (miocardiopatía), insuficiencia cardíaca,
arritmias, particularmente fibrilación ventricular y
síndrome Q-T largo [6].
II. ANTECEDENTES
A. Funcionamiento eléctrico del corazón
El corazón es un músculo hueco, en forma de cono, del
tamaño de un puño adulto y generalmente se encuentra a
la izquierda del esternón. El corazón es el órgano más
importante del cuerpo [7]. Básicamente es una bomba
compleja, responsable de la circulación de sangre, oxígeno
y nutrientes por todo el cuerpo.
El peso promedio de un corazón humano femenino sano
es de 9 oz (255 g). El corazón de un hombre suele ser
ligeramente más grande, alrededor de 10.5 oz (300 g). Se
compone de múltiples capas, válvulas y cámaras [8]:
Cada corazón está formado por tres capas:
• Un revestimiento interno llamado endocardio
• Una capa media de músculo llamada miocardio
• Un saco externo lleno de líquido conocido como
el pericardio.
El corazón está dividido en cuatro cámaras:
• La aurícula derecha y la aurícula izquierda son
las cavidades superiores del corazón.
• El ventrículo derecho y el ventrículo izquierdo
son las cámaras inferiores.
Una pared muscular llamada tabique separa los lados
derecho e izquierdo del corazón. Cada una de las cámaras
tiene válvulas. Las válvulas tienen diferentes nombres [7]:
• La válvula tricúspide está a la salida de la
aurícula derecha.
• La válvula mitral es para la aurícula izquierda.
• La válvula pulmonar está a la salida del
ventrículo derecho.
• La válvula aórtica está a la salida del ventrículo
izquierdo.
Su propósito es permitir que la sangre se mueva hacia
adelante a través del corazón y evitar que fluya hacia atrás
en la cámara anterior.
¿Qué controla la sincronización de los latidos de tu
corazón? El sistema eléctrico de su corazón controla la
sincronización de sus latidos al regular su frecuencia
cardíaca, que es la cantidad de veces que su corazón late
por minuto, también al ritmo cardíaco, que es la acción de
bombeo sincronizada de sus cuatro cámaras cardíacas [2].
El sistema eléctrico del corazón debe mantener una
frecuencia cardíaca constante de 60 a 100 latidos por
minuto en reposo [3]. El sistema eléctrico del corazón
también aumenta este ritmo para satisfacer las necesidades
de su cuerpo durante la actividad física y lo reduce durante
el sueño. Una contracción ordenada de las aurículas y los
ventrículos (esto se llama ritmo sinusal).
Figura 1. Imagen del corazón y su sistema eléctrico.
Fuente: The Heart Foundation [9]
¿Cómo funciona el sistema eléctrico del corazón? El
músculo cardíaco está hecho de pequeñas células, su
sistema eléctrico controla la sincronización de sus latidos
al enviar una señal eléctrica a través de estas células.
Dos tipos diferentes de células en su corazón permiten
que la señal eléctrica controle sus latidos: las células
conductoras transportan la señal eléctrica del corazón [10],
las células musculares permiten que las cámaras se
contraigan, una acción activada por la señal eléctrica del
corazón.
La señal eléctrica viaja a través de la red de vías de
células conductoras, que estimula las cámaras superiores
(aurículas) y las cámaras inferiores (ventrículos) para
contraerse. La señal puede viajar a lo largo de estas vías
por medio de una reacción compleja que permite que cada
célula active una a su lado [11], estimulándola a pasar la
señal eléctrica de manera ordenada. A medida que célula
tras célula transmite rápidamente la carga eléctrica, todo el
corazón se contrae en un movimiento coordinado, creando
un latido cardíaco.
La señal eléctrica comienza en un grupo de células en la
parte superior de su corazón llamado nodo sinoauricular
(SA). La señal luego viaja a través de su corazón,
disparando primero sus dos aurículas y luego sus dos
3
ventrículos. En un corazón sano, la señal viaja muy rápido
a través del corazón, permitiendo que las cámaras se
contraigan de manera suave y ordenada.
El latido ocurre de la siguiente manera [11]:
• El nodo SA (llamado marcapasos del corazón)
envía un impulso eléctrico.
• Las cavidades superiores del corazón
(aurículas) se contraen.
• El nodo AV envía un impulso a los ventrículos.
• Las cavidades cardíacas inferiores (ventrículos)
se contraen o bombean.
• El nodo SA envía otra señal a las aurículas para
contraerse, lo que inicia el ciclo nuevamente.
Este ciclo de una señal eléctrica seguida de una
contracción es un latido cardíaco.
Cuando el nodo SA envía un impulso eléctrico,
desencadena el siguiente proceso la señal eléctrica viaja
desde su nodo SA a través de las células musculares en sus
aurículas derecha e izquierda; luego la señal activa las
células musculares que hacen que sus aurículas se
contraigan, finalmente las aurículas se contraen,
bombeando sangre hacia los ventrículos izquierdo y
derecho.
Después de que la señal eléctrica ha causado que sus
aurículas se contraigan y bombeen sangre a los
ventrículos, la señal eléctrica llega a un grupo de células
en la parte inferior de la aurícula derecha llamada nodo
auriculoventricular o nodo AV [12]. El nodo AV ralentiza
brevemente la señal eléctrica, dando tiempo a los
ventrículos para recibir la sangre de las aurículas. La señal
eléctrica luego se mueve para activar sus ventrículos.
Cuando la señal eléctrica sale del nodo AV, desencadena
el siguiente proceso: la señal viaja por un paquete de
células de conducción llamado paquete de His, que divide
la señal en dos ramas: una rama va al ventrículo izquierdo,
otra al ventrículo derecho [9].
Estas dos ramas principales se dividen aún más en un
sistema de fibras conductoras que propaga la señal a través
de los ventrículos izquierdo y derecho, haciendo que los
ventrículos se contraigan.
Cuando los ventrículos se contraen, el ventrículo
derecho bombea sangre a los pulmones y el ventrículo
izquierdo bombea sangre al resto del cuerpo.
III. DETECCIÓN DE LA MUERTE SÚBITA CARDÍACA
El electrocardiograma (ECG) representa el movimiento
eléctrico del corazón que demuestra la contracción y la
relajación del músculo cardíaco. El ECG es la herramienta
de diagnóstico para la identificación de actividades
eléctricas del corazón. La señal de ECG de detección de
pico R es responsable de su identificación [6]. Si las
arritmias no se tratan adecuadamente, entonces causa
muerte súbita cardíaca.
En las últimas décadas, se han desarrollado pocas
técnicas para el análisis de ECG y la detección de arritmia
para mejorar su precisión y sensibilidad. Estos métodos
incluyen el coeficiente Wavelet, el modelado
autorregresivo [7], las redes neuronales RBF (Radial Basis
Function) [13], el mapa autoorganizado [14] y las técnicas
de agrupamiento difuso medias [15].
La Figura 1 muestra la forma de onda de ECG típica con
intervalo R-R y ondas básicas como P, Q, R, S, T y U [6].
Figura 2.Apariencia de un ECG Típico.
Fuente: [15]
En la literatura, los métodos de procesamiento de señal
de ECG funcionan a diferentes frecuencias que van desde
0.25 Hz a 400 kHz [16]. La detección de la señal de ECG
incluye la eliminación de diferentes ruidos, como la deriva
de referencia, la detección de forma de onda, la extracción
de características y la clasificación de la frecuencia
cardíaca [8].
Entre las diversas técnicas investigadas en la literatura
se incluyen análisis de dominio de tiempo, enfoque
estadístico, características híbridas, análisis basado en
frecuencia [17] y análisis de frecuencia de tiempo para la
extracción de características de las señales de ECG.
Estas herramientas de extracción de características se
combinan con algoritmos de clasificación como
discriminantes lineales, redes neuronales, enfoque neuro-
difuso y vector de soporte máquinas (Supported Vector
Machines) [18] para proporcionar detección y análisis
eficientes de anomalías cardíacas. Se han utilizado
técnicas de clasificación de la frecuencia cardíaca, algunos
de ellos utilizaron técnicas de extracción de características
de forma de onda [19] y otros utilizaron el método de
transformación wavelet [17] para su extracción. El paro
cardíaco ocurre cuando los latidos del corazón y su
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actividad eléctrica se detiene. La muerte cardíaca súbita
(MCS) se refiere a la muerte dentro de las 2 h posteriores
a la aparición de los síntomas o durante el sueño debido a
una causa cardíaca [11].
A. Síntomas de MCS y señales de alerta
Se reconoce cada vez más que la MCS está precedida
por síntomas y signos de advertencia que, si se reconocen
rápidamente, podrían acelerar la primera respuesta. La
MCS es precedido a menudo por un encuentro médico no
específico días o semanas antes del evento [20]. Sin
embargo, hasta hace poco, los eventos inmediatamente
anteriores no estaban definidos debido a las dificultades
para recopilar datos en un arresto. Se han entrevistado s
sobrevivientes o espectadores por eventos o síntomas
antecedentes [21], llegando a la conclusión de que la MCS
no es tan repentina como se define normalmente.
Un 75% de las víctimas tenían síntomas reconocibles,
como angina de pecho y disnea, de los cuales casi un 66%
duraron 1 hora o más [9] con asistolia, 20 minutos antes de
la actividad eléctrica sin pulso y 30 minutos antes de la
fibrilación ventricular (FV) [22].
En el estudio Oregon-SUDS (Estudio de muerte súbita
inesperada de Oregon) [23], los síntomas precedieron a
MCS en la mitad de las víctimas, y solo el 21% contactó
con los servicios de emergencias. Aquellos que lo hicieron
tenían más probabilidades de tener un arresto presenciado,
recibir reanimación cardiopulmonar (RCP), tener un ritmo
impactante y finalmente sobrevivir. Esta cadena de
supervivencia favorable fue más probable en pacientes
alertados de síntomas reconocibles, como dolor torácico
continuo o que tenían antecedentes cardíacos previos.
Otros estudios reiteran estos temas.
B. Fibrilación ventricular primaria
La fibrilación ventricular es el mecanismo más común
de muerte súbita inesperada en personas con enfermedad
coronaria asintomática o sintomática. Los mecanismos
electrofisiológicos incluyen: automaticidad de las fibras
del marcapasos, transformación de las fibras no
marcapasos en fibras del marcapasos, corrientes de lesión
y reentrada.
Algunas de las condiciones que facilitan la fibrilación
ventricular incluyen bradicardia, síndrome de QT largo,
electrocución, desequilibrio electrolítico, fármacos,
estimulación simpática e isquemia miocárdica. Los
estudios electrofisiológicos durante la isquemia aguda de
miocardio sugieren que la actividad más temprana al inicio
de la arritmia puede originarse en los sobrevivientes de las
fibras de Purkinje [24].
En Colombia, la enfermedad de las arterias coronarias
es la causa más común y la fibrilación ventricular es el
mecanismo más común de muerte súbita, la
monitorización electrocardiográfica ambulatoria muestra
que, en pacientes con enfermedad coronaria, la fibrilación
ventricular suele ir precedida de taquicardia ventricular,
aleteo ventricular o complejos ventriculares prematuros
frecuentes.
Los ECG asociados a dicha dolencia muestran que el
primer complejo ventricular prematuro (Fig. I) mayor
puede no interrumpir la onda T (fenómeno R en T).
Figura 3. Tiras electrocardiográficas representativas
(derivación torácica bipolar) durante una fibrilación
ventricular, nótese en el corto intervalo de acoplamiento.
Fuente [24]
En pacientes con infarto de miocardio documentado, la
fibrilación ventricular es un evento temprano. En un
estudio [25] con pacientes que constituyeron todos casos
de infarto agudo de miocardio, se produjo fibrilación
ventricular en todos menos en un paciente dentro de las 10
horas posteriores al inicio de los síntomas. La tasa de
recurrencia de la fibrilación ventricular en pacientes con
fibrilación ventricular primaria inicial que ocurre dentro de
1 hora después del inicio del infarto de miocardio fue del
16% [26].
La presencia de anomalías en el sistema de conducción
parece ser un predictor de fibrilación ventricular [24]. La
fibrilación es una actividad asincrónica caótica del
músculo cardíaco. El proceso puede iniciarse mediante la
formación rápida de impulsos desde un solo foco o
5
mediante la reentrada. Hay muchas posibilidades para el
desarrollo de asincronía en un miocardio normal o
anormal. El análisis de las alteraciones del ritmo que se
muestran en los ECG preceden inmediatamente a la
fibrilación [25].
Los mecanismos que causan la fibrilación son difíciles
de identificar porque por un lado, en la mayoría de los tipos
de fibrilación experimental, no se puede localizar
eléctricamente la fibra o el grupo de fibras en el que
comienza la primera ola de reentrada de la actividad
desorganizada [28]; otra razón es que en muchos tipos de
fibrilación experimental, el inicio de la actividad
desorganizada se debe a una combinación de factores más
que a un solo factor; y finalmente una exploración de todos
los factores cardíacos y extracardíacos que podrían haber
contribuido o el desarrollo de fibrilación rara vez se ha
llevado a cabo en un solo experimento [29].
Desde el punto de vista eléctrico las corrientes
resultantes de diferencias en el potencial de membrana
durante la actividad o en reposo, muestran una
reexcitación espontánea causada por la corriente sistólica
o diastólica de la lesión se ha considerado como un
mecanismo potencial de arritmia [24]. Algunos estudios
experimentales recientes [30] han confirmado que el
primer cambio después de la oclusión coronaria en el
corazón del cerdo es una disminución en el potencial de
membrana en reposo reflejado en la depresión del
segmento QT. Esto es seguido por el acortamiento del
potencial de acción ventricular en el área isquémica que
resulta en la elevación del segmento ST. Cuando algunas
de las células dejan de responder debido a la
despolarización a potenciales de membrana más negativos
que -65 mV, el complejo extracelular se vuelve
monofásico [31].
Se ha demostrado [20] que en el límite eléctrico entre el
miocardio isquémico y normal, los potenciales TQ y ST
cambiaron hasta 12 o 20 mV antes de la fibrilación
ventricular. La corriente de lesión extracelular, y la
densidad de corriente máxima que fluye desde la zona
fronteriza hacia el miocardio normal durante la sístole
tardía fue 1μA/mm2 [24].
Parece que un estímulo de tal fuerza puede ser suficiente
para inducir la reexcitación. Esta hipótesis está respaldada
por las observaciones de que la arritmia tiende a ocurrir en
el momento de la depresión máxima del segmento TQ, la
elevación del segmento ST y el desarrollo de alternativas
de potencial de acción [20]. Sin embargo, esto no es más
que evidencia circunstancial, y no se pueden descartar
otros mecanismos de arritmia.
IV. METODOLOGÍA
A. Población
Teniendo en cuenta que dentro del universo de
individuos sobre los cuales puede presentarse una
determinada característica como lo es la de los pacientes
que puedan sufrir muerte súbita cardíaca. La población que
fue parte del universo antes mencionado se constituye de
las personas que pueden padecer cualquier tipo de riesgo
cardíaco.
Asumiendo que existen en países como Estados Unidos
se dan 180 mil a 250 mil casos anuales [32], dentro de una
población de 320 millones, se diría que la prevalencia es
de entre 5.6 a 7.8 afectados por 10.000 habitantes, lo que
en Colombia equivaldría entre 27 mil a 37 mil habitantes
B. Muestra
Dado que, en la presente investigación, no todos los
miembros de la población tenían la posibilidad de
participar en el estudio se hizo un muestreo no
probabilístico, a diferencia del muestreo probabilístico,
donde cada miembro de la población tiene una posibilidad
conocida de ser seleccionado. Por lo tanto, se hizo una
selección de las muestras basadas en un juicio subjetivo y
según la cantidad de personas dentro de la población
señalada que estén dispuestas a participar en la aplicación
de pruebas con el dispositivo. El muestreo no
probabilístico es una técnica de muestreo en la que el
investigador seleccione muestras en función del juicio
subjetivo del investigador en lugar de hacer una selección
aleatoria, por lo tanto, esta será la forma como se tomará
la muestra, además se estará enfocada la investigación
hacia un carácter cualitativa.
La técnica no probabilística que se utilizó será la de
muestreo por conveniencia, en la cual los sujetos a quienes
se les aplicarán los instrumentos se tomaron según su
accesibilidad y en la proximidad grado de amistad o
confianza con los investigadores.
C. Tipo de estudio
El diseño del estudio dependió en gran medida de la
naturaleza de la pregunta de investigación. En otras
palabras, saber qué tipo de información se debió recopilar
el estudio fue un primer paso para determinar cómo se
llevó a cabo la investigación.
En ésta caso lo que se pretendió fue establecer de modo
cuantitativo si el dispositivo es efectivo en la detección de
la muerte súbita cardíaca, lo que representa un estudio de
tipo transversal el cual es de carácter observacional,
significando ello que los investigadores registraron
información sobre sus sujetos sin manipular el entorno de
estudio [33]. En nuestro estudio, simplemente se medió el
6
comportamiento de la gestión humana, dando lugar a
comparaciones con otras áreas.
El beneficio de un diseño de estudio transversal es que
permite a los investigadores comparar muchas variables
diferentes al mismo tiempo. Podríamos, por ejemplo,
observar la edad, el género, las adecuaciones internas y el
entorno de los pacientes susceptibles a tener pruebas con
el dispositivo de detección de muerte súbita cardíaca.
D. Enfoque
La investigación tuvo con enfoque cuantitativo, dado
que se buscó de una manera numérica y con indicadores
construir una descripción fiable acerca de si el dispositivo
en efecto detecta la MSC
Esta definición implica que los datos y el significado
emergen a partir del contexto de investigación cualitativa
que se realizará bajo una combinación de observaciones,
entrevistas y revisiones de documentos médicos. Por otra
parte, en éste tipo de investigación se le otorgó importancia
a mirar las variables en el entorno en el que se encuentran
los pacientes susceptibles a MSC.
Dentro de los distintos diseños cualitativos el tipo que
más se acomodó es el de tipo fenomenológico, en el cual
el centro está en centra en la creación de significado de los
individuos como el elemento por excelencia de la
experiencia humana [34]. Los hallazgos importantes
derivados de éste tipo de investigación fueron la
comprensión de un fenómeno (la detección de la MCS)
vista a través de los ojos de quienes lo han experimentado
(pacientes). La investigación fenomenológica supuso que
había una esencia o esencias en la experiencia compartida,
cuyo objeto es descubrir e interpretar la esencia interna de
los participantes con respecto a alguna experiencia común.
E. Alcance
La investigación tuvo un alcance de tipo exploratorio,
dado que el proyecto girará en torno a abordar un problema
que no está claramente definido como lo es el de la
eficiencia en la detección de la MCS con el dispositivo
diseñado por los investigadores, y se esperó por lo tanto
comprender mejor el problema existente, pero es posible
que no proporcione resultados concluyentes.
F. Instrumentos de recolección de datos
Los instrumentos a utilizar fueron la observación
directa en pacientes la cual consiste en un método de
investigación utilizado para recopilar datos de un grupo
predefinido de pacientes para obtener información y
conocimientos sobre su respuesta a la medición con el
dispositivo.
También se tuvieron en cuenta las fuentes primarias
como literatura científica, revistas médicas, White papers
sobre instrumental electrónico entre otros.
V. DISEÑO DEL DISPOSITIVO
La información contenida en un solo
electrocardiograma de 12 derivaciones puede ser extensa.
Aprender a interpretar las diferencias sutiles en los
cambios característicos que pueden surgir es una habilidad
especializada que puede llevar años aprender.
Afortunadamente, la interpretación básica de ECG puede
ser bastante sencilla, siempre que conozca los conceptos
básicos [27].
Un electrocardiograma es un seguimiento de la
actividad eléctrica que tiene lugar dentro del corazón. En
circunstancias normales, un impulso eléctrico viajará
desde el nodo sinoauricular [24], se extenderá a través de
la aurícula, hacia el nodo auriculoventricular y a través del
tabique ventricular del corazón. Este impulso eléctrico
hace que las cuatro cámaras del corazón se contraigan y
relajen de manera coordinada. Estudiar estos impulsos
eléctricos nos permite comprender cómo funciona el
corazón.
Onda P: representa la despolarización de la aurícula
izquierda y derecha y también corresponde a la
contracción auricular. Estrictamente hablando, las
aurículas se contraen una fracción de segundo después de
que comienza la onda P. Debido a que es tan pequeño, la
repolarización auricular generalmente no es visible en el
ECG [24]. En la mayoría de los casos, la onda P será suave
y redondeada, no más de 2.5 mm de altura y no más de
0.11 segundos de duración. Será positivo en las
derivaciones I, II, aVF y V1 a V6.
Complejo QRS: Como su nombre indica, el complejo
QRS incluye la onda Q, la onda R y la onda S. Estas tres
ondas ocurren en rápida sucesión. El complejo QRS
representa el impulso eléctrico a medida que se propaga a
través de los ventrículos e indica la despolarización
ventricular. Al igual que con la onda P, el complejo QRS
comienza justo antes de la contracción ventricular [35].
Es importante reconocer que no todos los complejos
QRS contendrán ondas Q, R y S. La convención es que la
onda Q siempre es negativa y que la onda R es la primera
onda positiva del complejo. Si el complejo QRS solo
incluye una desviación hacia arriba (positiva), entonces es
una onda R. La onda S es la primera desviación negativa
después de una onda R.
En circunstancias normales, la duración del complejo
QRS en un paciente adulto será de entre 0,06 y 0,10
segundos. El complejo QRS suele ser positivo en las
derivaciones I, aVL, V5, V6 y II, III y aVF. El complejo
QRS suele ser negativo en las derivaciones aVR, V1 y V2
[35].
7
El punto J es el punto donde se encuentran el complejo
QRS y el segmento ST. También se puede considerar
como el inicio del segmento ST. El punto J (también
conocido como unión) es importante porque puede usarse
para diagnosticar un infarto de miocardio con elevación
del segmento ST. Onda T [36].
Una onda T sigue al complejo QRS e indica
repolarización ventricular. A diferencia de una onda P, una
onda T normal es ligeramente asimétrica; El pico de la ola
está un poco más cerca de su final que de su comienzo. Las
ondas T son normalmente positivas en las derivaciones I,
II y V2 a V6 y negativas en aVR. Una onda T normalmente
seguirá la misma dirección que el complejo QRS que la
precedió (positiva o negativa / arriba o abajo). Cuando se
produce una onda T en la dirección opuesta del complejo
QRS, generalmente refleja algún tipo de patología cardíaca
[37].
Si se produce una pequeña onda entre la onda T y la
onda P, podría ser una onda U. La base biológica de una
onda U es desconocida.
Ritmo cardiaco: Hay muchas formas de determinar la
frecuencia cardíaca de un paciente con ECG. Una de las
formas más rápidas se llama método de secuencia. Para
usar el método de secuencia, encuentre una onda R que se
alinee con una de las líneas verticales oscuras en el papel
de ECG. Si la siguiente onda R aparece en la siguiente
línea vertical oscura, corresponde a una frecuencia
cardíaca de 300 latidos por minuto. Las líneas verticales
oscuras corresponden a 300, 150, 100, 75, 60 y 50 bpm.
Por ejemplo, si hay tres cuadros grandes entre las ondas R,
la frecuencia cardíaca del paciente es de 100 lpm [17].
.
VI. IMPLEMENTACIÓN
El circuito implementado consta de una serie de etapas
que buscan capturar la formación del impulso y su
conducción generando corrientes eléctricas débiles que se
diseminan por todo el cuerpo. Al colocar electrodos en
diferentes sitios y conectarlos a un instrumento de registro
como el electrocardiógrafo se obtiene el trazado
característico que será capturado mediante la
implementación del circuito de la figura 4.
Figura 4. Circuito general de captura de la señal ECG
En la implementación del circuito se utilizaron los
siguientes materiales
Circuitos integrados:
1 AD620AN (Amplificador de Instrumentación)
1 TL084 (4 / Amplificador Operacional)
Resistencias de 0.25 W
R1: 5.6 kΩ
R2,R3,R4, R17: 10 kΩ
R5: 1 MΩ
R6, R7, R13, R16: 15 kΩ
R8: 270 Ω
R9: 680 Ω
R10: 470
R11: 2.7 kΩ
R12: 4.7 kΩ
R14, R15: 27 kΩ
R18, R19, R20: 100 kΩ
Condensadores:
C1, C3, C5, C6: 0.1uF (104 cerámico)
C2: 2.2uF / 16V (electrolítico)
C4: 22uF / 16V(electrolítico)
C7: 220nF (224 cerámico)
C8: 100uF / 16V(electrolítico)
Una primera etapa consta de las conexiones de entrada
al aparato deben ser realizadas de tal forma que una
deflexión hacia arriba indique un potencial positivo y una
hacia abajo uno negativo. Los electrodos deben estar
ubicados de la siguiente manera:
• Electrodo 1: en la parte derecha del pecho.
• Electrodo 2: en la parte izquierda el pecho.
Los electrodos están su vez unidos a un amplificador
diferencial cuyo actor principal es el amplificador de
instrumentación AD620AN el cual posee un voffset muy
bajo de menos de 50 uV y una razón de rechazo de modo
común superior a los 100 dB [38], lo cual lo hace ideal para
amplificar señales de muy baja potencia y que deben ser
capturadas de manera exacta ya que tiene un rango de
captura de 40 ppm. Dicho amplificador está junto con un
OpAmp TL084.
Figura 5. Amplificador de diferencial montado para
capturer la señal.
8
Inmediatamente se forma un filtro pasabajos
configurado a una frecuencia de 150 Hz como se muestra
a continuación al cual se le suma un filtro pasa altos
diseñado a 0.5 Hz, con el objeto de filtrar ruido y poder
capturar algunas de las características de más baja potencia
que genera la señal cardíaca.
Ambos circuitos constituyen un filtro pasa banda lo cual
es la mejor manera de eliminar el ruido provocado por la
interferencia de varias señales involucradas en el
ambiente, la etapa de filtrado y amplificación de la señal
ECG, tiene un rango de frecuencias de una señal ECG está
entre 0.05 a 150Hz y la eliminación del ruido de la
frecuencia de 60Hz producido por la red de tensión
eléctrica.
Figura 6. Filtro pasa bajos a 150 Hz
Figura 7. Filtro pasabajos a 0.5 Hz
Existe una componente en frecuencia que forma parte
del ruido ambiental y que también debe ser atenuada para
evitar la alteración de la señal de ECG, la cual es de 60 Hz
y proviene de la inducción electromagnética de la línea de
alimentación eléctrica de 120 Vac. Para eliminar dicha
componente se utilizó un filtro notch el cual únicamente
atenúa la frecuencia no deseada de 60 Hz y deja pasar el
resto de las frecuencias del electrocardiograma; el filtro
fue construido a partir de un sumador conectado a la salida
de un filtro de variable de estado; este último presenta la
característica de que para una frecuencia en particular
provee tres salidas; con respuesta paso altas, paso banda y
paso bajas, como se ve en la figura 8.
A continuación, se encuentra una etapa de amplificación
de la señal capturada la cual dadas las resistencias de
realimentación y de entrada al pin inversor está por el
orden de 10 veces.
La acción amplificadora de la señal es para una captura
que ya está filtrada y libre de ruido, por lo cual cualquier
otra componente que no corresponda a la captura ya estará
previamente eliminada. De otro modo la captura de la
señal estaría de cierta manera errada y no se podrían hacer
las interpretaciones que dictaminen la aparición de una
enfermedad cardíaca.
Figura 8. Filtro Notch de elimination de ruidos a 60 Hz
Figura 9. Amplificación de la señal capturada.
Finalmente, en la etapa de salida se hace el montaje de
la señal para que pueda estar dentro de unos parámetros de
medida adecuados para su lectura.
VII. PROCESAMIENTO DE LA SEÑAL
Para la digitalización de la señal se procede a la
visualización de la señal mediante la amplificación.
9
Figura 10. Sistema de procesamiento y visualización de
la señal capturada.
La fijación de la captura ya filtrada, la cual será
posteriormente procesada mediante una Arduino y
transportada por una Respberry.
Finalmente, la visualización en tiempo real estará dada
por una comparación de señales y haciendo uso de Internet
se podría verificar la señal y generar las alertas
correspondientes.
La señal se envía a un Arduino la cual es una plataforma
de prototipos electrónica de código abierto (open-source)
basada en una placa con entradas y salidas, en un entorno
de desarrollo que está basado en el lenguaje de
programación Processing. Se muestra a continuación el
código utilizado para ingresar la señal y correr la
previsualización antes de llevar al servidor.
int n = 0;
void setup() {
// put your setup code here, to run
once:
}
void loop() {
// put your main code here, to run
repeatedly:
Serial.print(n++);
Serial.print(',');
Serial.print(n++);
Serial.print(',');
Serial.println(n++);
delay(40);
}
El instrumento virtual se complementa con el hardware
adecuado como puede ser una tarjeta de adquisición de
datos, esta permite la captura, conversión y
acondicionamiento de las señales de interés, lo cual da una
gran flexibilidad para crear una variedad de aplicaciones
que puedan ser manipuladas por software
La graficación del ECG se hace mediante si ingreso al
Arduino y su posterior paso al lector del servidor en la cual
se hacen las adecuaciones en cuanto a la velocidad
utilizando lenguaje Java, elegido por su fácil manejo a
nivel de los puertos de salida.
Una vez se hace la compilación se la captura se procede
a mostrarla en la Raspberry, cuenta con un procesador con
de 1.2Gz, procesador gráfico, módulo de memoria puertos
de USB salida analógica de audio, salida digital de video
y HDMI, salida analógica de video RCA, pines de entrada
y salida, conector de alimentación y lector de tarjetas SD.
Una gran ventaja es que manejan su sistema operativo
GNU/Linux con el cual se puede descargar el código de
fuente del sistema y hacer los respectivos cambios que se
quieran y puede ser visto el ECG.
Los respectivos códigos del servidor, y la Raspberry se
muestran en los anexos.
VIII. RESULTADOS
El circuito fue probado en distintos pacientes, los cuales
no se eligieron bajo una muestra determinística sino se
llevó a cabo aleatoriamente, según la accesibilidad y la
verificación del funcionamiento por parte de un
especialista en enfermedades de tipo cardíaco.
Para una buena medición se colocaron los electrodos
sobre una piel limpia, asegurándose que estén adheridos
totalmente, ya que si no hay un buen contacto del electrodo
con la piel se produce ruido en la señal. Para limpiar la piel
se utilizó alcohol o gel antibacterial. El paciente debía estar
sin moverse, sentada o recostada, ya que los movimientos
producen ruidos en la señal por la electricidad generada
por los músculos.
Figura 11. Muestra de la captura que se llevó a cabo en
un paciente con el sistema implementado.
La captura que se muestra en la Figura 11 corresponden
las tres mediciones que se pueden visualizar en cuanto a
las salidas que se derivan de los electrodos, en la parte
superior se muestran los impulsos referencia y en las otras
dos las comparaciones de las señales ECG que ayudan a
determinar la presencia de una posible muerte súbita.
IX. DISCUSIÓN
Con estos resultados se puede manifestar que en la señal
ECG de la misma derivación de una persona tranquila y
sin el riesgo de una posibilidad de muestre súbita cardiaca
no cambia, pero si se agitase las magnitudes de las ondas
si variarían, incluso la onda T puede ser mayor que la onda
R.
Una diferencia entre las señales ECG de una persona
tranquila y luego agitada es su frecuencia cardiaca, siendo
el de la persona en la segunda condición el doble que una
tranquila. Se concluye que no es muy frecuente observarla
onda U en las derivaciones periféricas bipolares, como
también la onda Q se muestra con una magnitud
demasiado pequeña en comparación con las demás ondas
10
que se pueden observar claramente y que los intervalos son
difíciles de delimitarlos ya que dependiendo de la
derivación se cambia la magnitud de las diferentes ondas.
Los hallazgos anormales del ECG para definir la muerte
súbita cardíaca que se deben definir de la siguiente
manera:
1) duración del QRS superior a 110 ms (interpretada a
partir de las derivaciones II o V5);
2) ángulo QRST superior a 100 °;
3) intervalo QTc sobre 440ms / 460ms (hombres /
mujeres);
4) repolarización temprana (ER≥0,1mV y ER≥0,2mV)
en derivaciones inferiores / laterales con segmento ST
descendente u horizontal;
5) Inversiones de onda T (≥1,0 mm)
X. CONCLUSIONES
Para el desarrollo de equipos médicos es crucial contar
con los conocimientos fisiológicos necesarios que
permitan el no errar en la lectura de datos e incluso evitar
la posibilidad de dar como información cardíaca a señales
de ruido, por ejemplo.
Las señales de índole biológicas son de amplitud muy
pequeña por lo que antes de es necesario diseñar una etapa
de amplificación que sea precedida por un preamplificador
con un amplificador de instrumentación que se caracterice
por tener un alto CMRR para reducir las interferencias de
ruidos en la señal.
Es muy importante que la seguridad del paciente sea
altamente cuidada dado que puede haber corrientes de fuga
que impacten al paciente y se produzcan daños severos.
Se debe aislar la red eléctrica de las cargas de batería del
dispositivo, además que otros equipos como la Raspberry
y el Arduino deben contar circuitos de aislamiento para
evitar la conexión directa.
RECONOCIMIENTOS
Poner el reconocimiento a los patrocinadores como una
‘nota al pie’ en la primer página del Trabajo.
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