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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios Profesionales
Coordinación de Ingeniería Electrónica
SISTEMA REPRODUCTOR DE ECG DIGITAL
Y DETECTOR DE EVENTOS CON
DISCRIMINACIÓN DE RITMO CARDÍACO
Por:
Yuber Alejandro Delgado Bolívar
José Luis Villena Mevius
Sartenejas, Enero del 2006
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios Profesionales
Coordinación de Ingeniería Electrónica
SISTEMA REPRODUCTOR DE ECG DIGITAL
Y DETECTOR DE EVENTOS CON
DISCRIMINACIÓN DE RITMO CARDÍACO
Por:
Yuber Alejandro Delgado Bolívar
José Luis Villena Mevius
Realizado con la Asesoría de
Dr. Omar J. Escalona
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico
Sartenejas, Enero del 2006
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios Profesionales
Coordinación de Ingeniería Electrónica
SISTEMA REPRODUCTOR DE ECG DIGITAL Y DETECTOR
DE EVENTOS CON DISCRIMINACIÓN DE RITMO CARDÍACO
PROYECTO DE GRADO presentado por
Yuber Alejandro Delgado Bolívar
José Luis Villena Mevius
Realizado con la asesoría de:
Tutor: Asesor: Dr. Omar J. Escalona Ing. Guillermo Villegas
RESUMEN
El sistema permite monitorear la señal del corazón de un paciente y discriminar la frecuencia de su ritmo cardiaco. Este dispositivo adquiere bases de datos provenientes de un PC, almacena la información, procesa la misma y reproduce señales electrocardiográficas (ECG) que pueden ser mostradas analógicamente con un osciloscopio. El dispositivo, además de reproducir señales de ECG, es capaz de discriminar el periodo de los latidos del corazón por medio de la detección del complejo QRS, mandando una señal de disparo cuando dicha detección ocurre en menor tiempo del establecido con respecto al QRS anterior. Resalta el hecho de la comunicación del dispositivo, que le permite adaptarse a computadoras que manejan la interfase serial y también con computadoras que manejan la interfase USB. El sistema permite el almacenamiento de información de forma permanente a través de una memoria RAM no volátil, lo cual hace portátil al dispositivo, permitiendo que la aplicación se realice fuera de línea. PALABRAS CLAVES
Electrocardiografía, Reproductor ECG, Detección de QRS, Intervalo RR, Ritmo cardíaco, Nonvolatile SRAM, USB, CRC, DAC.
Aprobado con mención: _________
Postulado para el premio: ________
Sartenejas, Enero de 2006
AGRADECIMIENTOS
A mis padres y Familiares por su apoyo, su alegría y sus deseos de verme en casa.
A Annika Gillis, por su apoyo incondicional cada momento que lo necesité
A mi compañero de tesis José Luis por su invaluable amistad, su apoyo y por su paciencia.
Al profesor Omar Escalona por darnos la oportunidad de realizar este proyecto.
Al profesor Camilo Castro, gran amigo y evaluador de seguimiento, por las observaciones.
Al profesor Guillermo Villegas por su valiosa colaboración, asesoría, y sobretodo por su
insistencia en que todo se hiciera de manera correcta.
A la profesora Marta Pérez por esos buenos consejos durante la realización de la tesis.
A Julio Cruz, amigo incondicional, por su apoyo y colaboración en la realización de este
proyecto.
A toda la gente del GBBA Giancarlos, Daniel, Ariel, que de alguna manera u otra fueron de
gran ayuda.
A todos mis amigos y compañeros, que aún sin saberlo, me motivaron a terminar este
proyecto.
Yuber.
A mi papa, por apoyarme en todo momento.
A mi compañero de tesis Yuber, por su amistad.
Al profesor Villegas, por su colaboración a lo largo de todo el proyecto
A Julio Cruz, por sus valiosas observaciones.
A mis amigos, a mis compañeros del GBBA y a quienes me ayudaron a culminar de forma
satisfactoria este proyecto.
José Luis
i
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE GENERAL………………………………………………………………………… i
ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………………………………………. iii
ÍNDICE DE TABLAS……………………………………………………………………...vi
SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS………………………………………………………...vii
CAPÍTULO 1.- INTRODUCCIÓN………………………………………………………. 1
CAPÍTULO 2.- MARCO TEÓRICO…………………………………………………….. 3
2.1.- ELECTROCARDIOGRAFÍA……………………………………………….….. 3
2.1.1.- ONDAS QUE COMPRENDEN LA SEÑAL ECG……………………...4
2.2.- FIBRILACIÓN AURICULAR…………………………………………………..8
2.3.- BASE DE DATOS……………………………………………………………… 9
2.4.- ESTÁNDARES DE COMUNICACIÓN……………………………………….12
2.4.1.- Interfaz RS-232…………………………………………………………12
2.4.2.- Bus Serial Universal (Universal Serial Bus)…………………………... 13
2.4.2.1.- Funcionamiento……………………………………………… 14
2.4.2.2.- USB: CP2103 Breakout Board………………………………. 14
2.4.2.3.- Conversor Serial a USB………………………………………15
2.5.- PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN……………………………………….. 16
2.5.1.- CÓDIGO DE REDUNDANCIA CÍCLICA (CRC)…………………… 17
2.6.- DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO…………………………………. 18
2.7.- FILTROS ACTIVOS …………………………………………………………...19
CAPÍTULO 3.- DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ……………………………………...21
3.1.- REPRODUCTOR DIGITAL EN LabView (ECG Player) …………………….21
3.2.- TARJETA DE ADQUISICIÓN ………………………………………………..25
3.2.1.- DAC (Digital Analog Converter) ………………………………………26
3.2.2.- ALMACENAMIENTO DIGITAL: Memoria RAM …………………...29
3.2.3.- PANTALLA LCD (Liquid Cristal Display) ……………………………32
3.3.- REPRODUCTOR ECG ANALÓGICO ………………………………………..35
3.3.1.- MICROCONTROLADOR MC68HC908GP32 ……………………….36
ii
3.4.- DISEÑO DEL REPRODUCTOR ANALÓGICO ……………………………...42
3.5.- DETECTOR DE QRS…………………………………………………………..46
3.5.1.- OBTENCIÓN DEL INTERVALO RR ………………………………...46
3.5.2.- ASPECTOS INICIALES DEL DISEÑO ………………………………47
3.5.2.1.- Filtro QRS …………………………………………………….49
3.5.2.2.- Rectificador de media onda ………………………………….49
3.5.2.3.- Circuito de Umbral (Threshold circuit)………………………49
3.5.2.4.- Comparador ………………………………………………….49
3.5.2.5.- Monoestable ………………………………………………….49
3.5.3.- FILTRO PASABANDA DE SEGUNDO ORDEN…………………….50
3.5.4.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA ………………………………..53
3.5.5.- CIRCUITO DE UMBRAL (THRESHOLD CIRCUIT)………………..54
3.5.6.- COMPARADOR ……………………………………………………….55
3.6.- MICROCONTROLADOR MC68HLC908QT4……………………………….57
3.6.1.- PROGRAMACIÓN DEL MC68HLC908QT4 ………………………..59
3.7.- DISEÑO DEL CIRCUITO DE DISCRIMACION DE RITMO ……………….62
CAPÍTULO 4.- RESULTADOS …………………………………………………………65
4.1.- MÓDULO ECG Player ………………………………………………………65
4.2.- EQUIPO ECG PORTÁTIL …………………………………………………….68
4.2.1.- OPERACIÓN DEL EQUIPO PORTATIL ……………………………..71
4.3.- REPRODUCTOR Y DEL DETECTOR EN EL OSCILOSCOPIO …………..75
4.4.- EVALUACION DEL DETECTOR DE QRS…………………………………. 76
4.5.- SOFTWARE ECG Player EN LabView 7.1 …………………………………...81
CAPÍTULO 5.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ………………………83
REFERENCIAS ………………………………………………………………………….86
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1.- (a) Ubicación en la superficie corporal de las derivaciones de ECG
(b) Terminal Central de Wilson…………………………………………….. 5
Figura 2.2.- Ondas Presentes en un ECG…………………………………………………. 6
Figura 2.3.- ECG de la Fibrilación Auricular…………………………………………….. 8
Figura 2.4.- Formato del archivo .hea (registro 100)……………………………………. 10
Figura 2.5.- Formato 212: Ordenamiento de los bits por cada 3 bytes………………….. 12
Figura 2.6.- Foto del Breakout Board CP2103………………………………………….. 15
Figura 2.7.- Formato del Protocolo de Comunicación………………………………….. 16
Figura 2.8.- BQ4017 Memoria RAM 2048x8 KBits………………………………….… 18
Figura 3.1.- Ilustración de la Selección del Registro……………………………………. 22
Figura 3.2.- Ilustración de la Conversión de los datos en formato 212 ………………….22
Figura 3.3.- Ilustración de la Reproducción con el programa ECG Player ……………..23
Figura 3.4.- Configuración del puerto para transmisión de datos ……………………….24
Figura 3.5.- Ilustración de los datos transmitiéndose a la tarjeta. ………………………..24
Figura 3.6.- Tarjeta de Adquisición ……………………………………………………..25
Figura 3.7.- Diagrama de Bloques de la Tarjeta de Adquisición ………………………..26
Figura 3.8.- Diagrama Funcional del DAC ………………………………………………27
Figura 3.9.- Configuración del DAC …………………………………………………….27
Figura 3.10.- Salida para voltaje a la salida del DAC ±2.5VDC ………………………….29
Figura 3.11.- Encapsulado de la Memoria BQ4017 ……………………………………….30
Figura 3.12.- (a) Algoritmo para Escribir la RAM
(b) Algoritmo para Leer la RAM……………………………………………31
Figura 3.13.- Conexión del LCD con el HC08 ……………………………………………32
Figura 3.14.- Algoritmo Básico para inicialización y manejo del LCD …………………34
Figura 3.15.- Jumpers para seleccionar entre el SERIAL y el USB ………………………35
Figura 3.16.- Encapsulado del MC68HC908GP32 ………………………………………..38
Figura 3.17.- Módulos internos del MC68HC908GP32 …………………………………..39
Figura 3.18.- Puertos del microcontrolador MC68HC908GP32 ………………………….39
iv
Figura 3.19.- Tarjeta del circuito oscilador de 32.768 Hz ………………………………..40
Figura 3.20.- Mapa de la Memoria del MC68HC908GP32 ………………………………41
Figura 3.21.- Sistema Reproductor Analógico ECG ………………………………………44
Figura 3.22.- Diagrama de Bloques del Detector de QRS ………………………………...47
Figura 3.23.- Composición espectral de la onda ECG. ……………………………………48
Figura 3.24.- SNR entre el complejo QRS y los distintos tipos de ruido………………….48
Figura 3.25.- Diagrama de bloques del algoritmo Pan-Tompkins ………………………..50
Figura 3.26.- Circuito del Filtro Pasa Banda de segundo orden. ………………………….51
Figura 3.27.- Expresión de la Funcion de Transferencia del filtro pasabanda …………….51
Figura 3.28.- Grafica de la Funcion de Transferencia del filtro pasabanda ……………….52
Figura 3.29.- (a) Onda ECG sin Filtrar
(b) Onda ECG despues del filtro ……………………………………………52
Figura 3.30.- Onda ECG Filtrada y Rectificada ………………………………………….53
Figura 3.31.- Circuito Rectificador de Media Onda ………………………………………53
Figura 3.32.- Circuito de Threshold ……………………………………………………….54
Figura 3.33.- Evolución del umbral de Vt hasta la detección un QRS.……………………55
Figura 3.34.- Circuito Comparador ………………………………………………………..56
Figura 3.35.- Encapsulado del MC68HLC908QT4 ……………………………………….57
Figura 3.36.- Módulos internos del MC68HLC908QT4…………………………………..57
Figura 3.37.- Ventana Principal del CodeWarrior para la programación del QT4 ………..59
Figura 3.38.- Módulos de Programación disponibles para la programación del QT4 …….60
Figura 3.39.- Simulador del CodeWarrior.………………………………………………...61
Figura 3.40.- Cálculo de los tiempos en las Secuencias RR ………………………………62
Figura 3.41.- Diseño del Detector de QRS y Discriminador de Ritmo Cardíaco …………64
Figura 4.1.- Esquemático del Modulo Reproductor / Detector ECG Player ………….66
Figura 4.2.- Circuito Impreso ECG Player (a) Cara de Superior
(b) Cara de Inferior…………………………67
Figura 4.3.- Acabado final del PCB ECG Player sin componentes (Cara Superior) ……68
Figura 4.4.- Acabado final del PCB ECG Player sin componentes (Cara Inferior) …….69
Figura 4.5.- Acabado final del PCB ECG Player con sus componentes (Cara Superior) .69
Figura 4.6.- Acabado final del PCB ECG Player con sus componentes (Cara Inferior) ...70
v
Figura 4.7.- Prototipo del Módulo ECG Player acoplado a la Tarjeta de adquisición …...70
Figura 4.8.- Cable de alimentación y cable USB acoplados al Módulo ECG Player ……71
Figura 4.9.- Reproducción del Registro 100 en el osciloscopio………………………….75
Figura 4.10.- Información del Registro 100 en el LCD, reproduciendo el canal 1 ………..75
Figura 4.11.- Ilustración de la reproducción en software del registro 102 ………………..82
vi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1.- Tabla de la Verdad del la Memoria RAM BQ4017 ………………………...31
Tabla 3.2.- Conexiones de la Pantalla LCD …………………………………………….33
Tabla 3.3.- Componentes del Oscilador ………………………………………………...40
Tabla 3.4.- Disposición de los Recursos del HC08 ……………………………………..45
Tabla 3.5.- Características del MC68HLC908QT4 ……………………………………..58
Tabla 3.6.- Recursos utilizados del MC68HLC908QT4 ………………………………..63
Tabla 4.1.- Especificaciones Técnicas del Módulo ECG Player.……………………….72
Tabla 4.2.- Lista de componentes utilizados para la construcción del prototipo ………..73
Tabla 4.3.- Porcentaje de aciertos en el registro 100. …………………………………...76
Tabla 4.4.- Porcentaje de aciertos en el registro 101. ...…………………………………77
Tabla 4.5.- Porcentaje de aciertos en el registro 102. ...…………………………………77
Tabla 4.6.- Porcentaje de aciertos en el registro 103. ...…………………………………78
Tabla 4.7.- Porcentaje de aciertos en el registro 104. ...…………………………………78
Tabla 4.8.- Porcentaje de aciertos en el registro 111. ...…………………………………79
Tabla 4.9.- Porcentaje de aciertos en el registro 116. ...…………………………………79
Tabla 4.10.- Porcentaje de aciertos en el registro 121. ...…………………………………80
Tabla 4.11.- Porcentaje de aciertos en el registro 122. ...…………………………………80
Tabla 4.12.- Porcentaje de aciertos en el registro 200. ...……….………………………81
vii
SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
ADC Conversor de analógico a digital (Analog to Digital Converter).
BIH Hospital Beth Israel (Beth Israel Hospital)
CRC Código de redundancia cíclica (Cyclic Redundancy Check).
DAC Conversor de digital a analógico (Digital to Analog Converter).
ECG Electrocardiograma.
FLASH Tecnología de memorias no-volátiles que se escriben y borran
por bloques.
Firmware Programa de elementos físicos (hardware). En este proyecto,
programa del microcontrolador.
Hardware Elementos físicos.
Kbps kilobits por segundo.
kBps kilobytes por segundo.
LabView Ambiente de desarrollo basado en programación Gráfica.
LCD Pantalla de Cristal Líquido (Liquid Cristal Display)
MB Megabytes.
Mbps Megabits por segundo.
MIT Instituto de Tecnología de Massachussets (Massachussets
Institute of Technology).
Offset Desviación
RAM Memoria de acceso aleatorio (Random Access Memory).
Rx Comunicación serial asíncrona: línea de Recepción.
Software Programa en computadora.
Tx Comunicación serial asíncrona: línea de Transmisión
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
Las enfermedades cardíacas son una de las principales causas de muerte a nivel
mundial y es por ello que actualmente se dedican grandes esfuerzos para su estudio,
prevención y tratamiento.
La fibrilación auricular es la arritmia sostenida de mayor ocurrencia en pacientes
cardíacos. Se caracteriza por la pérdida de la activación cíclica y ordenada de las aurículas,
sustituida por una actividad continua y desordenada, donde pequeñas áreas auriculares se
despolarizan simultáneamente. Lleva a la pérdida de la contracción auricular organizada y
eficiente.
El estudio de la fibrilación auricular ha llevado a desarrollar durante muchos años,
sistemas de detección, capaces de reconocer algunos tipos de arritmia frecuentes en la
población. Para hacer un seguimiento continuo de la actividad del corazón se emplea el
electrocardiograma, el cual se ha convertido, por su sencillez y bajo costo, en una de las
técnicas de diagnóstico médico mas utilizadas.
Concretamente, el presente trabajo tiene como objetivo el diseño y la
implementación de un sistema reproductor de electrocardiograma (ECG) con un detector de
eventos ECG y discriminador de ritmo cardíaco. Dicho sistema permite reproducir
cualquier registro de la base de datos MIT-BIH (Massachussets Institute of Thecnology -
Beth Israel Hospital) que esté en formato 212, es decir de 12 bits incluyendo el bit de
signo.
El reproductor es un dispositivo de adquisición y procesamiento de dos canales
provenientes de un paciente, los cuales están ya almacenados en una base de datos digital,
en este caso. El registro es guardado por completo en una memoria RAM no volátil, de
manera que sea portátil y no requiera estar conectado al PC de forma permanente,
únicamente cuando se desea transmitir un nuevo registro de la base de datos digitalizada.
2
La transmisión de la base de datos se lleva a cabo por medio de una interfase serial
o una interfase USB, dando la oportunidad al dispositivo de adaptarse tanto a computadoras
obsoletas como a computadoras mas recientes, que poseen un concentrador USB. En este
caso es bueno saber que el módulo USB, el cual realiza la comunicación serial hacia el
microcontrolador y USB hacia el PC, opera con el estándar 2.0 para USB, y es compatible
con el 1.1 y el 1.0.
Luego de reproducir analógicamente las señales electrocardiográficas, se procede a
detectar el complejo QRS, el cual consiste en un algoritmo de detección implementado en
hardware. El equipo mide en todo momento el intervalo RR, de la siguiente forma: la onda
del ECG pasa por un filtro pasabanda de segundo orden de frecuencia central de 17 Hz y
con un ancho de banda de 6 Hz. Luego de ser filtrada, la señal pasa por un rectificador de
media onda, después pasa por un comparador, donde el valor de comparación es sacado de
un nivel de la misma señal del ECG. Finalmente, la señal llega a un microcontrolador
HC08 el cual mediante un algoritmo de detección discrimina la duración del tiempo de los
ciclos cardíacos.
El circuito del detector cuenta con la característica de emitir un pulso de 10
milisegundos cuando detecta que efectivamente la frecuencia cardiaca es mayor que un
umbral preestablecido por el usuario. También se puede señalar que cuando dicho disparo
ocurre, un buzzer emite un sonido para indicar de forma sonora que se detectó un QRS en
menor tiempo del establecido. Igualmente, un led se enciende cada vez que se ha detectado
un complejo QRS.
CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO
En este capítulo se introducen los conceptos fundamentales para el soporte teórico
del presente trabajo, el cual se puede dividir en 4 etapas.
En primer lugar, se realizará una introducción a la electrocardiografía y a los
conceptos de fibrilación auricular como un tipo de arritmia muy frecuente en pacientes con
problemas cardíacos. Posteriormente se definirá la forma en la cual están almacenados los
registros de la base de datos en el computador, el formato de la base de datos, los archivos
que lo conforman, el contenido de los mismos y el software que se implementa para
llevarlos al sistema reproductor. Luego se analizará el sistema reproductor de ECG, el
principio de su diseño, los estándares de comunicación, tanto el serial como el USB, el
medio de almacenamiento y el procesamiento de las señales electrocardiográficas mediante
el un conversor digital analógico (DAC), de 16 bits. Finalmente se dan a conocer los
conceptos de detección de QRS, fundamentos del circuito detector, y del algoritmo de
detección que se utiliza para discriminar el ritmo cardíaco.
2.1.- ELECTROCARDIOGRAFÍA
La Electrocardiografía es una técnica de medición de la actividad eléctrica del
músculo cardíaco para evaluar el estado del corazón y servir como herramienta para
diagnosticar disfunciones en dicho músculo. Estos análisis se basan en el estudio de una
representación en el tiempo del comportamiento eléctrico de diferentes derivaciones. Esta
representación se denomina electrocardiograma. [1]
El objetivo del ECG es determinar el funcionamiento del corazón usando como
referencia los cambios de potencial que se pueden medir superficialmente a través de
electrodos colocados sobre la piel. La señal eléctrica que se registra en el ECG antecede los
cambios mecánicos en el corazón, lo que permite relacionar de manera satisfactoria dicha
señal con la mecánica del corazón.
4
Se han establecido una serie de estándares que varían en cuanto al número de
electrodos y localización de los mismos en el cuerpo del paciente. Cada uno de estos
estándares se utiliza para un tipo de examen particular. Por ejemplo, para el uso del ECG
como herramienta de diagnóstico, el estándar establecido es el ECG de 12 derivaciones en
reposo que se basa en el uso de 10 electrodos. Cada derivación corresponde a un trazo del
ECG. Para facilitar el proceso de diagnóstico, cada derivación tiene un nombre en
específico que viene dado de acuerdo a la localización de los electrodos y la manera en que
se medirán los voltajes en los mismos.
2.1.1.- ONDAS QUE COMPRENDEN LA SEÑAL ECG
Las primeras tres derivaciones se denominan derivaciones estándar o derivaciones
bipolares de las extremidades, llamadas derivaciones I, II y III. Para registrar estas
derivaciones se utilizan tres electrodos: uno se coloca en el brazo derecho, denominado RA
(Right Arm); otro en el brazo izquierdo, LA (Left Arm); y otro en la pierna izquierda, LL
(Left Leg). Esta disposición de los electrodos se denomina Triángulo de Einthoven y se
observa de manera gráfica en la Figura 2.1(a). Este triángulo se comporta como una red
eléctrica, por lo que se debe cumplir que la suma de los potenciales sea igual a cero en todo
momento (ley de Kirchhoff). Este modelo teórico permite establecer que una derivación
puede obtenerse a partir de la suma algebraica de las otras [1].
Las otras derivaciones se denominan derivaciones unipolares. El nombre de cada
derivación se determina en función de la posición del electrodo explorador. Para todas estas
derivaciones unipolares se utiliza como referencia un electrodo virtual denominado
Terminal Central de Wilson, Figura 2.1(b). Eléctricamente, este terminal se logra uniendo
en un nodo los electrodos RA, LA y LL usando resistencias no inductivas de 5KΩ.
Matemáticamente, se puede obtener sumando los voltajes de los tres electrodos anteriores.
El propósito de este terminal es tener un voltaje tan constante durante el ciclo cardíaco que
pueda considerarse como un punto de referencia para hacer lecturas unipolares con los
electrodos exploradores, logrando medir una derivación directa y no diferencial.
5
Tres de las derivaciones unipolares en el ECG de 12 derivaciones son: aVR,
derivación unipolar del brazo derecho, el electrodo explorador sería RA; aVL, derivación
unipolar de brazo izquierdo y aVF, derivación unipolar de la pierna izquierda.
Las seis derivaciones unipolares restantes del ECG de 12 derivaciones son las
denominadas derivaciones torácicas. La Figura 2.1(a) muestra la posición de los electrodos
en el cuerpo. Los nombres de estas derivaciones corresponden a:
V1 - En margen derecha del esternón, a nivel del cuarto espacio intercostal.
V2 - Margen izquierda del esternón, en cuarto espacio intercostal.
V3 - Punto sobre una línea recta que al punto V2 y V4, equidistante a ambos.
V4 - Intersección del quinto espacio intercostal con la línea medio-clavicular.
V5 - Punto de intersección de la línea de axilar anterior con la horizontal que pasa por el
electrodo V4.
V6 - Intersección de la línea medio axilar con la horizontal del punto V4.
(a) (b)
Figura 2.1.- (a) Ubicación en la superficie corporal de las derivaciones de ECG.
(b) Terminal Central de Wilson
V1: 4º espacio intercostal derecho, línea paraesternal derecha.
V2: 4º espacio intercostal izquierdo, línea paraesternal izquierda.
V3: Simétrico entre V2 y V4.
V4: 5º espacio intercostal izquierdo, línea medioclavicular.
V5: 5º espacio intercostal izquierdo, línea anterior axilar.
V6: 5º espacio intercostal izquierdo, línea axilar media.
RA LA
LL
I
I II RA
LL
LA
Terminal central de Wilson
Electrodo Explorador
+-
Bioamplificad
Triangulo de Einthoven
6
En un ECG normal se pueden observar diferentes deflexiones, llamadas ondas y
complejos. De acuerdo al orden en el ciclo cardiaco, las podemos diferenciar por onda P, Q,
R, S, T y U como se muestra en la figura 2.2.
Figura 2.2.- Ondas presentes en un ECG
La onda P está constituida por la suma de la depolarización auricular. El complejo
QRS refleja la depolarización ventricular. La onda T representa la repolarización
ventricular [1]
La onda P es habitualmente baja y redondeada, dibujándose como un trazo ancho de
una duración no mayor de 0.10 s y de una amplitud de hasta unos 0.2mV. Corresponde a la
propagación del estímulo por las aurículas y permite, según su forma, duración, etc.,
deducir alteraciones funcionales en esas cavidades.
A continuación sigue un trazo recto denominado intervalo P-R o P-Q (según vaya
seguido de la onda negativa Q o de la onda positiva R) que representa, medido desde la
iniciación de la P hasta la iniciación de la onda siguiente, el tiempo que tarda el estímulo en
propagarse desde el nódulo sino auricular hasta el nódulo auriculoventricular. La duración
de este intervalo en el adulto normal es de 0.12 s a 0.16 s.
7
La onda Q, primera onda negativa del electrocardiograma normal, representa la iniciación
del proceso de activación o despolarización ventricular; es generalmente pequeña, de una
duración aproximada de 0.02 s, y no siempre se encuentra presente.
La onda R, positiva y aguda es normalmente más amplia, y su altura depende de la
dirección del eje eléctrico, aunque oscila generalmente entre 0.7mV y 1.7mV. Forma parte
del complejo QRS, cuya duración varía 0.06 s y 0.10 s. Este complejo representa el proceso
de activación o de despolarización de los ventrículos, y su duración se prolonga cuando el
proceso de activación se hace en forma anormal.
La onda S, negativa, es de profundidad cambiante según la derivación que se
registre y la dirección del eje eléctrico. A continuación de ella se encuentra el segmento S-
T, de duración variable.
La onda T, generada por el proceso de repolarización ventricular es positiva en la
derivación I y II, en el adulto. La onda T es de inscripción lenta y redondeada, cuyas
anomalías se vinculan fundamentalmente a cambios metabólicos del músculo cardíaco
(pérdida de balance electrolítico, isquemia miocárdica, estados carenciales o endocrinos,
entre otros). La onda T sufre también alteraciones en casos de sobrecarga ventricular [1].
La onda U aparece ocasionalmente y se inscribe como una deflexión que sigue
a la onda T. Esta onda es aún motivo de controversia, aunque existen bases
experimentales que la asocian con la repolarización de las Fibras de Purkinje o a
post-potenciales[2].
La frecuencia cardiaca está determinada por la ocurrencia de los complejos QRS, los
cuales se caracterizan por un amplio espectro morfológico. Para detectar los complejos QRS se
suele realzar su mérito con respecto al de las ondas P y T, los miopotenciales y los artefactos.
La señal procesada se compara luego con un umbral ajustable.
8
2.2.- FIBRILACIÓN AURICULAR
La fibrilación auricular es un trastorno del ritmo cardíaco (arritmia) por lo general
con ritmo cardíaco rápido en el cual las cámaras cardíacas superiores (aurículas) son
estimuladas a contraerse de manera muy desorganizada y anómala.
En una fibrilación auricular, las aurículas son estimuladas a contraerse con
demasiada rapidez y de manera diferente a la actividad normal que se origina del nódulo
sino auricular, lo que ocasiona una contracción inefectiva y descoordinada de las mismas.
La condición puede ser causada por impulsos que son transmitidos a los ventrículos
de forma irregular o por algunos impulsos que no son transmitidos. Esto hace latir a los
ventrículos de manera irregular, lo cual conduce a un pulso irregular (y por lo general
rápido) en la fibrilación auricular (ver figura 2.3).
Figura 2.3.- ECG de la Fibrilación Auricular
Las causas subyacentes de la fibrilación auricular incluyen disfunción del nódulo
sinusal (el "marcapasos natural" del corazón), así como una variedad de trastornos
cardíacos y pulmonares como la enfermedad de las arterias coronarias, enfermedad cardíaca
reumática, trastornos de la válvula mitral y pericarditis, entre otros. Por medio de la
9
cardioversión eléctrica es posible convertir la fibrilación auricular en un ritmo normal
(sinusual)[3].
2.3.- BASE DE DATOS DE ECG
Para este proyecto se estudiaron los distintos registros pertenecientes a la base de
datos de ECG del MIT-BIH de arritmia (MIT-BIH Arrhythmia Database), los cuales
constan de 3 archivos principales: el archivo .hea, el cual posee la información básica del
paciente y de las características de las señales que fueron digitalizadas tales como:
frecuencia de muestreo, resolución del conversor analógico-digital (ADC) utilizado,
formato, número de muestras, etc; el archivo .dat, el cual es un archivo binario que posee
los dos canales de ECG que se registraron en la superficie del paciente, y el .atr, que posee
la información sobre los eventos que ocurrieron durante el muestreo del ECG.
Archivo .hea: Es un archivo de texto donde se encuentran los datos asociados a
cada señal y sus atributos, la primera línea indica el nombre de la base de datos, el numero
de canales (generalmente 2 canales), frecuencia de muestreo y número de muestras por
canal. Las líneas subsiguientes indican los parámetros respectivos de cada canal: nombre de
archivo, formato de las muestras, ganancia, resolución del ADC, ADC cero, valor inicial,
checksum, tamaño del bloque y descripción. En la figura 2.4 se ilustra el archivo .hea del
registro 100.
• Nombre de archivo: Indica el nombre del archivo donde se encuentran
almacenadas las muestras correspondientes al canal respectivo, por lo general son de
extensión .dat.
• Formato: Con éste código especifica el tipo de formato con que los datos están
guardados y como se deben leer desde el archivo .dat. Para el caso de las bases de datos
MIT-BIH el formato es 212, lo cual se refiere a que los datos para cada canal son de 12 bits
con complemento a dos, es decir que por cada tres bytes se forma un dato de cada canal
incluyendo su bit de signo.
10
• Ganancia: Aquí se especifica la ganancia para cada canal en unidades ADC por
milivoltio.
• Resolución: Indica los bits de resolución del ADC utilizado para digitalizar la
señal.
• ADC Cero: Indica el valor ubicado exactamente en la mitad del rango que
ofrece la resolución del ADC, es decir el nivel DC de la señal.
• Valor Inicial: Indica el valor (ya convertido) de la primera muestra de cada
señal.
• Checksum: Indica la suma de todas las muestras de cada canal.
• Tamaño de Bloque: Indica el tamaño del bloque en que debe ser leídas las
muestras si aplica (generalmente tiene valor cero).
• Descripción: Aquí se especifica la derivación que fue tomada del paciente.
• Información Adicional: Las últimas dos líneas contienen el sexo y la edad de la
persona a quien se le tomaron las muestras, así como los medicamentos si sigue algún
tratamiento.
Figura 2.4.- Formato archivo .hea (registro 100)
11
Archivo .atr: Es un archivo que posee una etiqueta que señala muestras
específicas de una grabación digitalizada. Por lo general, las anotaciones marcan los
acontecimientos que ocurrieron durante la adquisición del ECG (latidos normales y
bruscos); las anotaciones se usan para indicar atributos persistentes. En las grabaciones que
contienen dos o más señales simultáneamente registradas, una anotación puede señalar a
todas las señales inmediatamente, o a una señal específica.
Cada anotación es declarada como un objeto que tiene seis atributos: el tiempo (el
número de los intervalos de la muestra que preceden la muestra marcada en la anotación);
un tipo de anotación (anntyp [sic], por lo general mostrado como un código de anotación
mnemónico; tres atributos numéricos (subtyp [sic], chan, y num); y un atributo opcional.
Sólo el atributo de tiempo tiene un significado fijo; todos los demás pueden ser redefinidos
para encajar las características de los datos y las necesidades del investigador. [4]
Todas las anotaciones tienen un número de bytes iguales. El primer byte de cada par
es el byte menos significativo. Los seis bits mas significativos de cada par son parte del tipo
de código del archivo atr, y los 10 bits restantes especifican el tiempo en el cual quedo
registrada la muestra.
Archivo.dat: Es un archivo binario en complemento a dos, donde se encuentran
almacenadas todas las muestras de las señales digitalizadas (2 canales) [5], el formato de los
datos es 212 (12 bits por dato con bit de signo), lo que implica tomar 3 bytes (24 bits) para
obtener 1 par de datos (1 muestra para cada canal). La forma en como se hace la obtención
de cada muestra de 12 bits es tomando los 4 bits menos significativos del segundo byte y
colocándolos como los mas significativos del primer byte, formando así una muestra de 12
bits del canal 1, luego los 4 bits mas significativos del segundo byte se colocan como los
mas significativos del tercer byte, formando así una muestra de 12 bits del canal 2. En la
figura 2.5 se ilustra la lectura de este archivo en su formato 212.
12
Figura 2.5.- Formato 212: Ordenamiento de los bits por cada 3 bytes para formar dos muestras de 12 bits
2.4.- ESTÁNDARES DE COMUNICACIÓN
En la realización de este trabajo, se utilizará el estándar RS-232 y el estándar USB
para comunicar el computador con el equipo reproductor ECG.
2.4.1.- Interfaz RS-232
El estándar RS-232 es una de las normas de comunicación serie asíncrona mas
popular y es ampliamente aceptada en la industria. Esta norma es utilizada para la
comunicación entre módems, impresoras, ordenadores, etc. El ordenador controla el puerto
serie mediante un circuito integrado específico, llamado UART (Transmisor-Receptor-
Asíncrono Universal). Normalmente se utilizan los siguientes modelos de este chip: 8250
(bastante antiguo, con fallos, solo llega a 9600 baudios), 16450 (versión corregida del 8250,
llega hasta 115.200 baudios) y 16550A (con buffers de E/S). A partir de la gama Pentium,
13
la circuitería UART de las placa base son todas de alta velocidad, es decir UART 16550A.
Se piensa utilizar una velocidad de 115.200 bps para la transmisión. Las tramas se
transmiten en paquetes de 10 bits, donde el primer bit es de inicio, los siguientes 8 son de
data y el último es el bit de parada.
2.4.2.- Bus Serial Universal (Universal Serial Bus)
El Bus Serial Universal (USB) es una arquitectura abierta con una interfaz Plug and
Play (PnP) que permite interconectar una PC con otros dispositivos periféricos. Es decir, su
objetivo fundamental es habilitar los dispositivos de diferentes fabricantes para operar en
una arquitectura conocida, permitiendo la instalación de periféricos sin manipular
físicamente el equipo[6][7]. El estándar USB permite utilizar para un mismo puerto hasta 127
dispositivos.
Una característica importante es que ofrece mayores tasas de transmisión de datos a
los dispositivos que así lo requieran. La velocidad de comunicación con dispositivos
periféricos llega a unos 12 Mbps, esto es de 3 a 5 veces más rápido que un dispositivo de
puerto paralelo y de 20 a 100 veces más rápido que un dispositivo de puerto serial.
Además, la arquitectura USB permite unificar la interfaz con los dispositivos
periféricos en forma simple y proveyendo mejores prestaciones en cuanto a velocidad,
robustez, conectividad y detección automática de dispositivos.
Inicialmente, este estándar surge con velocidades de 1.5 Mbps y 12 Mbps,
denominado USB 1.1. Luego, evoluciona a USB 2.0 o USB de alta velocidad, con
velocidades de hasta 480 Mbps. Es decir, cuarenta veces más rápido que las conexiones
mediante USB 1.1. Las características principales del USB se pueden resumir en base a los
criterios fundamentales para su creación. En primer lugar, facilidad de implementación del
bus en los periféricos. En segundo lugar, una solución de bajo costo que soporte altas tasas
de transferencia. En tercer lugar, necesidad de una flexibilidad del protocolo para modo
mixto de transferencia isócrona y mensajería asincrónica. Finalmente, necesidad de proveer
una interfaz estándar para múltiples plataformas.
14
2.4.2.1.- Funcionamiento
Este estándar trabaja como interfaz para transmisión de datos y distribución de
energía a sistemas periféricos. Esta interfaz se logra a través de 4 terminales: dos terminales
para transmisión de datos y dos terminales para proveer una alimentación de 5V.
Este bus se basa en una arquitectura de paso de un testigo. En general, el controlador
USB distribuye pases de testigos a través del bus. Cada uno de de los dispositivos
conectados al mismo comparan su identificación con la que porta el testigo. Si esta
identificación coincide, el dispositivo responde a los comandos enviados por el controlador.
2.4.2.2.- USB: CP2103 Breakout Board
Dado que el microcontrolador usado solo posee puerto Serial (RS232) y la necesidad
de adaptación a estándares actuales, se decidió usar un conversor USB/RS232 conocido
como el módulo CP2103, el cual implementa un chip conversor de protocolo USB v2.0 a
RS232, que no necesita de un oscilador externo, posee una memoria EEPROM de 1024
Bytes y 4 GPIOS controlables independientes.
Los drivers del CP2103 pueden conseguirse en la pagina web del fabricante,
http://www.sparkfun.com , para Windows 98 ME, 2000 y XP, así como para MAC y para
las computadoras que trabajan en ambiente LINUX. En la misma página se consigue el
esquemático del módulo así como el datasheet del CP2103.
Este módulo recibe por uno de sus extremos el cable USB de la PC y convierte por el
otro extremo el protocolo USB a RS232, obteniéndose 16 conexiones que van al dispositivo
serial con el que se desea trabajar. Para efectos de conectarlo con la tarjeta de adquisición
solo utilizamos los pines Rx, Tx y Ground. La conexión hacia el PC se implementa
instalando los drivers requeridos los cuales asignan un COM virtual que se suma a la lista
de los demás puertos COM reconocidos por el software.
15
Figura 2.6.- Foto del Breakout Board CP2103
Una característica que posee el módulo es con la de contar con un indicador visual que
permite saber que se encuentra conectado al PC.
La tarjeta de adquisición basada en el microcontrolador Motorola MC68HC908GP32
(HC08) cuenta con unos jumpers que permiten seleccionar entre el uso de la comunicación
serial o el de la comunicación USB, de modo que hay compatibilidad para conectar el
dispositivo reproductor ECG al tipo de computador que mejor se adapte.
2.4.2.3.- Conversor Serial a USB
En muchos casos, resulta necesario interconectar dispositivos de bajo nivel a la
especificación USB, para así gozar de todas las ventajas que la misma ofrece. Por supuesto,
no todos estos dispositivos tienen los recursos necesarios para implementar fácilmente esta
especificación. Sin embargo, usar una interfaz serial asíncrona es, por lo general, bastante
simple. En estos casos, suele utilizarse un conversor serial a USB que se comunique con la
plataforma host con USB y en un formato serial asíncrono con el dispositivo de bajo nivel.
Por supuesto, para poder interpretar los datos enviados por el dispositivo, es necesario
contar con un manejador (driver) en la plataforma host que interactúe con el conversor
serial-USB. Como estos conversores se utilizan comúnmente para actualizar
tecnológicamente dispositivos que utilizan el estándar RS-232, se suele utilizar un
manejador que registra en el sistema un nuevo puerto serial COM, llamado COM virtual.
Esto permite que la comunicación entre el dispositivo y una aplicación basada en el manejo
16
de puertos seriales COM sea transparente al utilizar USB, es decir, que no es necesario
hacer cambios en la aplicación, además, el manejo e COM virtuales permite seguir
trabajando con el protocolo de comunicación utilizado entre el PC y el microcontrolador sin
realizar modificaciones del mismo.
2.5.- PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN
Toda comunicación entre un ordenador y dispositivos periféricos requiere de un
protocolo que permita una comunicación de forma coordinada y que sea capaz de prevenir
los posibles errores debido a factores externos, como el ruido por el canal de comunicación
por ejemplo. Un protocolo simple como el que se muestra en la figura 2.7, envía todas las
muestras por trama y utiliza un código de redundancia cíclica para detectar errores de
transmisión.
Figura 2.7.- Formato del Protocolo de Comunicación
Inicio (0x01): Es el byte que indica que se ha iniciado una trama.
Num de Tramas: Son tres bytes que indican la trama que se esta mandando en el
momento, al llegar a cero finaliza la transmisión.
Data 3: Es el byte que contiene los ocho bits más significativos del canal 1
Data 2: Es el byte que contiene los ocho bits mas significativos del canal 2
17
Data 3: Es el byte que contiene en los 4 bits mas significativos, los 4 bits
menos significativos del canal 1, y en los 4 bits menos significativos
CRC High: Son los 8 bits más significativos del código CRC.
CRC Low: Son los 8 bits menos significativos del código CRC.
Final (0x03): Indicar que es el fin de una trama.
2.5.1.- CÓDIGO DE REDUNDANCIA CÍCLICA (CRC)
Los mensajes incluyen un campo de comprobación de error que está basado en un
método Comprobación de Redundancia Cíclica (CRC). El campo CRC controla el
contenido del mensaje completo. Se aplica con independencia de cualquier método de
control de paridad utilizado para los caracteres individuales del mensaje.
El campo CRC es de dos bytes, conteniendo un valor binario de 16 bits. El valor
CRC es calculado por el dispositivo emisor, que añade el CRC al mensaje. El dispositivo
receptor calcula el CRC durante la recepción del mensaje y compara el valor calculado con
el valor recibido en el campo CRC. Si los dos valores no son iguales, resulta un error.
Para calcular el valor CRC se precarga un registro de 16 bits, todos ellos a 1. Luego
comienza un proceso que toma los sucesivos bytes del mensaje y los opera con el contenido
del registro y actualiza éste con el resultado obtenido. Sólo los 8 bits de dato de cada
carácter son utilizados para generar el CRC. Los bits de arranque y paro y el bit de paridad,
no se tienen en cuenta para el CRC. Durante la generación del CRC, se efectúa una
operación booleana OR exclusivo (XOR) a cada carácter de 8 bits con el contenido del
registro. Entonces al resultado se le aplica un desplazamiento de bit en la dirección de bit
menos significativo (LSB), rellenando la posición del bit mas significativo (MSB) con un
cero. El LSB es extraído y examinado. Si el LSB extraído fuese un 1, se realiza un XOR
entre el registro y un valor hexadecimal fijo preestablecido (0xA001 por convención). Si el
LSB fuese un 0, no se efectúa un el XOR.
18
Este proceso es repetido hasta haber cumplido 8 desplazamientos. Después del
último desplazamiento (el octavo), el próximo byte es operado XOR con el valor actual del
registro y el proceso se repite con ocho desplazamientos más, como se ha descrito mas
arriba y así con todos los bytes del mensaje. El contenido final del registro, después de que
todos los bytes del mensaje han sido procesados, es el valor del CRC. Cuando el CRC es
añadido al mensaje, primero se añade el byte de orden bajo seguido del byte de orden alto.
2.6.- DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO
Cuando se realiza un diseño con almacenamiento local de mediana y larga duración,
se hace necesario contar con un sistema de memoria de capacidad para manejar los
registros más grandes de la base del M.I.T. Esta memoria debe de ser capaz de retener la el
registro del ECG el tiempo suficiente para desconectar el dispositivo reproductor de la PC,
trasladarlo a otra parte y poder así reproducir el registro completo con los dos canales.
También debe proveer una velocidad de grabado suficientemente alta como para permitir el
almacenamiento del ECG casi a la misma velocidad con la que se transmiten los datos y sin
pérdidas. También es importante que al producirse un fallo de energía en el sistema, la data
almacenada se mantenga intacta y sea adquirida cuando se reestablezca la alimentación, es
decir, la memoria debe ser no volátil.
A continuación, se presenta un medio de almacenamiento digital no-volátiles, basado
en tecnología FLASH, con sus características principales.
Figura 2.8.- BQ4017 Memoria RAM 2048x8 KBits
19
Los datos son almacenados en bloques de 8 bits, posee 21 bits de dirección y 3 bits
de control. La memoria que se muestra en la figura 8, se comunica con un bus de datos del
HC08 y es diseccionada por medio de 2 contadores de 12 bits, los cuales están en cascada
para lograr llenarla en toda su totalidad.
2.7.- FILTROS ACTIVOS
Los filtros son circuitos capaces de controlar las frecuencias permitiendo o no el
paso de éstas dependiendo de su valor. Se llaman activos ya que constan de elementos
pasivos (células R-C) y elementos activos como el OP-AMP (Amplificador Operacional).
Las células R-C están compuestas por una resistencia y un condensador y dependiendo del
número de estas células usadas se determinará el orden del filtro así como su respuesta y su
calidad.
El funcionamiento de las células se basa principalmente en su actuación como
divisor de tensión. Al aumentar la frecuencia de señal, la reactancia del condensador
disminuirá y entrará más o menos tensión al OP-AMP, dependiendo de si es pasa altos o
pasa bajos respectivamente. Para cualquier tipo de filtros se emplean las siguientes
definiciones:
• Frecuencia de corte. Es aquella en que la ganancia del circuito cae a -3 dB por
debajo de la máxima ganancia alcanzada. En los filtros pasa y elimina banda existen
dos: una superior y otra inferior.
• Banda pasante. Conjunto de frecuencias de ganancia superior a la de corte en
un margen menor o igual a 3 dB.
• Calidad: especifica la eficacia del filtro, es decir, la idealidad de su respuesta.
Se mide en dB / octava; dB / década. Lo ideal sería que tomara un valor de infinito.
20
Finalmente, el uso de un filtro pasa banda de segundo orden es fundamental si se
quiere implementar un detector de QRS analógico, ya que en su primera etapa es necesario
derivar dos veces la señal del ECG. La relación entre un filtro de segundo orden y la doble
derivada de una señal, es que la señal ECG compuesta de altas y bajas frecuencias se ve
atenuada en -40 dB / década, dando como resultado que el ECG queda suavizado centrado
en una frecuencia establecida.
CAPÍTULO 3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
En este capítulo se da la descripción del sistema desarrollado, analizando las
diferentes etapas y específicamente, los módulos en los que se divide: el reproductor de
ECG y el detector de eventos y ritmo.
Primero se explicará como se descargan los registros de la base de datos utilizando
el software implementado en LabView 7.1, el cual reproduce el ECG y manda por el
puerto COM el registro hacia la tarjeta de adquisición.
Posteriormente, la tarjeta de adquisición almacena el registro transmitido en la
memoria RAM no volátil, para que después de desconectar el dispositivo de la PC empiece
la reproducción del ECG. Sin embargo, existe otro método de reproducción, el cual se hace
en línea (On Line) desde la PC sin necesidad de almacenar en memoria. Es de hacer notar
que el equipo reproductor se manipula por software en modo On Line, mientras que en el
otro modo se manipula por software.
Finalmente el circuito detector toma en la entrada el ECG reproducido
analógicamente, y detecta cada vez que ocurre el complejo QRS, discriminando la
frecuencia cardiaca en el caso de que sea mayor que la preestablecida.
3.1.- REPRODUCTOR DIGITAL EN LabView (ECG Player)
El programa en LabView denominado ECG Player, busca el directorio donde se
encuentra el registro que contiene el ECG del paciente, luego aplica el algoritmo de lectura
de formato 212 y reproduce ambos canales pudiendo visualizarse a una frecuencia de 360
muestras por segundo. Después de que se reproduce el ECG, este es mandado del puerto
COM hacia el microcontrolador, a una velocidad máxima de 115.200 bits por segundo
(Bps). El software permite variar la escala del tiempo para visualizar con mayor precisión
el ECG. La figura 3.1 muestra como se selecciona el registro que se desea reproducir,
22
mostrando inmediatamente los datos del paciente como la edad, sexo, medicamentos y las
derivaciones de cada canal del ECG.
Figura 3.1.- Ilustración de la Selección del Registro
Después de seleccionar el registro se procede a convertir los datos para poder
visualizarlos en el monitor de LabView, como se puede observar en la figura 3.2.
Figura 3.2.- Ilustración de la Conversión los datos en formato 212
23
Este es el momento cuando se toma la base de datos tal como se puede descargar de
la base de datos MI-BIH, y el programa ECG Player lleva los datos de 11 bits a 12 bits, ya
que 11 bits para un DAC de 16 bits de resolución resulta dar una amplitud muy pequeña
para nuestro propósito de visualizar el ECG en el osciloscopio.
Luego que termina la conversión podemos ver los dos canales del ECG, como se
muestra en la figura 3.3.
Figura 3.3.- Ilustración de la Reproducción con el programa ECG Player
Mientras se observan los dos canales, podemos distinguir la derivación a la cual
corresponde cada canal, al igual que los datos del paciente que están a la izquierda del
monitor. Debajo de los datos del paciente esta la opción para empezar con la transmisión
del ECG al módulo. Una vez seleccionada, el programa pide la configuración puerto (ver
figura 3.4) COM1 ó COM4 correspondiente a los tipos de transmisión RS232 ó USB
respectivamente, para luego empezar el envío de la data, mostrando lo que se puede
observar en la figura 3.5.
24
Figura 3.4.- Configuración del puerto para transmisión de datos.
Figura 3.5.- Ilustración de los datos transmitiéndose a la tarjeta.
25
3.2.- TARJETA DE ADQUISICIÓN
Esta es una tarjeta de desarrollo en base a un microcontrolador HC08, el cual trabaja con
una arquitectura de 8 bits. La figura 3.6 muestra el prototipo de la tarjeta.
Figura 3.6.- Tarjeta de Adquisición
La tarjeta de adquisición de datos se implementó con el objetivo de que realice las
siguientes funciones:
• Recibir por el puerto serial o USB la data de la onda ECG transmitida desde el PC
hacia el reproductor ECG.
• Controlar una memoria RAM externa con el propósito de almacenar la onda ECG
con sus respectivos dos canales.
• Controlar una pantalla LCD de dos líneas con 16 caracteres para visualizar los datos
del paciente.
• Mandar la data del ECG ya almacenada en la memoria RAM hacia un DAC de 16
bits de resolución para convertir el ECG digital en una onda analógica.
26
Indicadores Visuales y Reset
Transmisión Desde el PC
• Controlar el canal que se desea visualizar utilizando la pantalla LCD como interfase
gráfica.
En la figura 3.7 se puede observar el diagrama de bloques básico del funcionamiento de
la tarjeta adquisición.
Figura 3.7.- Diagrama de Bloques de la Tarjeta de Adquisición
Para cumplir con los objetivos planteados, fue necesario agregar los componentes que
permitieron obtener el reproductor analógico ECG, los cuales son la memoria RAM de
2048 bytes, el display LCD de 2 filas x 16 caracteres y un DAC de 16 bits, todos
controlados con el microcontrolador HC08.
3.2.1.- DAC (Digital Analog Converter)
Este es un DAC de Analog Devices, modelo AD768 de 16 bits de resolución, con alta
velocidad de conversión de digital-analógica, puede hacer hasta 30 millones de
conversiones por segundo. Tiene latches en las entradas digitales, dividido en un latch para
los 12 bits menos significativos y otro match para los 4 bits más significativos. Este DAC
entrega en su salida valores de corriente que corresponde a la conversión digital –
analógica, aunque puede configurarse para que la salida sea de voltaje. En la figura 3.8 se
muestra el diagrama funcional del DAC.
Microcontrolador MC68HC908GP32
Alimentación
MAX 232
DB9
Conector 40 Pines
27
Figura 3.8.- Diagrama Funcional del DAC
La configuración que se utilizó para el DAC es la que se muestra en la figura 3.9 con
una modificación a la salida, cuyas conexiones se muestran en la figura 3.10 para cambiar
la configuración de corriente a voltaje. Por otra parte, se utilizaron los puertos A y B del
micro para enviar la muestra digital del ECG y el puerto D para controlar el DAC a través
de la señal de reloj. La forma como se implementó el proceso de conversión fue generando
un pulso cada vez que se coloca una muestra en los puertos.
Figura 3.9.- Configuración del DAC
28
El DAC utilizado se buscó con el propósito de poder observar la onda analógica del
ECG de forma que se cumpla con las especificaciones recomendadas para los
electrocardiógrafos. Hay que destacar los siguientes puntos:
• Las muestras se encuentran en el PC con 11 bits más un bit de signo, pero el
software ECG Player manda las muestras de la siguiente forma: se evalúa la
muestra verificando si tiene bit de signo, si lo tiene lo convierte a un dato de 11 bits
pero negativo, si no lo tiene lo deja positivo con los mismos 11 bits. A todas las
muestras se le restan el valor mínimo del registro y luego a todas las muestras
resultantes se les divide entre el nuevo valor máximo para normalizar los datos
(entre 0 y 19. Para finalizar a las muestras normalizadas se les multiplica por 212, de
esta forma quedan ya en escala de 12 bits. Cuando al micro le llegan los 12 bits, este
se encarga de colocar los 12 bits en los 12 pines más significativos del DAC,
dejando los 4 menos significativos en cero.
• El valor de corriente que se obtiene en la salida del DAC se calcula de la siguiente
forma:
( )RLadRLoadIoutVout
IrefinCODEDACIout
×=
××= 4535.65
_
El DAC_CODE es la representación decimal de la entrada del DAC, siendo un
entero que varía entre 0 y 65536. El valor máximo de la corriente de salida es
de 20 mA en el caso de que se use la máxima resolución, ya que de acuerdo a la
figura 3.9, Irefin es de 5 mA.
• Para manejar voltaje en la salida, es necesario incorporar en la etapa de salida del
DAC, un circuito recomendado por el fabricante que lleva el voltaje de salida en un
rango de -2.5 a 2.5 voltios. El circuito se muestra en la figura 3.10. Los modelos de
amplificadores A1 que recomienda el fabricante son de Analog Devices AD811,
29
AD8001, y AD9631. Los más apropiados serían el AD845 y el AD797 por ser de
bajo ruido. En este caso se decidió usar el AD797.
Figura 3.10.- Circuito para voltaje a la salida del DAC ±2.5 VDC
El AD797 es un amplificador ultra low noise. Es importante resaltar también que el
uso de este circuito para convertir la corriente en voltaje, disminuye el efecto de ruido que
se puede tener en la salida del DAC.
3.2.2 ALMACENAMIENTO DIGITAL: Memoria RAM
Para escoger este medio de almacenamiento digital se consideraron los siguientes
factores fundamentales: En primer lugar, el tamaño de los registros de la base de datos del
MIT-BIH, en segundo lugar el hecho de que sea no volátil. Por último, el hecho de que hace
al equipo reproductor portátil. En la figura 3.11 puede verse las conexiones por pines de la
memoria RAM.
30
Figura 3.11.- Encapsulado de la Memoria BQ4017
Características de Operación
• Voltaje de alimentación en un rango de 4.5 a 5.5 voltios.
• Temperatura de Operación entre 0ºC y 70ºC.
• La velocidad de acceso es de 70 ns.
• Batería interna con capacidad de retención de hasta 10 años.
• La memoria RAM cuenta con tres pines de control, CE para habilitar el chip, WE
para seleccionar lectura o escritura y OE para habilitar la entrada o la salida.
La memoria RAM es de 21 bits, por lo que es posible direccionar 221 posiciones de
memoria de tamaño 1 byte, es decir, tiene 2 Megabytes de capacidad de almacenamiento.
Los algoritmos para escritura y lectura en la memoria RAM se muestran en la figura 3.12
(a) y (b) respectivamente.
31
(a) (b)
Figura 3.12.- (a) Algoritmo para Escribir la RAM. (b) Algoritmo para Leer la RAM
Los algoritmos utilizados en el microcontrolador para leer y escribir en la RAM,
fueron implementados usando la tabla 3.1.
MODE CE WE OE Not Selected H X X
Output Disable L H H
Read L H L
Write L L X
Tabla 3.1.- Tabla de la Verdad de la Memoria RAM BQ4017
NO
FIN
Alta Impedancia
Modo Escritura
Se coloca el dato en el Puerto
SI
INICIO
WE y OE en ALTO
Fin de
Escritura
WE en BAJO
Dato en el Puerto
NO
FIN
Alta Impedancia
Modo Lectura
Se lee el dato del Puerto
SI
INICIO
WE y OE en ALTO
OE en BAJO
Dato en el Puerto
Fin de
Lectura
32
3.2.3.- PANTALLA LCD (Liquid Cristal Display)
El LCD está constituido por un circuito impreso en el que están integrados los
controladores del display y los pines para la conexión del display. Sobre el circuito impreso
se encuentra el LCD en sí, rodeado por una estructura metálica que lo protege. En total se
pueden visualizar 2 líneas de 16 caracteres cada una, es decir, 2 x 16 = 32 caracteres. A
pesar de que el display sólo puede visualizar 16 caracteres por línea, puede almacenar en
total 40 por línea. Es el usuario el que especifica que son solo 16 caracteres los que se van a
visualizar.
El LCD dispone de una matriz de 5x7 puntos para representar cada carácter. En total
se pueden representar 256 caracteres diferentes. 240 caracteres están almacenados dentro
del la memoria del LCD y representan las letras mayúsculas, minúsculas, signos de
puntuación, números, etc. Existen 8 caracteres que pueden ser definidos por el usuario. La
figura 3.13 muestra como se controla la pantalla LCD con el microcontrolador.
Figura 3.13.- Conexión del LCD con el HC08
33
Descripción de los Pines
Pin Nº Símbolo Descripción
1 Vss Tierra (gnd)
2 Vdd Alimentación +5v
3 Vo Contraste del cristal liquido. ( 0 a +5V )
4 RS Selección del registro de control/registro de datos
5 R/W Señal de lectura/escritura
6 E Habilitación del módulo
7 – 14 DB0 – DB7 Bus de datos bidireccional
15,16 -Led, +Led BackLight del Display
Tabla 3.2.- Conexiones de la Pantalla LCD
El contraste se varía a través de un potenciómetro de 10K. Colocando el pin RS en
nivel bajo se selecciona el registro de control y colocándolo en nivel alto se selecciona el
registro de datos. Colocando el pin R/W en nivel bajo se selecciona el modo escritura y
colocándolo en nivel alto se selecciona el modo lectura. Colocando el pin de Enable E en
nivel bajo se deshabilita el LCD. EL manejo de la pantalla LCD se implementó utilizando
un bus de datos de 4 bits, donde los pines mas significativos reciben el dato multiplexado,
es decir, primero los 4 bits de la parte alta y luego los 4 bits de la parte baja.
El código en lenguaje C que se implemento para la inicialización y manejo del
display se realizó tomando como referencia el algoritmo que se describe a continuación en
la figura 3.14.
34
Borrar Pantalla RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
Mover el Cursor al Inicio RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 0 0 0 0 0 0 0 1 X
Dirección de Movimiento del Cursor RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 0 0 0 0 0 0 1 I/D X
Apaga o Prende el Cursor RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 0 0 0 0 0 1 D C B
Establece el Tamaño de la Interfase con el Bus de Datos (4 ó 8 bits), Número de Líneas del Display y tipo de Carácter
RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
0 0 0 0 1 D/L N F X X
Figura 3.14.- Algoritmo Básico para inicialización y manejo el LCD
35
3.3.- REPRODUCTOR ECG ANALÓGICO
Lo primero que se hizo en este proyecto fue trabajar con el prototipo de la tarjeta de
adquisición que facilitó el Grupo de Bioingeniería y Biofísica Aplicada (GBBA). El
cerebro de esta tarjeta es el microcontrolador HC08. Luego de evaluar los componentes que
eran necesarios para realizar el reproductor ECG, se estudiaron los recursos disponibles de
dicho microcontrolador para optar por los dispositivos mas adecuados.
El objetivo inicial de este proyecto era partir de la tarjeta de adquisición existente,
optimizando las primitivas de funcionamiento y adaptarla al prototipo de la tarjeta del
reproductor de ECG analógico.
La primera mejora que se realizó fue añadirle el CP2103 Breakout Board de
comunicación USB, que permite comunicar la tarjeta con las PC’s y Laptops que no poseen
puerto serial alguno. A pesar de que la velocidad de transmisión del USB que es de 480
Mbps es mucho mayor que la velocidad serial, esta se ve limitada por la recepción del
HC08, la cual es de hasta 115.200 bps..
Figura 3.15.- Jumpers para seleccionar entre el SERIAL y el USB
La figura 3.15 muestra los jumpers con los que se selecciona el puerto por donde
entra la data al microcontrolador. Los dos de extrema derecha son para la comunicación
serial con el aislador óptico utilizado en los laboratorios del LABC. Los dos del centro son
para seleccionar el serial por medio del MAX232, y los dos de extrema izquierda son para
36
seleccionar el serial por el conector de 40 pines, el cual se conecta al CP2103 Breakout
Board conviertirndo de serial a USB.
El módulo CP2103 es peer to PC, es decir maneja por un lado serial y por el otro
está esperando a comunicarse con un PC, por lo tanto fue necesario instalar en el PC los
drivers que maneja el CP2103 que incorpora un nuevo puerto COM virtual, cualquier
programa de alto nivel como LabView reconoce este puerto como si fuese otro puerto
serial, de modo que no hay que realizar ningún cambio al software respecto al protocolo de
comunicación.
3.3.1.- MICROCONTROLADOR MC68HC908GP32
Este microcontrolador pertenece a la familia HC08 de Motorola, cuyas principales
características son:
• Modelo de programación HC05 mejorado.
• Control de bucles optimizado.
• 16 modos de direccionamiento.
• Registro de índice y puntero de pila de 16-bits.
• Transferencia de datos de memoria a memoria.
• Rápidas instrucciones de multiplicación de 8x8.
• Rápidas instrucciones de división de 16/8.
• Instrucciones BCD (Binario codificado en decimal).
• Optimización para aplicaciones de control.
• Soporte eficiente del lenguaje C.
Se pueden ver todos los componentes de esta familia en la página
http://www.freescale.com, en la sección de la familia HC08G. Las características
principales del microcontrolador MC68HC908GP32 son:
• Arquitectura de alto rendimiento M68HC08 optimizada para compiladores C.
• Compatible con la familia 68HC05.
37
• Frecuencia interna del bus de 8-MHz.
• Código de seguridad para la lectura y programación de la memoria FLASH.
• Firmware On-chip para la programación desde PC.
• Programable en el circuito.
• Sistemas de protección:
• "Watch Dog" opcional ( Computer Operating Properly (COP) reset).
• Detección de baja tensión con reset opcional.
• Detección de código ilegal con reset.
• Detección de direccionamiento ilegal con reset.
• Diseño de bajo consumo, completamente estático y varios modos de operación.
• 32 Kbytes de memoria FLASH programable en circuito.
• 512 bytes de memoria RAM.
• Módulo de interfaz serie asíncrono (SPI).
• Módulo de interfaz serie síncrono (SCI).
• Dos temporizadores de 2 canales de 16 bits (TIM1 y TIM2) con captura de entrada
seleccionable, comparadores y capacidad de PWM en cada canal.
• 8 canales para conversión AD por aproximaciones sucesivas de 8 bits.
• Módulo generador de reloj con PLL "on-chip"C.
• Hasta 33 pines de entradas/salidas de propósito general.
• Resistencias de Pull up seleccionables en los puertos A, C, y D. La selección puede
ser de forma individual, por bit.
• Corriente de entrada/salida de hasta 10mA por bit individual de cada puerto
• Puerto de 8-bits para el manejo de teclado.
• Encapsulado plástico 40 pines DIP, 42 pines SDIP o 44 pines QFP (quad flat pack).
El encapsulado del microcontrolador HC08 que usa la tarjeta de adquisición es de
tipo dip de 40 pines. Según se mestra en la figura 3.16.
38
Figura 3.16.- Encapsulado del MC68HC908GP32
La plataforma sobre la cual se programó el HC08, es el CodeWarrior 2.1, un
ambiente que se basa en lenguaje C con la ayuda de módulos llamados beans, los cuales
son herramientas que permiten configurar de forma muy fácil los recursos del
microcontrolador.
El microcontrolador HC08 cuenta con módulos que le permiten realizar funciones
de control, estos módulos pueden apreciarse en la figura 3.17.
39
Figura 3.17.- Módulos internos del MC68HC908GP32
El bus interno del microcontrolador tiene conexión directa a los puertos, los cuales
son los periféricos del HC08, las entradas y salidas hacia los dispositivos que se desea que
el micro opere de forma controlada. La figura 3.18 muestra los puertos del HC08:
Figura 3.18.- Puertos del microcontrolador MC68HC908GP32
PROGRAMMABLE
TIMEBASE
SINGLE BREAKPOINT
BREAK
DUAL VOLTAGE
INHIBIT MODULE
8 BIT KEYBOARD
INTERRUPT
2-CHANNEL TIMER
INTERFACE 1
SERIAL COMMUNICATIONS
INTERFACE
SERIAL PERIPHERAL
INTERFACE
COMPUTER OPERATING
PROPERLY
MONITOR
MODULE
2-CHANNEL TIMER
INTERFACE 2
DATA BUS SWITCH
MODULE
MEMORY MAP
MODULE
CONFIGURATION
REGISTER 1
CONFIGURATION
REGISTER 2
Internal BUS
PORT
PORT
PORT
PORT
PORT
PTA7/KBD7 – PTA0/KBD0
PTB7/AD7 – PTB0/AD0
PTD5 – PTD0
PTC4 – PTC0
PTE1/RxD PTE0/TxD
40
El microcontrolador necesita de un reloj externo para generar los pulsos de reloj,
internamente es capaz de multiplicar esa frecuencia del reloj externo para llegar a una mas
alta, en nuestro caso utilizamos un oscilador de cristal de 32.768 Hz, y programamos el
micro para que la frecuencia interna de reloj sea de 8 MHz, que es la máxima que nos
permite. El reloj utilizado es como el que se muestra en la figura 3.19.
Este oscilador se encuentra integrado en la tarjeta de adquisición, ya que en el caso
de necesitar utilizar el microcontrolador a una frecuencia distinta es posible hacerlo
mediante software, pero para nuestros propósitos solo bastó con trabajar a 8 MHz, ya que la
velocidad de transmisión serial máxima es de 115.200 bps sólo a esa frecuencia, lo cual es
clave para la transmisión del ECG.
Figura 3.19.- Tarjeta del circuito oscilador de 32.768 Hz
Los componentes que forman parte del oscilador se muestran en la tabla 3.
Item Cantidad Referencia Valor
1 2 C1,C2 0,33pF 2 1 C3 0,033uF 3 1 C4 0,01uF 4 1 C5 0,1uF 5 1 J1 CON5 6 1 R1 10M 7 1 R2 330K 8 1 R3 10K 9 1 Y1 32.768Khz
Tabla 3.3.- Componentes del Oscilador
41
Figura 3.20.- Mapa de la Memoria del MC68HC908GP32
La memoria RAM del microcontrolador es de 512 bytes como se ve en la figura 3.20, pero
no se encuentra toda disponible para programar, ya que 40 bytes están reservados para los
registros internos del micro, y la pila utiliza un tamaño fijado por el usuario, así que en la
práctica la RAM termina menor.
I/O Registers 64Bytes
RAM 512 Bytes
Unimplemented 32 KBytes
Flash Memory 32 KBytes
SIM Break Status Register
SIM Reset Status Register
SIM Break Flag Control
Interrupt Status Register 1
Interrupt Status Register 2
Interrupt Status Register 3
Reserved
Flash Control Register
Break Address Register H
Break Address Register L
Break Status and Control
LVI Status Register
Unimplemented 3 Bytes
$0000
$003F
$0040
$023F
$0240
$7FFF
$8000
$FDFF
$FE00
$FE01
$FE02
$FE03
$FE04
Reserved (SUBAR)
42
3.4.- DISEÑO DEL REPRODUCTOR ANALÓGICO
Luego de analizar todos los módulos que conforman el equipo reproductor
analógico de ECG, podemos ver en un esquema general el dispositivo que realiza la
función de tomar una base de datos que se encuentra almacenada en forma digital en un
PC, y reproducir en forma analógica la señal de ECG de un paciente cualquiera. Cabe
destacar que este sistema es parte del prototipo biomédico que además de reproducir una
onda ECG debe detectar cambios en el ritmo cardíaco. El esquema de cómo funciona la
parte de detección de eventos será explicado en el siguiente punto.
Este es un sistema basado completamente en el uso de un microcontrolador con una
arquitectura de 8 bits, con control de componentes periféricos que son parte del diseño del
equipo reproductor. Finalmente, el sistema reproductor analógico comprende los siguientes
componentes:
• Tarjeta de adquisición en base al microcontrolador HC68MC908GP32, con
registros de 8 bits. Posee interfaz serial para comunicarse con una PC.
• Comunicación RS232 y también con un conversor USB serial CP2103, para efectos
del microcontrolador la comunicación es serial pero visto desde le PC, se puede
transmitir el ECG por un puerto COM si es con cable serial o por medio de un
puerto COM virtual si la comunicación es con un cable USB.
• El protocolo de comunicación entre la tarjeta de adquisición y el PC permite una
conexión con computadoras de escritorio y laptops.
• Una pantalla de cristal líquido que sirve de interfaz para que el usuario pueda saber
que canal es el que se esta reproduciendo, además de poder visualizar la
información básica del paciente y de permitir el funcionamiento del dispositivo.
43
• Memoria RAM no volátil que permite el almacenamiento del registro del ECG,
haciendo portátil al dispositivo reproductor, independiente de la conexión con el PC
y trasladable hacia el lugar donde se encuentre el osciloscopio.
• Conversor digital analógico de 16 bits, con mayor resolución de la realmente
necesaria, ya que las muestras están en un formato de 12 bits.
• A partir de estos elementos es posible considerar que se tiene un sistema al cual se
le pueden transmitir los registros de la base de datos del MIT-BIH., ya sea por
comunicación serial o USB, ello se configura desde el software ECG Player en
LabView. El equipo permite seleccionar si se desea transmitir un registro completo
o reproducir uno ya almacenado en la memoria RAM, a la cual no se lo borran los
datos cuando se le corta la alimentación al dispositivo, ya que posee una batería
interna. El DAC, además de sacar la onda analógica del ECG, tiene la salida que va
a tomar el sistema detector de eventos para discriminar los cambios de frecuencia
cardiaca del paciente. La figura 3.21 muestra el diagrama de bloques del sistema
reproductor analógico.
44
Figura 3.21.- Sistema Reproductor Analógico de ECG
45
La tabla 3.4 muestra como están distribuidos los recursos del HC68MC908GP32
para controlar los distintos componentes que forman el sistema reproductor, los recursos
del micro salen a través de los puertos que manejan datos o realizan funciones de control
Pines del Microcontrolador Asignación Dispositivo que utiliza el recurso
PTC0 LCD_DATA_0 PTC1 LCD_DATA_1 PTC2 LCD_DATA_2 PTC3 LCD_DATA_3
Bus de datos hacia la pantalla LCD
PTC4 MODO EJECUCIÓN Selecciona el modo (Transmisión desde PC o Reproducción desde Memeoria)
PTE0 TxD PTE1 RxD
Transmisión Serial
PTD0 RS PTD1 RW PTD2 E
Pines de control y manejo de la pantalla LCD
PTD3 DAC_CLOCK Señal de reloj del DAC PTD4 COUTERS_RESET PTD5 COUTERS_CLOCK
Pines de control de los contadores para el direccionamiento de la memoria
PTA7 ECG_DATA_11 PTA6 ECG_DATA_10 PTA5 ECG_DATA_9 PTA4 ECG_DATA_8 PTA3 ECG_DATA_7 PTA2 ECG_DATA_6 PTA1 ECG_DATA_5 PTA0 ECG_DATA_4
Byte mas significativo de la data de ECG digital que conecta al DAC
PTB7 ECG_DATA_3 PTB6 ECG_DATA_2 PTB5 ECG_DATA_1 PTB4 ECG_DATA_0
4 bits menos significativos de la data de ECG digital que conecta al DAC
PTB3 Potenciómetro TIME_SET Valor analógico que preselecciona el ritmo cardíaco usado por el discriminador
PTB2 CE PTB1 RW PTB0 OE
Pines de control para el manejo de la memoria RAM (Lectura/Escritura)
Tabla 3.4.- Disposición de los Recursos del HC08
46
3.5.- DETECTOR DE QRS
Después de reproducir analógicamente la señal del ECG, se implementó un circuito
por el cuál pasaría dicho ECG, y que este sea capaz de detectar confiablemente el complejo
QRS de la señal. La detección del QRS es la base de nuestro estudio para discriminar el
ritmo cardiaco del paciente.
3.5.1.- OBTENCIÓN DEL INTERVALO R-R
Se pueden distinguir dos procedimientos diferentes para la obtención de la serie RR
en función de la instrumentación empleada:
• Obtención de la serie RR a partir de registros electrocardiográficos ya
obtenidos y almacenados sobre cualquier soporte de memoria.
• Obtención directa de la serie RR en tiempo real.
Sea cual sea el procedimiento, para obtener la serie temporal RR se deben realizar los
siguientes pasos:
• Amplificación del ECG
• Detección del complejo QRS
• Obtención del intervalo R-R midiendo el tiempo respecto al complejo anterior
En nuestro caso el ECG ya almacenado en la base de datos con una ganancia
específica, sin embargo se le agregó una etapa de acondicionamiento que filtra y amplifica
el ECG. Lo que sigue para medir el intervalo R-R es la detección del QRS. Este detector de
es el punto crítico en la medida de la serie R-R y puede ser de dos tipos: detector por
software o detector por hardware.
El detector que se empleo es por hardware, ya que el objetivo es simular el ECG
analógico, en tiempo real y detectar en ese mismo instante de tiempo el complejo QRS. El
47
QRS Filter Half – wave
rectifier
Threshold
circuit Comparator
ECG
amplifier
Monoestable
TP1 TP2 TP3
TP4 TP5 TP6
detector se basa en el modelo descrito por Willis J. Tompkins en su texto Biomedical
Digital Signal Processing [8], cuyo funcionamiento en diagrama de bloques puede verse en
la figura 3.22.
Figura 3.22.- Diagrama de Bloques del Detector de QRS [8]
3.5.2.- ASPECTOS INICIALES DEL DISEÑO
Antes de la descripción del circuito y del algoritmo de detección resulta conveniente
observar las características de la señal con la que se trabajará. La señal de ECG está
compuesta por los complejos QRS, las ondas P y T, interferencia de la red (50-60 Hz) y
“artefactos de movimientos” debido al movimiento de los electrodos. Para poder lograr una
detección exitosa se debe separar de la señal el complejo QRS. En la figura 3.23 se muestra
el espectro relativo de la señal de ECG, los complejos QRS, ondas P y T y otros ruidos,
basado en un estudio desarrollado por Thakor (1983). [9]
48
Figura 3.23.- Composición espectral de la onda ECG.[8]
De otro estudio desarrollado por Thakor (1984), se puede examinar el espectro de
potencia de la Relación Señal a Ruido (SNR) de los QRS con respecto a todos los demás
ruidos mencionados anteriormente. Thakor muestra que el máximo de la SNR se obtiene
utilizando un filtro pasabanda con frecuencia central de 17Hz y ancho de banda de 6Hz.
.
Figura 3.24.- SNR entre el complejo QRS y los distintos tipos de ruido.[8]
49
La etapa de amplificación no se consideró como parte del detector, sino que forma
parte de la etapa de acondicionamiento, lo cual es externo al detector. En el diagrama de
bloques de la figura 3.22 podemos distinguir lo siguiente: el detector puede ser analizado
por etapas y cada etapa posee puntos de pruebas que nos permiten visualizar la evolución
del ECG hasta el momento de ser detectado el QRS. El detector de QRS consiste en las
siguientes 5 etapas:
3.5.2.1.- Filtro QRS.
El espectro de potencia de una señal de ECG normal tiene una relación de señal a
ruido alrededor de 17 Hz. Es por eso que para detectar el complejo QRS, el ECG es pasado
a través de un filtro pasa banda con una frecuencia de corte de 17 Hz y un ancho de banda
de 6 Hz.
3.5.2.2.- Rectificador de media onda.
Después de filtrar la señal se rectifica la onda para quedarnos solo con la parte
positiva y compararla posteriormente con un valor umbral.
3.5.2.3.- Circuito de Umbral (Threshold circuit).
El voltaje pico de la onda rectificada y filtrada es almacenada en un capacitor. Una
fracción de este voltaje es comparado con la señal filtrada y rectificada.
3.5.2.4.- Comparador.
El pulso del QRS es detectado cuando el voltaje de umbral es excedido. El capacitor
se carga con un nuevo voltaje de umbral después de cada pulso. Por lo tanto, un nuevo
valor de umbral es determinado de la señal después de ser generado cada pulso.
3.5.2.5.- Monoestable.
Un pulso de 200 milisegundos es generado con cada complejo QRS que es
detectado para evitar que sean detectadas las ondas T y se produzcan falsas detecciones.
50
El algoritmo de detección de QRS implementado esta basado en el desarrollado por
Pan y Tompkins. En la figura 3.25 se muestra el diagrama de bloques de dicho algoritmo,
donde se observan los filtros involucrados en el análisis de la señal de ECG.
Figura 3.25.- Diagrama de bloques del algoritmo Pan-Tompkins [8]
El algoritmo de Pan y Tompkins implementa un filtro pasa banda de 2do orden
combinando un filtro pasabajo y un filtro pasaalto, para reducir el ruido junto con las
señales interferentes fuera de la banda de frecuencias en la que se encuentra el QRS. Un
derivador que enfatiza las pendientes de la onda R. Eleva al cuadrado para aumentar aún
más las altas frecuencias que corresponden al complejo QRS. Por último se hace una
estimación de la energía con una ventana móvil del tamaño del QRS más largo sin llegar a
la onda T.
3.5.3.- FILTRO PASABANDA DE SEGUNDO ORDEN
El filtro pasa banda se utiliza en la detección de QRS para filtrar las componentes de
frecuencia que están fuera del rango ocupado por el complejo QRS. El ancho de banda del
filtro se elige como un compromiso entre la reducción de ruido y la pérdida de detalles de
alta frecuencia.
Un ancho de banda fijo es una limitante debido a la gran variabilidad que presentan
los complejos. Del estudio desarrollado por el modelo de Tompkins, se puede examinar el
espectro de potencia de la SNR de los QRS con respecto a todos los ruidos que se generan
51
con el ECG. Tompkins muestra que SNR máximo se obtiene utilizando un filtro pasa
banda con frecuencia de corte igual a 17 Hz y factor de calidad igual a 3.
El circuito de la figura 3.26 muestra el circuito eléctrico que se utilizó para el filtro
pasa banda de segundo orden.
Figura 3.26.- Circuito del Filtro Pasa Banda de Segundo Orden
La onda ECG es filtrada por el pasa banda de forma que actúe como un derivador
amplificando las características de alta frecuencia del complejo QRS, mientras atenúa las
bajas frecuencias de la onda P y de la onda T.
Aplicando los cálculos respectivos, se tiene que la función de transferencia obtenida
para el circuito eléctrico del filtro pasabanda anterior es:
Figura 3.27.- Expresión de la Función de transferencia del filtro pasabanda implementado
( ) ( ) 12331.003177.0001505.01022.202174.00006947.0
2345
23
+⋅+⋅+⋅+⋅×⋅−⋅−
= − sssssssH
52
Por otra parte la gráfica de dicha función de transferencia se muestra en la figura
3.28
Figura 3.28.- Gráfica de la Función de transferencia del filtro pasabanda implementado
En la entrada del filtro debe verse una señal como la de la figura 3.29(a) y la señal
filtrada debería de ser como se muestra en la figura 3.29(b).
(a) (b)
Figura 3.29.- (a) Onda ECG sin filtrar. (b). Onda ECG después del filtro
53
3.5.4 RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
Después de que la señal es filtrada, se procede a pasarla por un circuito rectificador,
de forma que los QRS que sean negativos debido a la derivación que se tome del paciente
sean también detectados. El rectificador eleva al cuadrado la señal del ECG, y lo que se
obtiene en la salida de esta etapa es lo que se muestra en la figura 3.30.
Figura 3.30.- Onda ECG Filtrada y Rectificada
Después de rectificar la señal, se le hace pasar por una ventana de tiempo para
desechar falsas detecciones de QRS, pero eso dependerá del algoritmo de detección que se
implemente. La figura 3.31 muestra el circuito eléctrico que se implementó para rectificar
la onda filtrada de ECG.
Figura 3.31. Circuito Rectificador de Media Onda
54
3.5.5.-CIRCUITO DE UMBRAL (THRESHOLD CIRCUIT)
Este módulo almacena el último valor pico de la última onda del ECG filtrada y
rectificada. El propósito de guardar este valor es llevar un registro del valor máximo del
ECG en todo instante de tiempo, de forma que cada vez que se supere ese umbral se pueda
decir que se ha detectado un complejo QRS. El circuito de la figura 3.32 muestra como fue
que se implementó esta etapa del detector.
La señal del ECG llega al amplificador operacional de OP496 y es comparado con
el valor de voltaje referencia (Vt) que esta en el capacitor Cdet4, si este valor es menor, el
capacitor mantiene su nivel de voltaje, de lo contrario un nuevo valor es almacenado en el
capacitor. Dicho circuito detecta que se ha producido un QRS cuando la señal de ECG
filtrada y rectificada supera el umbral de Vt. El umbral de Vt se fija en el momento en que
se detecta un QRS.
Figura 3.32.- Circuito de Threshold
Este umbral de Vt va decayendo exponencialmente hasta el siguiente QRS que se
detecta. En la figura 3.33 se muestra como evoluciona el umbral hasta detectar un QRS. La
señal de ECG está dibujada para que se reconozcan fácilmente los QRS, pero se debe tener
presente que una vez filtrada y rectificada, el aspecto de la señal no es del típico ECG.
55
Básicamente, el umbral consta de un valor fijo constante mas el valor de pico de la
señal ECG filtrado que se obtiene en un instante posterior a la detección del QRS. Este
tiempo es de 10 milisegundos, es decir que se la da 10 milisegundos para que llegue a su
valor pico.
Cada vez que se detecta un complejo QRS inmediatamente se genera una ventana de
tiempo de 200 milisegundos con el fin de no detectar las posibles ondas T que pudieran
estar presentes luego del filtro y se produzcan falsas detecciones.
Figura 3.33.- Evolución del umbral de Vt hasta la detección un QRS.
3.5.6.- COMPARADOR
Esta es la etapa previa de detección de QRS, aquí se mide el valor de la señal del
ECG y se compara con una fracción del valor que se encuentra almacenado en el circuito de
umbral.
Si el valor de la onda ECG es mayor que el valor que cae sobre la resistencia de 820
Kohm, entonces es muy probable que se haya detectado un complejo QRS. Si por el
contrario, no se supera ese valor, entonces la salida es cero.
56
De acuerdo al modelo que se decidió utilizar para construir el detector de QRS, la
última etapa esta formada por un monoestable, el cual es redisparable y tiene un período de
200ms en el cual espera por cada complejo QRS.
Para este caso se decidió sustituir el monoestable por un microcontrolador de la
familia HC08, específicamente el MC68HLC908QT4 (QT4), el cual aparte de realizar la
última etapa del detector de QRS, es capaz de seleccionar entre 5 rangos de frecuencias y
discriminar entre el ritmo cardíaco del paciente. Además, si detecta que el ritmo cardíaco
esta por encima del tiempo prefijado, manda una señal de disparo de 10 milisegundos que
se usa para rechazar el envío de shock eléctrico de los desfibriladores.
En la figura 3.34 se ilustra el circuito eléctrico del comparador y el
microcontrolador QT4 que calcula los tiempos de los intervalos R-R y discrimina el ritmo
cardíaco según el tiempo preestablecido.
Figura 3.34.- Circuito Comparador
57
3.6.- MICROCONTROLADOR MC68HLC908QT4
El HC68HLC908QT4 (QT4) es un miembro de la familia de controladores de alto
rendimiento con arquitectura de 8 bits. La familia HC08 posee un set de instrucciones
complejo (CISC).
Figura 3.35.- Encapsulado del MC68HLC908QT4
El micro QT4 cuenta con módulos que le permiten realizar funciones de control,
estos módulos pueden apreciarse en la figura 3.36. Una ventaja que posee este
microcontrolador respecto a otros de la misma familia, es que es capaz de trabajar con un
reloj interno, este reloj interno tiene una velocidad máxima de operación de 4MHz.
Figura 3.36.- Módulos internos del MC68HLC908QT4
58
El micro sólo cuenta con un puerto, el cual tiene asignado para sus pines los
distintos recursos que ofrece, como interrupción por teclado, 4 canales de ADC, timer, entre
otros. Los pines disponibles son solo 6, ya que dos de los ochos del QT4 están destinados
para la alimentación y tierra. En la tabla 3.5 puede observarse mejor las características de
este microcontrolador y los recursos que ofrece.
Tabla 3.5.- Características del MC68HLC908QT4
Para el diseño del de la etapa del monoestable correspondiente al detector se decidió
usar el microcontrolador MC68HLC908QT4, ya que nos ofrece las siguientes ventajas:
• Grabar el intervalo de tiempo R-R.
• Indicar visualmente cada vez que se detecta un QRS.
• Mandar una señal de disparo de 10 milisegundos cuando hay una variación en el
ritmo cardiaco que cae fuera del rango establecido.
• Indicar de forma sonora que se ha establecido una señal de disparo hacia un
desfibrilador.
• Ajustar el tiempo para la discriminación ritmo.
• Programar de forma sencilla las rutinas de interrupción.
• No requiere circuito oscilador externo.
• Es de bajo consumo.
59
Además de las ventajas que nos da el microcontrolador, se puede decir que con respecto
a un monoestable nos ofrece lo siguiente:
• Flexibilidad en el diseño.
• Posibilidad de reprogramar las ruinas de interrupción.
• Reduce el volumen del circuito.
3.6.1.-PROGRAMACIÓN DEL MC68HLC908QT4
La programación de este microcontrolador al igual que el utilizado en el reproductor
analógico, es el lenguaje C, por medio del programa CodeWarrior. Este programa que
cuenta con una interfaz para familiarizar al programador con el microcontrolador, es de uso
para toda la familia de los HC08.
Figura 3.37.- Ventana Principal del CodeWarrior para la programación del QT4
60
La figura 3.37 muestra en ambiente principal de programación del micro
MC68HLC908QT4, ahí se pueden distinguir distintas ventanas, está el Target CPU donde
se muestra el modulo del QT4 con los recursos que están siendo utilizados en sus pines. En
la esquina inferior izquierda esta el Bean Selector, donde se van agregando al proyecto los
distintos módulos que ofrece el QT4, los cuales son fácilmente configurables. Arriba del
Bean Selector está el Project Panel, que nos da información de los beans que han sido
cargados al proyecto, permitiendo que se hagan cambios durante la programación así como
cargar los métodos que posee cada bean, los cuales facilitan la programación del QT4. En
el Project panel también se configura el CPU del micro. A la derecha se observa el panel de
programación, que posee los archivos donde se escribe el código del programa fuente.
Figura 3.38.- Módulos de programación disponibles para la programación del QT4
Son tres archivos principales: el archivo events.c, donde se encuentran las rutinas de
los vectores de interrupción. En los casos donde produce una interrupción, el programa
entra al módulo correspondiente del evento y ejecuta el código de dicha rutina. El segundo
es el que posee el nombre del proyecto, ahí es donde se encuentra el código principal y las
61
funciones que debe ejecutar el QT4. El tercero es el de las variables y es un archivo .h,
dentro de él están las variables comunes tanto para el events.c como archivo que lleva el
nombre del proyecto. Además es posible trabajar con más módulos que, los cuales pueden
ir agregándose al proyecto.
Este software permite también “debugear” el programa compilado antes de
programar el microcontrolador. La figura 3.39 muestra como se ejecuta línea por línea el
código del programa en el simulador dando una idea de cómo se comportaría el micro una
vez programado en físico.
Figura 3.39.- Simulador del CodeWarrior.
62
3.7.- DISEÑO DEL CIRCUITO DE DISCRIMINACIÓN DE RITMO
Luego de analizar todos los módulos que conforman el circuito detector de complejo
QRS, podemos ver en un esquema general el dispositivo que realiza la función de medir el
intervalo R-R de la onda del ECG que le manda el reproductor analógico, utilizando un
timer para medir el tiempo entre el QRS anterior y el QRS actual.
Al medir el intervalo R-R con un timer, se comete un error de Tc segundos en cada
intervalo R-R, donde Tc es el período de oscilación del timer.
Figura 3.40.- Cálculo de los tiempos en las Secuencias RR
Utilizando el QT4 se le dió una ventana de 200ms, durante el cual hace caso omiso
a cualquier pulso que venga del detector ya que se supone que es suficiente para dejar pasar
la onda T sin ser detectada como falso QRS. Luego de que pasan 200 ms, se evalúa si el
período de la señal tardó mas tiempo o menos tiempo que el de referencia fijado por el
usuario, de ser menor este tiempo, significa que la frecuencia cardiaca fue mayor y se envía
la señal de disparo hacia el desfibrilador, en caso contrario, de que el tiempo sea mayor no
se realiza ninguna acción y reiniciando la cuenta para comparar la próxima detección.
El tiempo que posee el temporizador es de 1 milisegundo, es decir que cada
milisegundo incrementa un contador que va acumulando el tiempo que tarda en llegar el
próximo QRS.
63
La tabla 3.6 muestra como están distribuidos los recursos del QT4 para controlar los
distintos componentes que forman el sistema discriminación de ritmo. Los recursos del
micro salen a través de los puertos que manejan datos o realizan funciones de control..
Pines del Microcontrolador Asignación Dispositivo que utiliza el recurso
PTA0 PULSO_DESF Conector hacia el desfibrilador PTA1 BUZZER_PULS Señal que activa el Buzzer PTA2 QRS_DET Señal que viene del detector de QRS PTA3 RESET Reset, en sincronía con el IRQ del GP32
PTA4 Potenciómetro TIME_SET Valor analógico que preselecciona el ritmo cardíaco usado por el discriminador
PTA5 QRS_SIG Led indicador de detección de QRS
Tabla 3.6.- Recursos utilizados del MC68HLC908QT4
Este es un sistema basado en componentes analógicos complementado con el uso
del microcontrolador QT4 de arquitectura de 8 bits, para la programación del algoritmo de
detección, con control de indicadores que ayudan a saber el momento en cual ha ocurrido la
detección de la señal de QRS. Finalmente, el sistema detector de QRS comprende los
siguientes componentes:
• Un filtro pasa banda de frecuencia central de 17 Hz, ancho de banda de 6 de Hz y
factor de calidad de 3 para lograr una mayor relación de señal a ruido.
• Un rectificador de media onda para hacer positivos todos los QRS.
• Un circuito de threshold que almacena el valor pico del último QRS detectado.
• Un comparador para establecer el umbral que debe superar la señal para que se le
considere un QRS.
• Un microcontrolador que se encarga por software de desechar las señales que no
son QRS.
64
• Además, es el microcontrolador el que realiza la etapa final de mandar una señal de
disparo hacia un desfibrilador cuando hay un cambio en el ritmo cardíaco. La figura
3.41 muestra el diagrama de bloques del detector de QRS.
Figura 3.41.- Diseño del Detector de QRS y Discriminador Ritmo Cardíaco
65
CAPÍTULO 4 RESULTADOS
En este capítulo, se presenta un resumen de los logros alcanzados durante este
proyecto. La división del capítulo se basa en las diferentes secciones que forman el
proyecto, siguiendo el mismo orden con el que se ejecutó. En general, se presentarán las
evaluaciones de los resultados obtenidos mostrando el producto final así como su
desempeño, y las pruebas que se obtuvieron con los registros de base de datos de MIT-BIH.
4.1.- MÓDULO ECG Player
El desarrollo del proyecto se fue realizando en montajes de circuitos hechos sobre
protoboard. Después de montar el circuito reproductor y detector en el protoboard y de
realizar las pruebas correspondientes a la ejecución, la base de datos que se descarga desde
el PC, se procedió a realizar el diseño de la tarjeta para su posterior fabricación. En primer
lugar se procedió con el diseño del todos los circuitos en forma esquemática, partiendo de
los circuitos correspondientes a las alimentaciones reguladas tanto positivas como
negativas, colocando los respectivos capacitores de bypass en las alimentaciones de cada
dispositivo, así como también la colocación de tierras analógicas y digitales por separado
para evitar la generación de ruido en la tarjeta. El circuito esquemático de todo el módulo
reproductor/detector ECG Player se muestra en la figura 4.1
Posteriormente se diseño el layout del circuito impreso del módulo utilizando para
ello el software Protel DXP 2004, el cual posee herramientas especiales para fabricación de
tarjetas PCB (Printed Circuit Board). El diseño requirió de una tarjeta de doble cara para
poder adaptarla a las dimensiones de la tarjeta de adquisición, tal como se muestran en las
figuras 4.2(a) correspondiente a la cara de superior y 4.2(b) correspondiente a la cara
inferior. Ambas imágenes están impresas en escala real.
66
Title
Number RevisionSize
A4
Date: 14/01/2006 Sheet of File: C:\Documents and Settings\..\ECG Player.SCHDOCDrawn By:
+9V -5V
IN1
2
OUT 3
GND
UA78M05
+5V
D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0
OutA 1
OutB 27
RefOut 3
NC 4
RefIN 6NR 2
-5V 26+5V 25
Clock
LadCom 28
RefCom 5
DCom 15
DAC
AD768AR
Ecg11Ecg10Ecg09Ecg08Ecg07Ecg06Ecg05Ecg04Ecg03Ecg02Ecg01Ecg00
Rd775
Rd624.9
Rd520
2
3
1
74
8
6
5
+V
-VAD797A
-5V
+5V-5V
-5V
+5V
CLKIN1 FILTIN8
CLKR 3
AGND6 LS2
+VCC 7
-VCC 4
FILTO 5
TCL04+5V
-5V
ECG+5V -5V
2
31
OP2A
OP496 6
57
+V4 -V 11
OP2B
OP496
9
108
OP2C
OP496
13
1214
OP2D
OP496
ECG
D1
+5V -5V
D2
D7D6D5D4D3D2D1D0
CEOEWE
NC1
NC34
GND18 A0 14A1 13A2 12A3 11A4 10A5 9A6 8A7 7A8 29A9 28A10 25A11 27A12 6A13 30A14 5A15 33A16 4A17 32A18 3A19 35A20 2+VCC36
SRAM
RST 11
CLK 10
GND 8
Q19 Q27 Q36 Q45 Q53 Q62 Q74 Q813 Q912 Q1014 Q1115 Q121 +VCC 16Count_hi
RST 11
CLK 10
GND 8
Q19 Q27 Q36 Q45 Q53 Q62 Q74 Q813 Q912 Q1014 Q1115 Q121 +VCC 16
Count_lo
MEM_ClockReset_count
Reset_count
+5V
+5V
+5V
Ecg11Ecg10Ecg09Ecg08Ecg07Ecg06Ecg05Ecg04
Plug
+9V PTA7
PTA4PTA3
PTA6PTA5
PTA2
Gnd9
Vcc10
PTA1PTA0
PTB7
PTB4PTB315
PTB6PTB5
PTB2
PTD5PTD4
PTB1PTB0
PTC2 32
PTC3 31
PTC4 30
TxD 29
RxD 28
IRQ 27
PTD0 26
PTD1 25
PTD2 24
PTD3 23
Gnd 22
Vcc 21
Vcc 40
Gnd 39
38 38
37 37
36 36
Reset 35
PTC0 34
PTC1 33
HC08GP32Ecg11Ecg10Ecg09Ecg08Ecg07Ecg06Ecg05Ecg04
Ecg03Ecg02Ecg01Ecg00
LCD_Data0LCD_Data1LCD_Data2LCD_Data3
+5V
Sate_selectTxD
RxD
LCD_RSLCD_RWLCD_EDac_Clock
GND+5V
ContRSR/WED0D1D2D3D4D5D6D7Led+Led-
LCD_Header
+5V
LCD_Data0LCD_Data1LCD_Data2LCD_Data3
LCD_RSLCD_RWLCD_E
+5V
+5V
Dac_Clock
MEM_ClockReset_count
+5V
MEM_CEMEM_WEMEM_OE
MEM_CE
MEM_WEMEM_OE
Vss
AD0/KBI0AD1/KBI1
IRQ/KBI2
RST/KBI3AD2/KBI4
AD3/KBI5Vcc HC08-QT4
Q2
Q1
+
Buzzer
+5V
QRS_Sig
Buzzer_Sig
+5V
Tim
e_Se
t
Time_Set
Inv1A Inv1B
+5V
QRS_Det
QRS_Det
QRS_Sig
Buzzer_Sig
Inv1C Inv1D
Sw1
ON/ OFF
Pulso_Desf
TxD
Pul s_Sta teSa te_select
+5V
GN
DA
GN
D
Ti erras
ECG
Pulso_Desf
2
3
1
74
8
6
5
+V
-VAD797B
-5V
+5V
Ca10.47uF
Ca40.47uF
Ca210uF
Ca30.1uF
Ca510uF
Ca60.1uF
Cam11uF
Cam21uF
Cc10.1uF
Cc20.1uF
Cd10.1uF
Cd210uF
Cd310uF
Cd40.1uFCd5
10uF
Cd61uF
Cd71uF
Cd81uF
Cf10.1uF
Cf20.1uF
Cf31.5uF
Cf50.1uF
Cf41.5uF
Cdet10.47uF
Cdet20.47uF
Cdet30.47uF
Cdet41uFCdet6
1uFCdet51uF
Ci11uF
Cl11uF
Cm10.1uF
Cm210uF
Contrst10K
Cu10.1uF
Cu21.5uF
Cu310uF
Pot_a1
Pot_Buz
Ra1 10K
RBuz31K
Rd1
1K
Rd2
1K Rd31K
Rd41K
Rdet162K
Rdet2
120K
Rdet4820K
Rdet3
820K
Rdet5100K
Rdet6100K
Rdet7
1K
Rdet9820K
Rf11K
RLed_ON100
Rq11K
Rq2100
R_Sel
1K
GND1 CNTL 5
OUT 3THR6
TRIG2
+VCC 8
RST 4DISC7
TL555C
RBuz2 1K
RBuz11K
+5V
CBuz10.1uF
CBuz20.1uF
Buzzer_Puls
Buzzer_Puls
RSTQT4
GND3
D+ 4D- 5
VDD6 REGIN7
VBUS 8
/RST9
NC 10
/SUSPEND11
SUSPEND12
RI2
DCD1
NC 15
NC 16
NC 17
NC 18
NC 19
NC 20
NC 21
NC 22
CTS23 RTS24
RXD25
TXD26
NC 13
NC 14
DSR27 DTR28
CP2101
+51
D-2
D+3
NC4
GND5
Mini_USB
RSTQT4
1
2
Ecg_sig
1
2
Desfibril ado
IN13
OUT 2
GND
PT78NR105S
Cd90.1uF
DA
RxD
+5V
Pot_TimeSet
VBUS
VBUSCusb_11uF
Cusb_20.1uF
Figura 4.1.- Esquemático del Módulo Reproductor / Detector ECG Player
67
(a)
(b)
Figura 4.2.- Circuito impreso ECG Player, (a) Cara Superior, (b) Cara Inferior
Una característica de este diseño es que por la cara de arriba están solo los
componentes que comprenden el sistema reproductor analógico, mientras que por la cara
de abajo están solo los componentes que comprenden el detector de QRS.
68
El diseño en el software de Protel DXP 2004 esta hecho con el propósito de utilizar
componentes superficiales en casi toda su totalidad, con la excepción de la memoria RAM
cuyo encapsulado no es superficial, además de algunos jumpers. Otra característica del
diseño de la tarjeta es que tiene bien definidas las áreas digitales, analógicas, así como las
tierras y las áreas de alimentación.
4.2.- EQUIPO ECG PORTÁTIL
Con los layout hechos en Protel se decidió mandar a hacer la tarjeta con la empresa
Monte Vitare, para luego soldar los componentes que conforman la tarjeta del reproductor
analógico y detector de eventos con discriminador de ritmo cardíaco, los acabados finales
de la tarjeta sin componentes se muestran a continuación en las figuras 4.3 y 4.4
Figura 4.3.- Acabado final del PCB ECG Player, sin componentes (Cara Superior)
69
Figura 4.4.- Acabado final del PCB ECG Player, sin componentes, (Cara inferior)
Figura 4.5.- Acabado final del PCB ECG Player con sus componentes, (Cara Superior)
70
Figura 4.6.- Acabado final del PCB ECG Player con sus componentes, (Cara Inferior)
Después de finalizar la elaboración de la tarjeta, se procedió a acoplarla con la
tarjeta de adquisición que facilitó el GBBA, para luego incorporarla a una caja y tener el
producto terminado. Las figuras 4.7 y 4.8 muestran el prototipo del sistema reproductor y
detector de eventos con discriminador de ritmo cardíaco.
Figura 4.7.- Prototipo del Módulo ECG Player acoplado a la Tarjeta de adquisición
71
Figura 4.8.- Cable de alimentación y cable USB acoplados al Módulo ECG Player
4.2.1- OPERACIÓN DEL EQUIPO PORTÁTIL
Después de que el equipo ECG portátil recibe la data del registro que sea mandado
desde el PC, esta se encuentra almacenada en la memoria RAM, por lo que no importa que
se desconecte la comunicación, el equipo puede ya reproducir dos canales de una onda
ECG.
Al encender el equipo, lo primero que hace es verificar si la memoria esta vacía, de
ser así, pide de forma inmediata la transmisión de un registro desde el software en
LabVIEW, si por el contrario encuentra que la memoria tiene ya almacenada un registro,
pasa a estar en modo detenido y mostrando la información del paciente a la cual pertenece
la data.
En todo momento el LCD muestra en pantalla esta información, y el usuario puede
seleccionar si desea transmitir un nuevo registro desde el PC por medio de un pulsador, o si
desea empezar a reproducir el registro existente.
72
Otro pulsador es el que permite empezar a reproducir el canal 1 del ECG
almacenado, si se vuelve a presionar el botón, se cambia al canal 2 desde el comienzo del
ECG, y se presiona una vez más, se vuelve al modo detenido.
Antes de visualizar cualquiera de los dos canales, se debe seleccionar con un
potenciómetro el ritmo cardíaco que se desea discriminar en el detector de eventos, de
modo que si el tiempo es menor, se manda la señal de disparo hacia el desfibrilador, pero si
el tiempo R-R es mayor, no se toma ninguna acción.
La pantalla LCD muestra en la primera línea el número de registro que se encuentra
en la memoria RAM, seguido del modo de operación, ya sea detenido, derivación del canal
1 o derivación del canal 2. En la segunda línea se muestra el sexo del paciente y su edad,
seguido del ritmo cardíaco preestablecido como umbral para la discriminación., esto se
ilustra en la figura 4.9. Por otra parte es necesario mencionar que el consumo en corriente
del equipo es bajo ya que consume un máximo de 380mA, sin embargo el consumo puede
ser menor al deshabilitar la luz de fondo de la pantalla LCD la cual tiene un consumo de
100mA. Los datos técnicos se especifican el la tabla 4.1.
Tabla 4.1. Especificaciones Técnicas del Módulo ECG Player
Características de Operación Valor Nominal
Alimentación de Entrada 7 - 12 VDC
Alimentación Regulada 5 VDC
Consumo de Corriente máxima 380 mA
Modo en Espera Si
73
Los componentes utilizados para la fabricación de la tarjeta ECG Player se
describen en la tabla 4.2
Descripción Parte Componente
Schmit Trigger Inverter 74LS14 Schmit Trigger Inverter
Timer 555 555 TL555C
Non Volatile SRAM 2048Kx8 2048 Kbytes SRAM BQ4017MC-70
Regulador +5V superficial 7805 Regulador +5V
16 Bits Fast Digital-Analog Converter AD768AR AD768AR
Opamp AD797 Opamp
Trimer 50K Amplif
Micro_Switch BackLight MicroSwitch
Buzzer Buzzer Buzzer
Capacitor cerámico 0.47uF Ca1,Ca4, Cdet1, Cdet2, Cdet3 0.47uF
Capacitor Tántalo 10uF Ca2, Ca5, Cd2, Cd3, Cd5, Cm2, Cu3 10uF
Capacitor cerámico 0.1uF Ca3, Ca6, CBuz1, CBuz2, Cc1, Cc2, Cd1, Cd4, Cd9, Cf1, Cf2, Cf5, Cm1, Cu1, Cusb_2
0.1uF
Capacitor cerámico 1uF Cam1, Cam2, Cd6, Cd7, Cd8, Cdet4, Cdet5, Cdet6, Ci1, Cl2, Cusb_1
1uF
Capacitor Tántalo 1.5uF Cf3, Cf4, Cu2 1.5uF
Header, 16-Pin Conector LCD LCD
Trimer 10K Contrst 10K
12-Bit Counter Counter_hi, Couter_low MM74HC4040
Conversor USB-Serial CP2101 Chip USB/Serial
Diodo Rectificador Standard D1, D2 Diodo
Diodo de protección DA Diodo_Alim
Conector SMA Desfibrilador, Ecg_sig Conector SMA
Mini Conector USB Mini_USB Mini_USB_5Pin
Led Superficial Rojo ON/OFF Led Superficial
Low Power Opamp OP496 OP496
Trimer 1K Pot_Buz
Regulador inversor -9V PT78NR105S PT78NR105S
Transistor NPN 2N3904 Q1, Q2 2N3904
Led Superficial Verde QRS Led Superficial
HC08-QT4 QT4 Microcontroller HC08QT4
Resistencia sup 0805 Ra1 10K
Resistencia sup 0805 RBuz1, RBuz2, RBuz3, Rd1, Rd2, Rd3, Rd4, Rdet7, Rf1, Rq1, R_Sel 1K
74
Resistencia 1/8W Rd5 20
Resistencia 1/8W Rd6 24.9
Resistencia 1/8W Rd7 75
Resistencia sup 0805 Rdet1 62K
Resistencia sup 0805 Rdet2 120K
Resistencia sup 1206 Rdet3, Rdet4, Rdet9 820K
Resistencia sup 0805 Rdet5, Rdet6 100K
Resistencia sup 0805 RLed, Rq2 100
Pulsador sencillo State Pulsador
2-Conductor Jack Supply Conector de Alim
Conector 40 Pins Tarjeta de Adquisición HC08GP32 HC08GP32
Butterworth 4th Order lowpass filter TCL04 Filtro
Header, 2-Pin TIERRAS Jumper Tierras
Trimer 10K TIME_SET
Tabla 4.2. Lista de componentes utilizados para la construcción del prototipo
75
4.3.- REPRODUCTOR Y DETECTOR EN EL OSCILOSCOPIO
En la figura 4.9 puede observarse la reproducción en el osciloscopio del registro 100
de la base de datos que corresponde a un paciente de sexo masculino de 69 años de edad,
cuyo ECG fue tomado a partir de las derivaciones V1 correspondiente al canal 1, y MLII
correspondiente al canal II. Por otra parte se puede observar un tren de pulsos asociado a la
detección de cada complejo QRS, (en este caso el canal 1). En la figura 4.10 se observa la
información de lo que se está reproduciendo, como lo es el número del registro, la el canal,
el sexo, la edad y el período que se establece como umbral para la señal del ECG.
Figura 4.9.- Reproducción del Registro 100 en el osciloscopio
Figura 4.10.- Información del Registro 100 en el LCD, reproduciendo el canal 1
76
4.4.- EVALUACIÓN DEL DETECTOR DE QRS
El sistema de detección de QRS fue probado reproduciendo 10 registros distintos
(solo el canal 1) de ECG con el propósito de cuantificar el porcentaje de aciertos en la
detección de los QRS a lo largo de cada registro, es decir, aproximadamente 30 minutos de
reproducción, ya que cada registro contiene 650.000 muestras por cada canal. Los
resultados obtenidos fueron comparados con los proporcionados en las anotaciones de la
base de datos del MIT-BIH, de forma que se pudo evaluar que tan confiable es el detector
de QRS. Además de ello se contó el número de intervalos de tiempo R-R menores de los
tiempos preseleccionados para la discriminación de ritmo, para estas pruebas los tiempos
fueron de 300ms y 400ms
Registro: 100 Paciente: Masculino. 69 años de edad Canal 1: V5 Canal 2: MLII QRS detectados: 2.274 (según anotaciones en la base de datos)
Ritmo Cardíaco Preseleccionado 300ms 400ms
Número de QRS detectados 2.241 2.241
Número de intervalos R-R menores del ritmo cardíaco seleccionado
158 889
PORCENTAJE DE ACIERTOS 98,54%
Tabla 4.3. Porcentaje de aciertos en el registro 100
77
Registro: 101 Paciente: Femenino. 75 años de edad Canal 1: MLII Canal 2: V1 QRS detectados: 1.874 (según anotaciones en la base de datos)
Ritmo Cardíaco Preseleccionado 300ms 400ms
Número de QRS detectados 1.859 1.859
6 776
PORCENTAJE DE ACIERTOS 99,19%
Tabla 4.4. Porcentaje de aciertos en el registro 101
Registro: 102 Paciente: Femenino. 84 años de edad Canal 1: V5 Canal 2: V2 QRS detectados: 2.192 (según anotaciones en la base de datos)
Ritmo Cardíaco Preseleccionado 300ms 400ms
Número de QRS detectados 2.187 2.187
Número de intervalos R-R menores del ritmo cardíaco seleccionado
5 1.402
PORCENTAJE DE ACIERTOS 99,77%
Tabla 4.5. Porcentaje de aciertos en el registro 102
78
Registro: 103 Paciente: Masculino. Edad no registrada Canal 1: MLII Canal 2: V2 QRS detectados: 2.091 (según anotaciones en la base de datos)
Ritmo Cardíaco Preseleccionado 300ms 400ms
Número de QRS detectados 1.875 1.875
Número de intervalos R-R menores del ritmo cardíaco seleccionado
78 705
PORCENTAJE DE ACIERTOS 89,67%
Tabla 4.6. Porcentaje de aciertos en el registro 103
Registro: 104 Paciente: Femenino. 66 años de edad Canal 1: V5 Canal 2: V2 QRS detectados: 2.311 (según anotaciones en la base de datos)
Ritmo Cardíaco Preseleccionado 300ms 400ms
Número de QRS detectados 2.296 2.296
Número de intervalos R-R menores del ritmo cardíaco seleccionado
7 1.232
PORCENTAJE DE ACIERTOS 99,35%
Tabla 4.7. Porcentaje de aciertos en el registro 104
79
Registro: 111 Paciente: Femenino. 47 años de edad Canal 1: MLII Canal 2: V1 QRS detectados: 2.133 (según anotaciones en la base de datos)
Ritmo Cardíaco Preseleccionado 300ms 400ms
Número de QRS detectados 2.036 2.036
Número de intervalos R-R menores del ritmo cardíaco seleccionado
456 1.077
PORCENTAJE DE ACIERTOS 95,45%
Tabla 4.8. Porcentaje de aciertos en el registro 111
Registro: 116 Paciente: Masculino. 68 años de edad Canal 1: MLII Canal 2: V1 QRS detectados: 2.421 (según anotaciones en la base de datos)
Ritmo Cardíaco Preseleccionado 300ms 400ms
Número de QRS detectados 2.326 2.326
Número de intervalos R-R menores del ritmo cardíaco seleccionado
0 0
PORCENTAJE DE ACIERTOS 96,07%
Tabla 4.9. Porcentaje de aciertos en el registro 116
80
Registro: 121 Paciente: Femenino. 83 años de edad Canal 1: MLII Canal 2: V1 QRS detectados: 1.876 (según anotaciones en la base de datos)
Ritmo Cardíaco Preseleccionado 300ms 400ms
Número de QRS detectados 1.842 1.842
Número de intervalos R-R menores del ritmo cardíaco seleccionado
0 213
PORCENTAJE DE ACIERTOS 98,18%
Tabla 4.10. Porcentaje de aciertos en el registro 121
Registro: 122 Paciente: Masculino. 51 años de edad Canal 1: MLII Canal 2: V1 QRS detectados: 2.479 (según anotaciones en la base de datos)
Ritmo Cardíaco Preseleccionado 300ms 400ms
Número de QRS detectados 2.474 2.474
Número de intervalos R-R menores del ritmo cardíaco seleccionado
8 2.451
PORCENTAJE DE ACIERTOS 99,79%
Tabla 4.11. Porcentaje de aciertos en el registro 122
81
Registro: 200 Paciente: Masculino. 64 años de edad Canal 1: MLII Canal 2: V1 QRS detectados: 2.792 (según anotaciones en la base de datos)
Ritmo Cardíaco Preseleccionado 300ms 400ms
Número de QRS detectados 2.754 2.754
Número de intervalos R-R menores del ritmo cardíaco seleccionado
0 384
PORCENTAJE DE ACIERTOS 98,63%
Tabla 4.12. Porcentaje de aciertos en el registro 200
4.5.- SOFTWARE ECG Player EN LabView 7.1
El software ha sido desarrollado para manejar cualquier registro de la base de datos
del MIT-BIH. Éste posee herramientas que permiten analizar la onda del ECG desde el
computador, permite además conocer la información básica del paciente. Solo maneja el
formato 212.
El tiempo que tarda en descargarse un registro en la memoria RAM depende del
tamaño de dicho registro y de la velocidad a la que se configure la transmisión. En nuestro
caso, se utiliza una tasa de transmisión de 155.200 bps y registros de 1.950.000 bytes, dicho
tiempo es de 2,82 minutos, es decir 2 minutos con 50 segundos aproximadamente es lo que
se toma el software ECG Player en transmitir un registro completo a la memoria RAM del
módulo reproductor. En la figura 3.4 del capítulo anterior se ilustra la ventana del software
82
para confirmar el puerto de transmisión, es de hacer notar que los tiempos de transmisión
son similares para cualquiera de los dos puertos.
El monitor del reproductor en LabView permite visualizar en la misma ventana las
dos derivaciones correspondientes a los dos canales del ECG. Cada registro tarda un
determinado tiempo en aparecer en la ventana con sus dos canales, ya que primero se
realiza una conversión del formato 212 para poder obtener la data de cada canal, en la
figura 4.11 se muestra como se reproduce en el software de LabView los dos canales del
registro 102 una vez que los datos ya han sido convertidos.
Figura 4.11. Ilustración de la reproducción en software del registro 102.
Después que el programa muestra los dos canales, se puede hacer un análisis con las
herramientas que proporciona el LabVIEW. Estas herramientas permiten realizar las
siguientes funciones sobre la onda del ECG.
• Desplazarse por el registro completo con el uso del scrollbar.
• Visualizar los 30 minutos de señal en una sola imagen.
• Trasladar la ventana de forma que se vea un solo canal.
• Realizar acercamientos (zoom) para observaciones detalladas del ECG
CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se desarrolló un prototipo de un sistema reproductor ECG analógico con
discriminador de ritmo cardíaco, basado en una tarjeta de adquisición con el
microcontrolador HC08. El dispositivo es compatible con las computadoras que trabajan
con el puerto serial y con aquellas que lo hacen con el puerto USB, y tiene capacidad de
almacenamiento de un registro completo en una memoria RAM no volátil. En lo referente al
detector de eventos, se realizó un prototipo analógico al cual se le añadió en su última etapa
un pequeño microcontrolador MC68HC908QT4. En este proyecto se logró el propósito de
reproducir registros de una base de datos digital de señales de electrocardiografía, y
también la implementación de discriminación del ritmo cardíaco del ECG en observación.
A partir de los resultados obtenidos se presentan conclusiones y posteriormente se
sugieren recomendaciones relacionadas con el proyecto, para sus posibles mejoras del
mismo.
5.1.- CONCLUSIONES
5.1.1.- Reproductor de ECG:
• La versión final del reproductor analógico, reproduce señales que están en
formato 212.
• A la tarjeta de adquisición se le añadió una memoria RAM no volátil, una
pantalla LCD y un DAC de 16 bits de resolución.
• La transmisión de la data por el puerto USB, se realiza de forma sencilla
utilizando un puerto virtual COM, el cual se instala en el PC con el driver del
módulo USB – SERIAL.
• El microcontrolador puede ser programado con el BOOTLOADER estando en la
misma tarjeta, no hay necesidad de que sea removido permitiendo que se le
hagan mejoras al firmware.
84
• Mediante la pantalla LCD y el botón de play/stop, el usuario puede escoger
entre los dos canales posibles que se van a reproducir, si desea que se trasmita
un nuevo registro o si prefiere tener el dispositivo en stand by.
5.1.2.- Detector de QRS
• El circuito analógico empleado, detecta el intervalo de tiempo RR de la señal del
electrocardiograma que sale del reproductor.
• El microcontrolador HC908QT4 utilizado en la etapa final del detector,
funciona además para discriminar el ritmo cardiaco.
• El detector manda una señal de amplitud 5 voltios durante 10 milisegundos
cuando el ritmo cardiaco es preestablecido es mayor que el intervalo de tiempo
R-R determinado.
• Un sonido emitido por un buzzer sirve de indicador para saber el momento en el
cual se disparo el pulso de 10ms, igualmente el detector posee un indicador
visual que se enciende cada vez que se detecta un complejo QRS.
5.1.3.- Software en LabView 7.1
• El programa en LabView permite abrir la carpeta donde se encuentra guardada
la base de datos del MIT-BIH.
• Luego de elegir el registro específico, se manda a reproducir, y es posible
apreciar los dos canales de la onda del ECG de ese paciente en particular.
• Las herramientas del LabView permiten hacer un estudio de cada canal una vez
reproducido, como observar con detalle un intervalo en particular, ver la onda
completa o hacer un zoom a un trozo del ECG que se desee apreciar mejor.
• Después de reproducir los dos canales, se configura la velocidad de transmisión
y el puerto COM por el cual se envía el ECG hacia el equipo reproductor.
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5.2.- RECOMENDACIONES
El Módulo ECG Player es un dispositivo de pruebas para reproducir señales de
onda ECG con dos canales, de pacientes que tienen frecuencias cardiacas irregulares. La
detección de QRS y el disparo de la señal hacia el desfibrilador ocurren en tiempo real,
mientras se reproduce la onda ECG.
Para lograr un sistema que tenga posibilidades de ser comercial, se tienen las
siguientes recomendaciones:
• Dadas las limitaciones del la familia de microcontroladores HC08 debido a su
arquitectura de 8 bits, sería de gran utilidad reemplazarlo por un microcontrolador
más potente de mayores recursos, como un HC12, que tenga mas memoria RAM,
mas módulos periféricos y mas puertos.
• Sustituir la memoria RAM paralela por una del tipo SD, de forma que siga siendo
no volátil pero con la opción de darle portabilidad a la información almacenada.
• Añadirle el manejo de otros formatos estándar aparte del 212, como por ejemplo el
de 16 bits que también puede descargarse de la página del MIT
• Agregarle al equipo un sistema de alimentación de respaldo, para que cuente con
autonomía en los casos en que se corte la alimentación principal.
• Llevar los filtros analógicos y las etapas del detector de QRS a implementaciones
con algoritmos digitales, de forma que se economice en componentes y costo,
siempre y cuando se cuente con un microcontrolador capaz de hacerlo en tiempo
real.
REFERENCIAS
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[2] http://www.svnp.es/Documen/ecg.pdf
[3] http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/ency/article/000184.htm
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Wisconsin, 1993.
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[13] Anónimo, Motorola Semiconductors : http://www.freescale.com.
[14] Anónimo, Texas Instruments: http://www.ti.com.
[15] Anónimo, Maxim Integrated Products, Inc.: http://www.maxim-ic.com.
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Vol 61, pags. 379 – 383, 1981.
[17] [Shin et al., 1989] S.J. Shin, W.N. Tapp, S.S Reisman & B.H Natelson, “Assessment
of automatic regulation of heart rate variability by the metod of complex
demodulation”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol BME – 36, pags
274 – 283, 1989.
[18] [Womack, 1971] B.F. Womack, “The analysis of respiratory sinus arrhythmia
using spectral analysis and digital filtering”, IEEE Transactions on Biomedical
Engineering vol. 18, pags 399 – 409, 1971.
[19] Cruz, J.,”Sistema de Monitoreo de signos vitales basado en Embedded Internet”,
Trabajo de grado, Universidad Simón Bolívar, 2001.
[20] Lucani, D., Cataldo, G., “Sistema Electrocardiográfico Inalámbrico”, Trabajo de
grado, Universidad Simón Bolívar, 2004