ELECTROCARDIOGRAFO CONTROLADO A TRAVES DE LA RED PUBLICA DE TELEFONIA INALAMBRICA

Debido a la vida agitada que llevamos hoy en día y la mala alimentación, los casos de paro cardíaco (infarto) son cada vez mayores. Sobre todo en las grandes ciudades. Motivo por el cual el propósito de dicho artículo es bosquejar la solución a este gran problema. Haciendo uso de la tecnología que se dispone en la actualidad y que se encuentra al alcance de la agente en general. Gracias a la existencia de la electrónica digital y a los microcontroladores PIC (16F87X) se puede desarrollar un prototipo que muestre y adquiera la información en forma segura, sin problema alguno en la retransmisión de ésta hacia algún punto en específico, haciendo uso de la comunicación Wi-Fi (802.11b) y comparando la información retransmitida con una base de datos.

INTRODUCCION

La vida agitada de las grandes ciudades, la mala alimentación, y el estrés son la causa principal de los infartos, afección susceptible a cualquier persona adulta, sobre todo, con exceso de peso. La mayoría de las personas, cuando enfrentan este problema y no lo pueden llevar a un buen fin, su cuerpo se ve afectado por las constantes alteraciones que se producen como respuesta a los estímulos ambientales o factores estresantes. Los primeros síntomas que generalmente se presentan son: dolor en el brazo izquierdo, adormecimiento de alguno de los brazos, y dolor directamente en el pecho, justo en el corazón. Esto último inminentemente da como resultado un ataque cardíaco.

Finalmente está demostrado que una persona con un ritmo de vida más tranquilo, con una rutina constante de ejercicio físico y una buena dieta, tiene menos probabilidades de sufrir un infarto.

 
II OPERACION DEL ELECTROCARDIOGRAFO

El Electrocardiógrafo es un dispositivo que permite el registro del voltaje y la dirección de la actividad eléctrica durante la despolarización y la repolarización de las células del músculo cardíaco. Estas son representadas gráficamente por un Electrocardiograma (ECG), respecto al tiempo. Normalmente, la activación eléctrica de las células o “despolarización” estimula la contracción del miocardio. La “repolarización” o restauración del potencial eléctrico de las células se produce hacia el final de la contracción cardíaca.

Mediante electrodos fijados a la piel del paciente, sirven como las terminales positiva y negativa de un sistema de derivación usado para medir la actividad eléctrica durante todo el ciclo cardíaco. Una onda eléctrica que se desplace hacia el electrodo positivo se registrará como una deflexión positiva en el ECG, mientras que una onda eléctrica que se desplace alejándose del electrodo se registrará como una deflexión negativa.

El ECG es un recurso importante para el diagnóstico de arritmias cardíacas, en la valoración de la respuesta a tratamiento y en proporcionar información relativa a algunos procesos fisiológicos y/o patológicos que afectan al corazón.

El corazón podría considerarse como una bomba electromecánica; es decir, un sistema que genera en forma automática el impulso cardíaco y lo transmite a todas las células de trabajo, denominadas miocitos, y éstas, con su contracción o acortamiento impulsan la sangre para que se distribuya por todo el organismo.

 
TEORIA DEL DIPOLO

La actividad eléctrica del corazón se realiza en tal forma que las ondas que recorren el músculo cardíaco positivizan las regiones hacia las cuales se acercan y van negativizando las zonas de las cuales se alejan. Esto equivale a decir que la onda de activación se puede representar como un dipolo:

Tal es el concepto que se aplica tanto a una célula aislada como al corazón. Cuando una célula se encuentra en reposo tiene cargas negativas en su interior y cargas positivas sobre la membrana que la cubre.

Un electrodo que registrara los fenómenos eléctricos en uno de los extremos del exterior de una célula en reposo, daría como gráfica una línea horizontal. Si esta célula fuese activada, por medio de un estímulo, habría que representar la onda de activación como un dipolo con su polo positivo en la parte anterior (sentido en el que se aloja el dipolo). El electrodo recogería los efectos del dipolo de activación y daría lugar a una gráfica de dirección hacia arriba (positiva) que va aumentando en altura o voltaje conforme el dipolo se acerca al electrodo. El vértice de este trazo coincidirá con la llegada de la onda de activación al extremo de la célula, es decir, al electrodo. El descenso del trazo correspondería a la disminución rápida de los efectos del dipolo de activación sobre el electrodo.

La célula que dejó su estado de reposo, lo recupera gracias a la onda de recuperación, que se produce con el dipolo de recuperación. Este dipolo viaja en el mismo sentido sólo que con su polo negativo por delante. La recuperación es más lenta, por lo que el trazo es de morfología distinta y de inscripción más lenta. Tiene dirección inversa a la del trazo de activación. El proceso de repolarización y despolarización se muestra en la Figura 1.

 
III ENFERMEDADES DEL CORAZON
  • Hipertrofia ventricular derecha
  • Hipertrofia ventricular izquierda
  • Bloqueos de rama
  • Bloqueo de rama derecha
  • Bloqueo de rama izquierda
  • Cardiopatía isquémica
  • Isquemia subendocárdica
  • Isquemia subepicárdica
  • Infarto subendocárdico
  • Infarto transmural
  • Arritmias cardíacas
  • Clasificación de arritmias
    1. Hiperactivas
    2. Extrasístoles
    3. Parasístoles
    4. Taquicardias
    5. Flutteres
    6. Fibrilaciones
    7. Hipoactivas
    8. Impulsos y ritmos de escape
    9. Bradicardia sinusal
    10. Bloqueos

El estudio de un enfermo y de su enfermedad, tiene como una de sus metas, conocer el grado en el que el paciente se encuentra alejado de la normalidad en sus funciones físicas; mientras más enfermo se encuentre, más lejos de la normalidad se halla.

Cuando el corazón deja de funcionar correctamente, la consecuencia para el individuo enfermo es la disminución de su capacidad de realizar esfuerzos físicos y la aparición de numerosos síntomas directamente derivados de esta incapacidad, atribuibles a que el corazón ha perdido en mayor o menor grado su energía vital, con las consecuencias que lo anterior tiene en todo el organismo, y en particular, en ciertos sistemas o en ciertos órganos.

 
IV ADQUISICION DE LAS SEÑALES ELECTRICAS
Con la ayuda de un ECG se realizan las muestras de las señales eléctricas que emite el corazón tal como lo muestra la figura 2.

El electrocardiógrafo consta de un galvanómetro, un sistema de amplificación y otro de registro.

Las contracciones rítmicas del corazón están controladas por una serie ordenada de descargas eléctricas que se originan en el nodo sinusal de la aurícula derecha y se propagan a los ventrículos a través del nodo aurículoventricular y del haz de His (un haz de fibras neuromusculares). Mediante electrodos aplicados en varias regiones del cuerpo se puede obtener, tras amplificarlas, un registro de estas descargas eléctricas (transmitidas por los tejidos corporales desde el corazón hasta la piel). Este registro se llama electrocardiograma (ECG). La aguja del galvanómetro sólo se desplaza hacia arriba o hacia abajo. Cuando la corriente eléctrica que está registrando un electrodo va en la dirección del mismo, lo que se registra en el electrocardiograma es una onda positiva, es decir un desplazamiento de la aguja del galvanómetro hacia arriba; por el contrario, si lo que está registrando el electrodo es una corriente eléctrica que se aleja de él, lo que se obtendrá en el registro es una onda negativa, por el trazado que origina la aguja del galvanómetro al desplazarse hacia abajo.

Las principales partes de un ECG son: la onda P, una onda más o menos sinusoidal que refleja la descarga eléctrica que se origina y propaga por las aurículas; el complejo QRS, que muestra el paso de la onda eléctrica a los ventrículos y la activación de éstos; y la onda T, señal de la repolarización de los ventrículos. El electrocardiograma es extremadamente útil para el diagnóstico y control de las arritmias cardíacas, de la angina de pecho y del infarto agudo de miocardio.

 
ELECTROCARDIOGRAFO DIGITAL
Haciendo uso de electrodos cuyo calibre de su cable debe ser pequeño, para evitar caídas de potencial y la pérdida considerable de la misma.

Las características del cable deben ser las siguientes:

  1. Coaxil
  2. Un solo canal
  3. Calibre 24
  4. 1.5m de longitud.
EL ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL
Como las señales a medir están alrededor de 1mV, existen otros potenciales más grandes, generados por diversos factores, como son: el ruido ambiental, movimiento de paciente y efectos de capacitancias parásitas, por mencionar algunos. Estos disturbios generalmente son más grandes en magnitud que las señales en cuestión, por lo tanto, se diseñó el siguiente acondicionamiento de señal.
 
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION
Debido a la existencia de ruido considerable, se emplea el amplificador de instrumentación cuyas entradas en modo diferencial permiten que una señal débil se capte “extrayéndola” de una señal de ruido más intensa.
 
DISEÑO DEL CIRCUITO
Como las señales a sensar son de una amplitud muy pequeña (milivolts), la ganancia de la etapa de acondicionamiento de señal debe ser grande, sin embargo, el amplificador de instrumentación debe tener una ganancia pequeña debido a que su función es rescatar la señal del ambiente. Posteriormente, esta señal se amplifica nuevamente después de un proceso de filtrado.

La ganancia propuesta del amplificador de instrumentación es de 20, en las hojas de especificaciones del encapsulado se establece una ecuación para la ganancia del mismo y está dada por:

G= (49.4kW/RG) + 1

La resistencia RG para una ganancia de 20 tiene un valor de:

RG = 49.4kW/(20-1)= 2.6kW

La configuración del circuito es la que se muestra en la figura 3.

 
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION
Posteriormente se hizo uso de un filtro Pasa Bajas (Sallen) debido a ruido por altas frecuencias por causa de las fuentes de alimentación. Este filtro tiene la característica de respuesta plana en su banda de paso, lo cual es muy conveniente para la clase de señal que se está midiendo. Los valores obtenidos para el filtro son los siguientes: Se establece una frecuencia de corte de 15Hz, ya que la frecuencia que se espera medir es no mayor a 3Hz (ya incluidos los casos de taquicardia y bradicardia). La configuración del filtro Pasa Bajas (Sallen) se presenta en la figura 4.
 
FILTRO PASA BAJAS
Luego como se observa en la figura del Amplificador de Instrumentación, hay un amplificador operacional a la salida del filtro, este tiene una ganancia adicional de 50 y es de tipo no inversor, por su alta impedancia de entrada (tip FET) esta configuración ayuda a evitar que la señal obtenida se debilite, la ecuación de entrada-salida de este amplificador es:

Av= (1 + Rf / Ri )

Si el valor de la resistencia de retroalimentación (Rf) es de 100kW, la resistencia de la entrada no inversora se calculó de la siguiente manera:

Ri = Rf /( Av-1) = 100k / (50-1)=2.04kW

Finalmente se presentó un voltaje de cd en las entradas del amplificador de instrumentación, esto debido a capacitancias parásitas presentes en los electrodos, para eliminar este voltaje en continua, se diseñó un acoplamiento descrito a continuación, en la figura 5.

 
ACOPLAMIENTO CAPACITIVO
El circuito de la figura anterior muestra un acoplamiento Capacitivo, este es en realidad, el filtro pasa altas más sencillo, a partir de 1Hz, el capacitor comenzará a comportarse como un corto circuito y para señales de cd, su comportamiento será de circuito abierto. Esto evita el paso de señales continuas y por lo tanto, la desestabilización del amplificador.
 
ADQUISICION DE DATOS
La adquisición de los datos que obtenemos del ECG digital de las señales eléctricas que éste adquiere a través de los electrodos implantados en la piel del paciente, son tomados por uno de los puertos del PIC16F87X (Puerto B) cuya configuración se muestra en la figura 6. Después de adquirir los datos a través del puerto B del PIC, se realiza una rutina con la cual los datos se envían hacia un MCP2150 a través de la UART de este mismo, tal como se muestra en el Diagrama en Bloques de la figura 7.

El diagrama de interface del sistema, se muestra en la figura 8:

Como se observa en el último esquema, el intercambio de datos se realiza entre el MCP2150 y la PDA a través del Transceiver Óptico. Para que posteriormente, programando el Puerto IRda de la PDA, se realice la adquisición de datos enviados por el transceiver óptico. Nota: es muy importante tener una sincronización de la transmisión de datos así como mantener el protocolo de transmisión de datos que utiliza el puerto IRda. Finalmente los datos adquiridos serán enviados a una dirección IP haciendo uso de las comunicaciones móviles GPRS de GSM, en donde se almacenará dicha información, será comparada con patrones de patologías ya establecidos de acuerdo a una fuente de la Universidad del IMT de los EE.UU.

 
CONCLUSIONES
Podemos concluir que el presente artículo es el desarrollo de una tesis de Maestría de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y que trae consigo una aportación a los equipos médicos que hoy más que nunca, tienen que ser más exactos y versátiles. Además que apoya al área médica en la toma de decisiones con respecto al padecimiento que tiene el paciente. Y gracias al uso de la tecnología empleada, será posible hacer el envío en tiempo real de las señales que emite el corazón a una base de datos con la que se comparará cada patrón que representa cada una de las patologías del corazón.
 
Autor: Jaime Hugo Puebla Lomas
E-Mail: jpuebla@jpn.mx
FIGURA 1
 
FIGURA 2
 
FIGURA 3
 
FIGURA 4
 
FIGURA 5
 
FIGURA 6
 
FIGURA 7
 
FIGURA 8
 
 
 
 
 
PROMOCIONES
 
 
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