1 MIGUEL BENALCÁZAR XAVIER FALCONITESIS PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRÓNICO EN AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO PORTÁTIL ECG CONTROLADO POR UN DSPIC CON TRANSMISIÓN BLUETOOTH. DIRECTOR: Ing. FLAVIO PINEDA Msc. CODIRECTOR: Ing. VICTOR PROAÑO Msc. AUTORES: MIGUEL BENALCÁZAR XAVIER FALCONI SANGOLQUÍ, JULIO 2014

2 INTRODUCCIÓN Actividad eléctrica producida por el corazónELECTROCARDIOGRAMA DSPIC es un nombre genérico que se utiliza para referirse a los controladores digitales de señales (DSC) que ha diseñado Microchip. En el 2008, se realizó el “Desarrollo de un monitor cardiaco (ECG) con un canal de comunicación USB a través de un controlador ARM”, se obtuvo como resultado un prototipo de monitor cardíaco (ECG) con comunicación USB con un PC comercial.

3 OBJETIVOS Tarjeta de señales ECGDiseñar e implementar un prototipo portátil ECG controlado por un DSPIC Tarjeta de señales ECG Módulo Bluetooth Monitoreo en un computador personal. Tarjeta almacenamiento SD

4 MICROCONTROLADOR (DSPIC) Arquitectura Software OBJETIVOS MICROCONTROLADOR (DSPIC) Arquitectura Software Dispositivos periféricos. Diseñar hardware y software que permita el control de los dispositivos periféricos Transmisión Bluetooth Almacenamiento Tarjeta SD. Implementar el prototipo en tarjetas electrónicas diseñadas para dar la característica de portátil considerando las normas de protección para el paciente. Diseñar el software de control para el DSPIC que maneje los dispositivos periféricos y procese las señales digitales con fines de almacenamiento o transmisión remota.

5 MARCO TEÓRICO

6 EL CORAZÓN Es el órgano responsable de bombear sangre a todo el sistema circulatorio. Se divide en cuatro cavidades, dos superiores o aurículas y dos inferiores o ventrículos El lado izquierdo se caracteriza por que impulsa la sangre rica en oxígeno. La sangre retorna por el lado derecho baja en oxígeno y con alto contenido de dióxido de carbono.

7 Se usan electrodos, para captar los impulsos eléctricos del corazón.ELECTROCARDIOGRAMA Willen Einthoven Se usan electrodos, para captar los impulsos eléctricos del corazón. Examen que muestra la actividad eléctrica del corazón mediante un registro gráfico

8 Período de recuperación de los ventrículos.SIGNIFICADO ELECTROCARDIOGRAMA Onda P Aurículas son estimuladas en forma eléctrica para bombear la sangre hacia los ventrículos Onda QRS Los ventrículos se están estimulando eléctricamente para bombear la sangre hacia afuera. Segmento ST Cantidad de tiempo que transcurre desde el final de una contracción de los ventrículos hasta el comienzo del período de reposo. Onda T Período de recuperación de los ventrículos. Intervalos: PR 0.12 – 0.20 seg QRS < 0.12 seg

9 DERIVACIONES CARDIACASSon los registro de la diferencia de potenciales eléctricos entre dos puntos, ya sea entre dos electrodos o entre un punto virtual y un electrodo. Un polo positivo y un negativo relacionados con la piel.

10 DERIVACIONES BIPOLARESSon bipolares porque detectan las variaciones eléctricas en dos puntos.

11 DERIVACIONES DE EXTREMIDADES AUMENTADASSon unipolares, registran las variaciones eléctricas de potencial en un punto (brazo derecho, brazo izquierdo o pierna izquierda) respecto a otro punto nulo en que la actividad eléctrica no varía significativamente.

12 DERIVACIONES PRECORDIALESSon unipolares y registran en el tórax desde la posición 1 a la 6. Los electrodos registran el potencial eléctrico que hay bajo si mismos respecto a la conexión terminal central, para lo cual se conectan los cables del brazo derecho, el brazo izquierdo y la pierna izquierda.

13 CALCULO DERIVACIONES LA: LEFT ARM LL: LEFT LEG RA: RIGHT ARMDERIVACIÓN TIPO CÁLCULOS I Extremidades LA-RA II LL-RA III LL-LA aVR Aumentada RA-(LA+LL)/2 aVL LA-(RA+LL)/2 aVF LL-(RA+LA)/2 V1 Precordial V1-(RA+LA+LL)/3 V2 V2-(RA+LA+LL)/3 V3 V3-(RA+LA+LL)/3 V4 V4-(RA+LA+LL)/3 V5 V5-(RA+LA+LL)/3 V6 V6-(RA+LA+LL)/3 LA: LEFT ARM LL: LEFT LEG RA: RIGHT ARM

14 DISEÑO DEL PROTOTIPO

15 Sistema de monitoreo continuo,DESCRIPCION GENERAL DEL PROTOTIPO A DISEÑAR ECG-BLUETOOTH Sistema de monitoreo continuo, la información se visualiza en tiempo real Dispositivo portátil. La seguridad del paciente está garantizada ya que es independiente de la red eléctrica cumpliendo con requisito fundamental para la normativa IEC60601. Fácil operatividad  La pantalla incorporada señaliza el estado de la batería y el modo de trabajo. Adecuado para uso en la telemedicina. 

16 REQUERIMIENTOS DEL PROTOTIPOEl prototipo diseñado cuenta con las siguientes bondades: Batería LIPO recargable (TURNIGY 0.5) 500mAh voltaje de 7.4V. Un controlador de la familia Microchip Technology Inc. El DSPIC33FJ128GP708. Tarjeta de adquisición de señales ECG BIOMEDICAL. Módulo para tarjeta de almacenamiento SD. Módulo Bluetooth RN-41. RTC (Real Time Clock). LCD (Liquid Crystal Display).

17 DISEÑO DEL ESQUEMA GENERALEl módulo de adquisición procesa analógica-mente la señal de una derivación bipolar. El DSPIC procesa la señal de ECG, datos listos para módulo bluetooth y la para el módulo de almacena-miento El módulo bluetooth transmite la señal de ECG El módulo de almacenamiento guarda la señal de ECG en un archivo de texto.

18 DESCRIPCION DEL CONTROLADOR DSPICCaracterísticas del dsPIC33FJ128GP708: Número de pines 80. Memoria de programa 128 Kbytes. Rango de voltaje de operación (voltios) de 3 a 3,6 voltios. 69 pines I/O. Comunicación digital de periféricos 2-Uart, 2- SPI, 2-I2C. Módulo análogo 2-A/D 24x12-bytes tasa de conversión 500 ksps.

19 CARACTERÍSTICAS TÉCNICASMODULO DE ADQUISICION DE SEÑALES ECG BIO MEDICAL CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Parámetro Tensión de Alimentación 3.3v Consumo de corriente mínimo <500mA Ganancia ajustable x10 – x20 Impedancia de entrada ˃ 5 MΩ Protección al ser humano Circuito Costos 69.99

20 Tarjeta de adquisición de señales BIO MEDICALLa salida de la tarjeta es una señal analógica.

21 ESQUEMA TARJETA DE ADQUISICION DE SEÑALESLa tarjeta de adquisición de señales de Electrocardiograma BIO MEDICAL, consta de los siguientes bloques: Amplificador de Instrumentación Filtro pasa altos con una primera amplificación Filtro Notch 60Hz Filtro pasa Banda Segunda amplificación

22 DESCRIPCION MODULO BLUETOOTHMódulo de Bluetooth Clase I Bluetooth v2.0 Bajo consumo de energía 30 mA UART (SPP o CI) y USB En SSP tiene velocidades de datos 240 kbps esclavo y 300 kbps maestro Antena RF integrada

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24 TARJETA ALMACENAMIENTO SDVoltaje de operación: 2.0 – 3.6 V Temperatura de operación: -25ºC a 85ºC Durabilidad: > horas Capacidad: 32MB, 64MB, 128MB, 256MB, 512MB, 1GB, 2GB, 4GB. Para la escritura y lectura de los datos en la SD se hacen por bloques de bytes, desde 1 hasta 512 bytes. Interruptor de protección de escritura.

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26 DISEÑO DEL SOFTWARE DEL PROTOTIPO PORTÁTIL

27 Lenguaje C, en el software mikro C para DSPIC.Manejo adecuado de los dispositivos periféricos - Módulo de adquisición de señales ECG -Módulo Bluetooth -Módulo de almacenamiento en tarjeta

28 Diagrama de bloques GeneralInicio de variables y módulos Verificación de Batería Lectura de Reloj en Tiempo Real Subrutina envió de datos Bluetooth Subrutina de Almacenamiento de Datos (tarjeta SD)

29 DIAGRAMA DE BLOQUES ENVIO DATO ECGSelector Bluetooth Verifica interrupción Hardware Bluetooth activada Leer dato Análogo Convierte dato numérico a cadena de caracteres Envía datos por módulo serial Retardo

30 ADC1_Init_Advanced(_ADC_12bit, _ADC_INTERNAL_REF); FUNCIÓN DETALLE ADC1_Init_Advanced(_ADC_12bit, _ADC_INTERNAL_REF); Permite inicializar el módulo ADC del DSPIC. Como característica es un conversor de 12bits con referencia del voltaje interno UART1_init(9600); Inicializa el puerto UART con una velocidad de 9600 baudios. ADC1_Get_Sample(X) Esta función permite leer el canal análogo X IntToStrWithZeros(a,b) Toma una variable numérica y la transforma a una cadena de caracteres llenando con ceros los espacios vacíos. UART1_Write_Text(dato_blue) Escribe por el puerto UART el dato numérico

31 DIAGRAMA DE BLOQUES ENVIO DATO SDSelector Almacenamiento SD Inicializa Módulo SD Creación de Archivo para almacenar el examen Adquisición de Datos Almacenamiento de datos SD Fin Almacenamiento

32 Permite inicializar el módulo SPI del DSPIC. FUNCIÓN DETALLE SPI1_Init_Advanced() Permite inicializar el módulo SPI del DSPIC. Mmc_Fat_Exists(nombre_arch) Función con la cual el controlador verifica si ya está creado el archivo con un nombre determinado. Este devuelve 1 si ya existe el archivo. Mmc_Fat_Set_File_Date() Esta función permite asignar fecha y hora al archivo a crearse o a modificar. Mmc_Fat_Assign(nombre_arch, 0xA0); Esta función permite la creación de un archivo, si este archivo ya existe lo reescribe. Mmc_Fat_Append(); Permite modificar el contenido de un archivo. Mmc_Fat_Write(dato_blue,6); Esta función permite la escritura de los datos en la tarjeta de almacenamiento. Esta lleva el dato a escribir y el número de bytes.

33 INTERFACE LABVIEW - PRINCIPAL

34 INTERFACE LABVIEW – CONEXIÓN BLUETOOTH

35 INTERFACE LABVIEW – RECEPCIÓN DATOS BLUETOOTH

36 DIAGRAMA DE BLOQUES RECEPCION DATO ECG BLUETOOTHIniciar búsqueda de dispositivos Bluetooth Selección de dispositivo Bluetooth Búsqueda de servicios disponibles Bluetooth Conexión de dispositivo, envió palabra de inicio Selección de Automático/Manual Recepción de datos y Grafica Presionamos el botón cancelar Generación de Reporte

37 INTERFACE LABVIEW – LECTURA DE DATOS SD

38 DIAGRAMA DE BLOQUES LECTURA DATOS TARJETA SDSelección de archivo a LEER Iniciar Lectura Realiza la lectura de datos (6 bytes por dato) Refleja el tamaño del archivo en bytes

39 Bluetooth RFCOMM Service Discovery VI FUNCIÓN DIAGRAMA CARACTERÍSTICA Bluetooth Discover Permite la búsqueda de todos los dispositivos Bluetooth instalados de forma local o dentro del rango de la red Bluetooth. Bluetooth RFCOMM Service Discovery VI Esta función realiza un Service Discovery Protocol (SDP), esta permite consultar y buscar los servicios disponibles en el dispositivo Bluetooth local o remoto seleccionado. Bluetooth Open Connection Function Esta función solicita una conexión a un servidor Bluetooth. Bluetooth Write Function Escribe datos en una conexión de red Bluetooth. Bluetooth Read Function Lee el número de bytes de una conexión de red Bluetooth y devuelve los resultados en salida de datos.

40 PRUEBAS

41 ESCENARIO Nº1 El Escenario Nº1, consiste en realizar el examen de ECG utilizando el dispositivo portátil en personas, se tomarán las derivaciones DI, DII Y DIII.

42 DERIVACIÓN I=LA-RA Se realizan las pruebas al paciente N°1 de sexo masculino, de 40 años de edad, se procede a tomar las 3 derivaciones bipolares, se obtuvo como resultado: Amplitud Onda P: 0,109 mV Amplitud Onda R: 1,314 mV Tiempo QRS: 0.9 seg

43 DERIVACIÓN II=LL-RA Amplitud Onda P: 0,114mV Amplitud Onda R: 1,465 mVTiempo QRS: 0.9 seg

44 DERIVACIÓN III=LL-LA Amplitud Onda P: 0,112 mVAmplitud Onda R: 1,197 mV Tiempo QRS: 0.10 seg

45 ESCENARIO N°2 El Escenario Nº2, consiste en utilizar un patrón de forma de onda ECG por medio del simulador de Electrocardiograma NETECH y verificar así el correcto funcionamiento del prototipo portátil ECG.

46 El instrumento es pequeño y portátil, se alimenta con una batería de 9 voltios o un adaptador de corriente alterna. Es robusto y realiza sus simulaciones con rapidez, precisión y facilidad. 12 derivaciones con salidas independientes con referencia a la pierna derecha RL. Ritmo sinusal normal NSR. ECG: 30, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300 y 350 latidos por minuto BPM. Precisión: 0,5 % Amplitudes: 0.15, 0.3, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 y 5.0 mV

47 SIMULACIÓN Nº1: BPM = 60 Y AMP=0.15Pruebas con frecuencia de 60 BPM, Amplitud de 0.15V del simulador. Estas pruebas han sido generadas con línea base y con señales NSR de pacientes de ritmo normal. Amplitud Onda P: 0,111 mV Amplitud Onda R: mV Tiempo QRS: 0.11 seg

48 SIMULACIÓN Nº2: BPM = 60 Y AMP=0.5Pruebas con frecuencia de 60 BPM, Amplitud de 0,5 V del simulador. Estas pruebas han sido generadas con línea base y con señales NSR de pacientes de ritmo normal Amplitud Onda P: 0,111mV Amplitud Onda R: 1,379 mV Tiempo QRS: 0,11 seg

49 VALIDACIÓN DEL PROTOTIPO CON ECG PORTÁTIL CONVENCIONALPara validar los datos se ha procedido a montar un escenario que consiste en utilizar el simulador Netech con NSR de 60 BPM de Amplitud 1, para inyectar esta señal generada en el prototipo y también en el ECG portátil.

50 ECG CARDIO EXPRESS SL3 Portátil Liviano Cómodo uso ambulatorioPantalla plegable para incrementar la revisión de interpretación del ECG. Mediciones e interpretaciones automáticas para pacientes adultos y pediátricos. Análisis VFC, Análisis de variabilidad de frecuencia cardíaca. Impresión en papel común, compatible con varias impresoras USB

51 PRUEBAS DE VALIDACIÓN BPM=60 Y AMP=1Amplitud Onda P: 0,078 mV Amplitud Onda R: 1,016 mV Tiempo QRS: 0,11 seg

52 Simulación obtenida en CARDIO EXPRESS SL3Amplitud Onda P: 0,08 mV Amplitud Onda R: 1 mV Tiempo QRS: 0,11 seg

53 COMPARACIÓN FINAL Y VALIDACIÓN DEL DISPOSITIVOCARDIO EXPRESS PROTOTIPO ECG ERROR % ONDA P (mV) 0,08 0,079 1,6 ONDA R (V) 1 1,016 1,7 TIEMPO QRS (seg) 0,11

54 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

55 CONCLUSIONES La tarjeta BIOMEDICAL empleada en la etapa de adquisición de señales ECG del paciente dispone de filtro tipo Noch para eliminar el ruido de las señales AC por lo que se concluye que el uso de esta tarjeta embebida ha contribuido exitosamente en el desarrollo de proyecto ya que nos ha permito obtener señales ECG de alta calidad con el menor nivel de ruido, tanto en la visualización mostrada en Labview como en la recuperación mostrada en Excel. El uso del dsPIC que es un microcontrolador con un módulo de DSP integrado ha permitido la conversión A/D de la señal entregada por la tarjeta Bio Medical, el manejo de la tarjeta SD, el reloj en tiempo real y la transmisión bluetooth, en forma óptima con un reloj de 20 MHz por lo que se concluye que el uso del dsPIC permite aumentar la exactitud de las señales ECG tomadas por el prototipo ya que maneja operaciones matemáticas con números de alta precisión.

56 El uso de la tarjeta SD permite guardar los datos de la señal de ECG sin la necesidad de que el dispositivo esté utilizando una conexión bluetooth por lo que se concluye que el uso de esta tarjeta ha beneficiado de manera eficaz para el almacenamiento de las señales de los exámenes de ECG que se realicen con el prototipo. Las pruebas realizadas con pacientes permitieron determinar las amplitudes de las ondas de la señal ECG y el tiempo de duración de las mismas determinándose que estos valores están dentro de los parámetros establecidos para las señales ECG de pacientes sanos por lo que se concluye que el equipo está funcionando correctamente. Las pruebas realizadas con el simulador permitieron determinar que la onda obtenida con el prototipo se ajusta a los parámetros establecidos en el simulador como los son la frecuencia y la amplitud por lo que se concluye que el prototipo implementado en el presente proyecto responde adecuadamente a las señales generadas por el simulador con diferentes parámetros.

57 En las pruebas de validación en las cuales se comprobó el funcionamiento del prototipo portátil con respecto a un electrocardiógrafo comercial se obtuvo errores máximos de 1,7 % al comparar la señal ECG obtenida con el prototipo y con el electrocardiógrafo concluyéndose que el prototipo funciona con alta precisión comparable con la precisión de un equipo comercial. La transmisión por Bluetooth que emplea el prototipo brindó a los pacientes la tranquilidad de no estar conectados a un computador o la red eléctrica comercial, estableciéndose un aislamiento del paciente como lo establece la normativa IEC60601 que garantiza que no se produzcan descargas eléctricas en el cuerpo del paciente. Con la presencia de un cardiólogo se realizaron varias pruebas, en las cuales se verificó y comprobó que la señal ECG adquirida y presentada por el dispositivo es real, por lo tanto se concluye que los objetivos planteados para el presente proyecto se han cumplido de forma satisfactoria como lo demuestran los bajos errores que genera el prototipo con respecto a un electrocardiógrafo comercial.

58 RECOMENDACIONES La fuente de alimentación del prototipo portátil de electrocardiograma ECG debe ser revisada antes de comenzar a utilizar el prototipo, puesto que una falla provocará un error en el funcionamiento del prototipo y envió de la señal. Se han realizado pruebas de duración de la batería estableciéndose un tiempo de duración de 3 horas con la transmisión bluetooth activada por lo que se recomienda que pasado este tiempo se proceda a la recarga de la batería para evitar fallos del prototipo en la adquisición de datos. El paciente o la persona que se vaya a realizar un examen de Electrocardiograma ECG debe cumplir estrictamente con los requerimientos y el protocolo indicado en el desarrollo de la tesis.

59 RECOMENDACIONES Es necesario que al paciente primero se le realice una debida exploración de los lugares en donde se colocarán los electrodos desechables, para evitar la obtención de señales erróneas por su mala colocación. El paciente debe mantenerse en una posición estable sin movimiento durante la toma del examen de electrocardiograma ECG, para no introducir errores mecánicos en la señal debido al movimiento.