Desarrollo de un Monitor para señales Electrocardiográficas por medio de FPGA Edwin Rodríguez, Edward Bejarano, Valentín Molina, Daniel Camilo Triana ECCI, Escuela Colombiana de carreras Industriales, Bogotá-Colombia Resumen—En este artículo se hace la descripción del diseño de un monitor de signos vitales, a fin de cuantificar la señal electrocardiográfica y temperatura corporal usando conversores para un rango de 0 a 12 bits. Este sistema ha sido implementado en una tarjeta FPGA (SPARTAN 6 de XILINX) que permite la visualización del electrocardiograma (ECG), frecuencia cardiaca (Fc) y temperatura sobre pantallas con conexión VGA. Abstract— this article is a description of the design of a vital signs monitor with the following parameters, ECG and temperature using 12-bits converters. This system has been implemented in a FPGA (XILINX SPARTAN 6) called PMOD NEXYS 3 and A / D 12-bit 2-channel display of ECG, heart rate and temperature display with VGA connection. Key-words: FPGA, Electrocardiografía, Filtros. Conversor A/D, VGA, I. INTRODUCCIÓN La tecnología y sus avances han permitido mejorar la forma de vida de las personas, es por esta razón que en el campo de la ingeniería biomédica es necesario estar en constante cambio para implementar nuevas ideas a fin de aportar a la salud [1] [2]. El diseño propuesto está fundamentado en un dispositivo electrónico capaz de adquirir y cuantificar signos vitales. En un aspecto general el objetivo de este proyecto consiste en diseñar un dispositivo análogo/digital para procesar y visualizar señales electrofisiológicas como lo son el ECG y la Temperatura corporal en un monitor o pantalla de televisión compatible con puerto VGA o súper video. Permitiendo con esto la posibilidad de visualización de la variabilidad mostrada por estos parámetros a través de la adquisición en tiempo de real en un paciente. II. DISEÑO METODOLOGICO En primera instancia nace la idea de diseñar un dispositivo totalmente electrónico con la capacidad de brindar una ayuda o soporte al paciente dentro de su estadía en una unidad de cuidado intensivo. Para esto se plantea el desarrollo de las siguientes etapas para el desarrollo del dispositivo. Fase 1: Aquí se requiere un estudio del arte a fin de evaluar las nuevas metodologías aplicadas al tema en estudio [3] [4]. Fase2: Evaluación y consideraciones de dispositivos a utilizar en el prototipo [9]. Fase 3: Diseño e implementación dispositivo para la adquisición y cuantificación de las señales. III. MARCO TEORICO A. FPGA (FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY). La tarjeta empleada es la NEXYS ™ 3, plataforma digital de desarrollo de Xilinx Spartan-6 FPGA, con 48 Mbytes de memoria externa (entre ellos dos memorias no volátiles de cambio de fase Micrón), y suficientes dispositivos de E/S y los puertos para acoger una amplia variedad de sistemas digitales. Se pueden construir completos sistemas digitales, incluyendo controladores, códec, y procesadores integrados [8] [9]. Las características incluyen: • • • • • • 6 LUT de entrada y ocho flip-flops 576 Kbits de RAM de bloque rápido Dos piezas de reloj (cuatro DCMs & dos PLLs) 32 DSP Contiene 500MHz + velocidad de reloj Tiene un puerto Ethernet 10/100 PHY, 16Mbytes de celulares RAM, un puerto USB-UART, un puerto host USB para ratones y teclados, y una mejora de gran velocidad. B. DIAGRAMA DEL SISTEMA 2. Amplificador de señal (AD620, INA118) 3. Circuito de protección del paciente (Optoacoplado ) 4. Filtro NOTCH (60Hz) 5. Filtro pasa banda (0.5 Hz hasta 100 Hz) y 6. Opcional el circuito de protección de común (Pierna derecha). Figura 1. Diagrama de bloques monitor de ECG y Temperatura. Este diagrama de bloques muestra el acondicionamiento de la señal electrocardiográfica, donde se ve reflejado un proceso de adquisición de la señal mediante amplificadores de instrumentación. Seguidamente es necesario realizar un proceso de filtrado a la señal adquirida ya que en la etapa de anterior y por múltiples factores, la señal ecg se ve empañada por distintas interferencias [1]. Ver figura 2. En el siguiente bloque tomamos otra señal muy importante para medir la temperatura del paciente, está diseñado por una termocupla y un circuito integrado que nos permite linealizar esta termocupla para que nos de una respuesta rápida por los cambios de temperatura. Luego de adquirir las señales analógicas, se hace un proceso de digitalización de estas, por medio de un conversor análogo digital (A/D). Posteriormente estas señales son transferidas a la FPGA, siendo esta etapa donde se podrá realizar el proceso de cuantificación completo de las señales a fin de ver la variabilidad de cada señal mediante la utilización de un monitor a través de VGA. C. MODULO ELECTROCARDIOGRAFÍA. Figura 3. Señal electrocardiográfica ECG. Esta etapa es la más importante, pues es la que permite obtener la señal cardiaca para el debido procesamiento en cualquier tipo de análisis de señal que se le haga a la onda cardiaca. El circuito tiene a la entrada un par de resistencias para el acople de impedancia, el amplificador instrumental tiene una ganancia de voltaje y por ultimo se tienen dos amplificadores LF353 para la protección del punto común. Existen varios problemas con esta etapa, uno de ellos es el ruido debido a que cuando amplificamos no tenemos solamente la señal cardiaca sino que también se pueden amplificar otras señales de agentes externos como ruido o Interferencia Electromagnética proveniente de las líneas eléctricas u otros equipos electrónicos o un simple bombillo. . Un factor importante que hay que tener en cuenta para poder hacer un correcto procesamiento de la señal es el nivel de offset que se obtiene al amplificarla y la estabilidad en el eje Y de la onda. Esto sucede debido a que si tenemos diferencias de potenciales ligeramente desplazadas en el eje vertical de la entrada inversora con respecto a la no inversora, en la salida se obtendrá un resultado indeseable tras multiplicar esta diferencia por la ganancia. D. Figura 2. Acondicionamiento señal ECG. Las etapas son: 1. Adaptador de impedancia MODULO TEMPERATURA Para el módulo de temperatura vamos a utilizar una termocupla, ya que con esta podemos mejorar la precisión en los datos de visualización que se entregan del paciente con una respuesta mucho más rápida y confiable, para poder utilizar esta termocupla tenemos que linealizarla para que la respuesta entregada sea mucho más rápida y no presente errores ya que la relación de voltaje-temperatura es no lineal. • two simultaneous A/D conversion channels at up to one MSa per channel. • Bloque 3. Este bloque se encarga de tomar los 12 bits que entrega el modulo del conversor análogo digital y sincronizarlo con el número de muestras por el tiempo del conversor 12,5 mhz, organiza los datos para entregarlos al bloque de la pantalla y generar la gráfica del electrocardiograma • Figura 4. Modulo temperatura. El circuiti de lilealizacion de la termocupla se realiza con el integrado con el AD595 Bloque 4. Este es el bloque más importante internamente tiene dos subloques una memoria la cual registra y almacena en una matriz de 700 datos para mantener el trazo completo de ECG y su visualización, el bloque VGA donde se realiza la sincronización horizontal y vertical, y configuración de colores en pantalla. IV RESULTADOS E. MODULO VGA IMPLEMENTACIÓN COMPLETA 4 2 Se realizan las primeras pruebas con simulador para revisar la adquisición de la señal antes de la prueba con la FPGA. Las siguientes pruebas fueron efectuadas en la FPGA la visualización y configuración por VGA se conecta a un Video beam para modificaciones y pruebas con pacientes. IV. CONCLUSIONES. 1 • El proyecto demuestra la factibilidad de desarrollo de un sistema que permite monitorear los signos vitales tales como frecuencia cardiaca y temperatura de un paciente para que el medico o enfermera trabaje con estos datos en forma rápida y segura. • Este proyecto tiene como beneficio mejorar los servicios médicos de un hospital adecuando un monitor de muy bajo costo en cada área por si se llega a presentar una emergencia en cualquier momento. 3 Figura 5. Implementación VGA. El diagrama anterior se realizó xilinx design tools versión 14.1. Se describen a continuación los bloques para la visualización VGA completa. • Bloque 1. • Los circuitos integrados y tarjetas actuales han reducido el tamaño de los monitores de signos vitales y ha permitido la incorporación de varios parámetros en un módulo, permitiendo el fácil transporte en caso de una urgencia. Este primer bloque se encarga de dividir el reloj principal de nuestra Fpga Nexys 3 el cual viene de 100mhz, para la resolución de 640x480 en nuestras primeras pruebas se trabajara un reloj de 25 mhz. • Bloque 2. En este bloque se realiza la adquisición de la señal es un módulo de conversión análoga/digital de 12 bits. • Two AD7476A 12-bit A/D converter chips • Two 2-pole Sallen-Key anti-alias filters • La dificultad que presenta la determinación de la toma de ECG y temperatura es que las personas estamos expuestas a cambios en nuestras condiciones físicas y emocionales que pueden provocar que estos signos vitales cambien rápidamente. El signo mas afectado la frecuencia cardiaca. Esto provoca dificultades en validación de los valores y el ruido adicional por muchas más variables a tener en cuenta para mejorar los filtros usados para tener un mejor desempeño y mejorar la visualización • Para medir la temperatura corporal se encontró apropiado el uso de una Termocupla por el corto tiempo de respuesta y la gran sensibilidad que presentan estos sensores, facilitando el proceso de medida. • Para este proyecto se podrían implementar métodos para medir otros signos vitales como la frecuencia respiratoria, la saturación de oxígeno, presión arterial invasiva y no invasiva para un monitor básico completo. V. BIBLIOGRAFÍA [1] Webster, John G. Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation, Wiley Interscience 1988. [2] Health Product Comparison System, Physiologic Monitoring Systems, Acute Care; Neonatal; ECG Monitors. February 2003. [3] Arbour R. Continuous nervous system monitoring, EEG, the bispectral index and neuromuscular transmission. AACN Clin Issues. 2003. [4] CAÑIZARES, M., GÓMEZ, N., GONZÁLEZ, R. y RIVERO, M. Nuevo método para el análisis del electrocardiograma, Instituto Central de Investigación Digital Hospital Clínico Quirúrgico Hermanos Ameijeiras. La Habana (Cuba). 2003. [5] ORGANIZACIÓN MUNDIAL DE LA SALUD Atlas decisivo sobre la epidemia mundial de cardiopatías y accidentes cerebro vasculares [en línea, consultado 2010/08/12]. Ginebra. 2004. [6] AVENDAÑO CERVANTES, Guillermo Diseño y construcción de un simulador de funciones electrocardíacas. Avance del proyecto FONDEF DO111149, Facultad de Ciencias, Universidad de Playa Ancha Chile. 2005. [7] DANERI, Pablo A. Electromedicina: Equipos de Diagnóstico y cuidados Intensivos 1ra Edición, Capítulo 2. Pág. 89 – 90. Argentina. 2007. [8] Implementación de filtros digitales en FPGA, Séptimo congreso de la sociedad cubana de Bioingeniería. 2007. [9] Torres Cesar, Lógica reconfigurable en el diseño de sistemas Digitales. 2007.