diseño y construcción de un sistema ambulatorio de tiempo real

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA AMBULATORIO DE TIEMPO REAL PARA EL MONITOREO
Y DIAGNÓSTICO CARDIACO MEDIANTE WAVELETS
Propuesta elaborada por: Cuauhtémoc Sergio Carbajal Fernández
Julio 23, 2011
SÍNTESIS DEL PROYECTO
Este proyecto está dirigido al diseño y construcción de un sistema que permita la adquisición y
análisis de la señal electrocardiográfica, en tiempo real, de pacientes con patologías cardiacas, que
les permita obtener información que les ayude a ejercer un mejor control de su condición
cardiaca; así como la transmisión de la información de los episodios críticos a un centro de
vigilancia médica vía WI-FI, para el asesoramiento de los pacientes y del envío, de ser necesario,
de ayuda especializada.
ANTECEDENTES Y PROBLEMA
Las enfermedades cardiacas representan la segunda causa de mortalidad en México después de la
Diabetes Mellitus [1]. La mayoría de los decesos ocurren por cardiopatías isquémicas, es decir, por
la angina de pecho o el infarto de miocardio, afectando comúnmente a personas mayores de 40
años y con mayor frecuencia a hombres, en un 65 por ciento.
Muchas patologías cardíacas alteran la actividad eléctrica del corazón, produciendo
modificaciones de los patrones electrocardiográficos normales. Entre las patologías más
importantes podemos citar: crecimiento de cavidades, trastornos de la conducción
intraventricular, necrosis, lesión, isquemia, pre-excitación ventricular, arritmias, bloqueos. Algunos
fármacos y electrolitos también producen modificaciones en los patrones normales.
JUSTIFICACIÓN
Muchos de estos padecimientos se presentan de manera “silenciosa”, es decir, no son percibidos
por el paciente. Este hecho muestra claramente la importancia de desarrollar un sistema portátil
de monitoreo cardiaco que pueda ayudar a pacientes ambulatorios a tener información que le
permita ejercer control sobre su condición cardiaca en tiempo real, que le permita evitar, en lo
posible, episodios críticos, incluyendo la muerte.
OBJETIVOS
El sistema propuesto será capaz en tiempo real de:


adquirir la señal de Electrocardiografía;
procesar la señal usando principalmente Wavelets para medir las magnitudes y
duraciones de las ondas P, Q, R, S, T, y U;



detectar cuándo la magnitud o la duración de una onda se encuentra fuera de rango;
inferir algunas patologías cardiacas importantes tales como las arritmias; y
enviar vía WI-FI los episodios fuera de rango a un hospital para su análisis así como para
permitir el asesoramiento del paciente vía telefónica durante intervalos críticos, y/o
solicitar el envío de una ambulancia.
Con este sistema se pretende habilitar el monitoreo automático continuo de pacientes con
problemas cardiacos que permita reducir episodios críticos incluyendo la muerte.
SOLUCIÓN PROPUESTA
El sistema estará constituido por tres subsistemas de hardware:
1. Preamplificador de Elecrocardiografía. Su función será amplificar y acondicionar
analógicamente la señal eléctrica del corazón.
2. Microcontrolador e Interfaz de Bluetooth. Su función será adquirir y filtrar digitalmente la
señal proveniente del preamplificador para posteriormente enviarla vía Bluetooth. Para
ello se requiere implementar el protocolo de comunicación de Bluetooth.
3. Computadora móvil, de muy bajo consumo. Su función será recibir la señal proveniente
del microcontrolador via Bluetooth, presentar en una pantalla integrada a la computadora
la señal de Electrocardiografía; realizar el análisis de la señal mediante Wavelets;
presentar en la pantalla las magnitudes y duraciones de las ondas P, Q, R, S, T y U,
indicando si se encuentran dentro de rango o no. Este subsistema también se encargará
de establecer la comunicación vía WI-FI y enviar la información al Centro Médico de
Vigilancia automáticamente en el momento de la presencia de un episodio crítico.
Las funciones del microcontrolador así como de la computadora requieren de software sofisticado.
El microcontrolador usará un sistema operativo a tiempo real. La computadora utilizará ANDROID
para facilitar la implementación de sus tareas.
EQUIPO DE TRABAJO
El equipo básico de trabajo está constituido por Cuauhtémoc Sergio Carbajal Fernández y de
Héctor Becerra (estudiante de la maestría en Ciencias de la Ingeniería). Se buscará el apoyo de
estudios de licenciatura en la modalidad de estancia de investigación o a través de los proyectos
CAD.
ENTREGABLES

Módulo electrónico preamplificador de la señal de electrocardiografía con las siguientes
especificaciones:
o Ganancia: 100
o Relación de rechazo de señal común > 90 dB
o Respuesta en frecuencia: 0.5 Hz – 150 Hz
o


La señal deberá estar centrada sobre 1.5 volts y con una excursión máxima de 1.5
Voltios
o El voltaje de operación será de 3V
o El consumo de corriente deberá ser < 5 mA.
o El circuito estará montado en un circuito impreso y se utilizarán componentes de
montaje superficial
Módulo de adquisición, filtraje digital y transmisión vía Bluetooth de la señal de
electrocardiografía con las siguientes especificaciones:
o El hardware utilizará el dispositivo eZ430-rf2560 de la compañía Texas Instruments
o Muestreo de la señal analógica entrante a 300 Hz
o Filtraje de la señal mediante un filtro FIR
o Implementación del protocolo de comunicación de Bluetooth que incluye las
siguientes tareas:

envío y recepción de datos

empaginamiento y peticiones

determinación de Conexiones

autenticación

negociación y determinación de tipos de enlace

determinación del tipo de cuerpo de cada paquete

ubicación del dispositivo en modo sniff o hold
o Transmisión de los datos en tiempo real vía Bluetooth
Módulo de procesamiento, visualización y comunicación vía WI-FI capaz de:
o procesar la señal usando principalmente Wavelets para medir las magnitudes y
duraciones de las ondas P, Q, R, S, T, y U;
o detectar cuándo la magnitud o la duración de una onda se encuentra fuera de rango;
o inferir algunas patologías cardiacas importantes tales como las arritmias; y
o enviar vía WI-FI los episodios fuera de rango a un hospital para su análisis así como
para permitir el asesoramiento del paciente vía telefónica durante intervalos críticos,
y/o solicitar el envío de una ambulancia.
Diseño circuito preamplificador
Diseño de circuito impreso preamplificador
Fabricación circuito impreso preamplificador
Montaje de componentes preamplificador
Prueba de circuito impreso
Implementación protocolo Bluetooth en microcontrolador
Adquisición de señal analógica con microcontrolador
Diseño e implementación filtro FIR
Comunicación vía Bluetooth microcontrolador-computadora móvil
Implementación algoritmos para medir magnitudes y duraciones de la señal de ECG
Implementación algoritmos para detectar arritmias y otras patologías cardiacas
Jul12
Jun12
May12
May12
Abril12
May12
Abril12
Mar12
Feb12
Ene12
Dic11
Nov11
Oct11
Sep11
Ago11
Actividades
ACTIVIDADES Y CALENDARIZACIÓN
Presentación en pantalla de señal ECG
Presentación en pantalla eventos críticos
Comunicación con Centro de Vigilancia
Diseño e implementación aplicación en Centro de Vigilancia
RECURSOS NECESARIOS
Sería deseable poder contar con financiamiento para lo siguiente:
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
compra de componentes electrónicos para preamplificador ($ 2000 pesos M.N.)
fabricación de circuitos impresos ($2,000)
viáticos para 2 viajes a la ciudad de Monterrey para interactuar con un doctor especialista
en análisis de la señal de ECG del Hospital San José ($20,000 pesos M.N.)
viáticos para presentar dos trabajos en congresos con arbitraje ($16,000 pesos M.N.)
pago de derechos de publicación en revista especializada ($10,000 pesos M.N).
Se requeriría entonces de $50,000 pesos M.N.
RIESGOS
La implementación del protocolo Bluetooth podría complicarse. Se tendría que buscar otra
plataforma de hardware que permitiese realizar esta tarea.
REFERENCIAS

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
Antonio Espíritu-Santo-Rincón, and Cuauhtémoc Sergio Carbajal Fernández, "Respiration
Rate Extraction from ECG Signal via Discrete Wavelet Transform," Circuits and Systems for
Medical and Environmental Applications 2nd Workshop (CaSME 2010), Mérida, Yucatán,
México, December 13-15, 2010.
Antonio Espíritu Santo Rincón, Blanca Tovar, and Cuauhtémoc Sergio Carbajal Fernández,
"Time-Domain Based Arrhythmia Detection Algorithm," XII Reunión de Otoño de Potencia,
Electrónica y Computación (ROPEC 2010 INTERNACIONAL), Manzanillo, Colima, México,
November 10-12, 2010.
Antonio Espíritu-Santo-Rincón, and Cuauhtémoc Sergio Carbajal Fernandez, "Discrete
Wavelet Transform and Difference Method Applied to ECG R-wave Detection Algorithms,"
XII Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación (ROPEC 2010
INTERNACIONAL), Manzanillo, Colima, México, November 10-12, 2010.
Antonio Espiritu-Santo-Rincón, and Cuauhtémoc Sergio Carbajal Fernández, "ECG Feature
Extraction Through Waveform Segmentation"," 7th International Conference on Electrical
Engineering, Computing Science and Automatic Control (CCE 2010), Tuxtla Gutiérrez,
Chiapas, Mexico, September 8-10, 2010.