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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.