Download Sistema de monitoreo cardiaco móvil

VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería
Habana 2007
SYSTEMA DE MONITOREO CARDIACO MOVIL
R. Guardarrama, R.I. Gonzalez, D.J. Jimenez, A.R. Rodríguez and F. León
Instituto Central de Investigaciones Digitales
202 No. 1704 entre 17 y 19, Siboney, Playa
e-mail: [email protected]
RESUMEN
Este trabajo expone un sistema monitor cardiaco portátil de
dos derivaciones de ECG capaz de detectar eventos cardiacos
peligrosos en tiempo real, detectando los complejos QRS y
midiendo la frecuencia cardiaca. El monitor envía ambos
canales a un servidor remoto en un centro de cuidados cardiacos a través del teléfono móvil usando el protocolo Bluetooth
[3]. La transmisión puede ser iniciada de manera automática
por la detección de algún evento cardiaco peligroso o manualmente por el paciente. Este dispositivo presenta un cristal
líquido grafico que muestra la señal y durante la comunicación
visualiza los mensajes de texto que pueden ser enviados por el
especialista en el servidor. El equipo contiene una bocina para
notificar al paciente cuando se le ha enviado un mensaje o en
cualquier otra condición según se halla configurado el dispositivo.
Palabras clave: bluetooth, electrocardiograma, monitor portátil, ECG
1. INTRODUCCIÓN
Las enfermedades cardíacas son una de las tres principales causas de muerte a nivel mundial y es por ello que
actualmente se dedican grandes esfuerzos a su estudio,
prevención y tratamiento. Las ciencias informáticas y las
telecomunicaciones han experimentado un vertiginoso desarrollo en los últimos años, dentro de esto la telefonía móvil
ha evolucionado, incrementando su disponibilidad y su
capacidad de trasportar cada vez mayores volúmenes de
información de una manera más confiable, ofreciendo precios más competitivos en el mercado. Es por esto que muchos equipos médicos han empleado la telefonía móvil
como soporte para la trasmisión de información de un lugar
distante a otro.
El sector de la salud enfrenta un grave problema que es
el incremento continuo del costo de los recursos que se
dedican a la prevención, monitoreo y tratamiento de estas
enfermedades [1]. Los pacientes con condiciones médicas
estables pero que mediante estudios se ha determinado que
son propensos a infartos o afecciones cardiacas, requieren
de una monitorización constante que permita determinar
cuándo está en peligro.
El presente trabajo tiene como objetivo fundamental
presentar y discutir los resultados del desarrollo de un equipo que permite el monitoreo ambulatorio constante de la
señal cardiaca de un paciente y la valoración remota, por
parte de un especialista, de cualquier evento patológico que
se detecte.
2. METODOLOGÍA
A la hora de asumir el diseño de un equipo portátil se
debe tener en cuenta que éste debe alimentarse con baterías
por lo que su consumo debe ser bajo. Además debe ser
cómodo y de poco peso, pues el paciente lo va a portar
durante mucho tiempo.
El equipo será capaz de digitalizar dos canales de ECG
a una frecuencia de muestreo de 250 Hz y estará alimentado por dos baterías AA.
A. El hardware
El equipo diseñado consta de un bloque analógico formado por el circuito amplificador de señal, el circuito detector de marcapasos y el circuito de detección de electrodo
suelto. El amplificador de señal se encarga de acondicionar
las señales de las dos derivaciones para su posterior digitalización y procesamiento. El amplificador, que consta de tres
etapas por derivación, está formado por un amplificador de
instrumentación de entrada de bajo consumo y etapas no
inversoras de amplificadores operacionales que garantizan
la ganancia necesaria. Implícitos en la cadena de amplificación se encuentran filtros para eliminar señales de interferencia y componentes de frecuencias no deseadas. El ancho
de banda efectivo de la cadena de amplificación está comprendido en la gama de 0.1 Hz hasta los 70 Hz que usualmente se utilizan en equipos para el monitoreo. Esta banda
de paso contiene toda la información de la señal que se
procesará para detectar los eventos cardiacos de peligrosidad que pueda presentar el paciente.
El circuito detector de marcapaso se encarga de detectar
las espigas generadas por un marcapaso en caso de que el
paciente lo lleve. Este circuito está formado fundamentalmente por un amplificador sintonizado, en la gama de las
frecuencias comprendidas entre los 250 y 600 Hz. Esta
configuración del amplificador sintonizado está determina-
ISBN 978-959-212-236-9 (c) Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo T036
VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería
Habana 2007
da por las características de la señal de marcapaso, que
consiste en una espiga del orden de los 700 mV de amplitud
y 2 mS de duración.
El circuito detector de electrodo suelto está formado por
comparadores, ajustados para fijar un nivel de “0” lógico en
el momento en que se encuentre un electrodo suelto. Esta
indicación se mantiene en ese estado hasta que se coloque
correctamente el electrodo.
El bloque digital está conformado por un microprocesador de bajo consumo, un cristal líquido gráfico, un teclado
de membrana, una bocina y un módulo de comunicación
Bluetooth. El microcontrolador MSP430F149 se encarga de
controlar todas las operaciones con los periféricos digitales,
además de digitalizar la señal electrocardiográfica, controlar
el consumo total del equipo y procesar la señal proveniente
de los amplificadores. El microcontrolador MSP430F149
contiene un conversor AD de 12 bits y un multiplexor
analógico de 8 entradas que son utilizados para la digitalización de la señal.
El cristal líquido de 128x64 pixels tiene una interfaz
serie sincrónica que es manipulada mediante líneas de
propósito general del microcontrolador. En el display se
visualizan los menús de operación y la señal del paciente. El
teclado de membrana de 5 teclas es atendido también por el
microcontrolador y es utilizado para la interacción del usuario con el equipo en general.
La bocina es utilizada para llamar la atención del paciente en determinadas circunstancias, ésta es manejada
también por el microcontrolador.
Mediante el módulo de comunicación Bluetooth el
dispositivo realiza la transmisión de los datos del paciente y
la señal electrocardiográfica en tiempo real a una computadora. Esta trasmisión se lleva a cabo a través del propio
teléfono móvil del paciente utilizando el perfil DUN (Dial
Up Networking) [4]. Este perfil permite utilizar al teléfono
como un modem y enviar los datos digitales hacia la computadora. De esta forma el paciente logra una movilidad que
solo será limitada por la cobertura del teléfono.
Todos los circuitos fueron diseñados con componentes
de montaje superficial y de bajo consumo de potencia, puesto que el equipo es alimentado por 2 baterías de tipo AA
recargables y debe ser pequeño para proporcionar una mayor comodidad al portador. Para prolongar la duración de la
carga de las baterías se implementó también un mecanismo
de control de potencia para los dispositivos más consumidores.
Los mecanismos para la disminución de potencia consumida consisten en la desconexión de los bloques más
consumidores mientras no se estén utilizando. De esta forma aumenta considerablemente la duración de las baterías
que puede llegar a unas 48 horas de uso continuo. A conti-
nuación se muestra el diagrama funcional en bloques del
dispositivo diseñado (Figura 1).
Fig 1. Diagrama funcional del equipo
B. Funcionamiento
El equipo es colocado al paciente de una forma cómoda
para que éste pueda realizar su vida normal sin molestias.
La señal de ECG es recogida continuamente y procesada.
Cuando se detecta algún evento cardiaco peligroso como
puede ser una arritmia, el equipo comienza a trasmitir la
señal hacia una estación central donde un especialista puede
visualizarla, analizarla y emitir mensajes informativos al
paciente. Esta trasmisión también puede ser iniciada manualmente por el paciente en caso de que sienta alguna
molestia o dolor (Figura 2).
Fig 2. Diagrama funcional del sistema
El equipo debe ser configurado antes de posicionarlo en un
nuevo paciente, esta operación sólo se realiza una vez y los
datos introducidos serán almacenados en memoria no volátil
para que no se pierdan con el reemplazo de las baterías. Los
datos introducidos durante la configuración son: el sexo del
paciente, la edad, si presenta o no marcapasos, los números
telefónicos donde se encuentran los 3 posibles servidores a
los que se le podrá enviar la información, además se deberá
parear el dispositivo con el teléfono móvil del paciente, para
que éste pueda ser utilizado como modem cuando se requiera. Además la configuración del equipo permite seleccionar
ISBN 978-959-212-236-9 (c) Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo T036
VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería
Habana 2007
el tipo de procesamiento que se desea realizar a la señal y
cambiar el idioma de los menús.
Una vez configurado el equipo se coloca el mismo en el
paciente y se posicionan los electrodos. Entonces se pasa a
la pantalla de verificación, en la que se visualizará el estado
de los electrodos y la calidad de la señal electrocardiográfica. Si todo está en orden se debe seleccionar la opción de
comenzar, y en este momento se comienza a adquirir y
procesar la señal electrocardiográfica. Para extender la duración de las baterías, el LCD y el módulo de comunicación
se desconectan durante la mayor parte del tiempo.
Al detectar algún problema cardiaco el dispositivo intenta establecer una conexión DUN con el teléfono móvil a
través del módulo Bluetooth. El paciente no necesita llevar
consigo el teléfono, basta con que esté a una distancia
máxima de 100m (Tabla 1) [4].
Tabla 1 Clases del estándar Bluetooth.
Potencia de Trasmisión
Alcance
1
Clase
100 mW (20dBm)
100 m
2
2.5mW (4 dBm)
10 m
3
1 mW (0 dBm)
<10 m
Una vez establecida la conexión con el teléfono móvil,
éste se utiliza como modem y se intenta realizar la conexión con el primero de los números telefónicos configurados. En caso de no poder establecer el enlace probará con
el siguiente y así sucesivamente. Al establecerse el enlace se
envía la información del paciente y a continuación se comienzan a enviar los dos canales de señal digitalizada. La
trasmisión de la señal se realiza a modo de demanda, mientras el especialista estime que sea necesario el seguimiento
del paciente, seguirá recibiendo los datos. Durante este
tiempo puede enviarle mensajes al paciente para darle información de su estado o sugerirle que tome alguna medida
que pueda mejorarlo. Cuando el especialista decida finalizar
la conexión toda la señal puede ser almacenada en el servidor junto con los datos del paciente que se enviaron al inicio
de la trasmisión y luego puede ser procesada con algoritmos
mas sofisticados que los implementados en el equipo monitor.
El equipo revisa el estado de las baterías constantemente y cuando se detecta que están a punto de descargarse, se
indica al paciente que deben ser reemplazadas emitiendo
una señal audible. En este punto el paciente deberá cambiar
las baterías por otras, para ello deberá presionar cualquier
tecla para encender el LCD y posteriormente seleccionar la
opción de cambiar las baterías. Una vez hecho esto el equipo se apagará. Después de cambiar las batería y encender el
equipo se visualizará un mensaje indicando que las baterías
han sido cambiadas satisfactoriamente y seguirá adquiriendo y procesando la señal.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se construyó un prototipo del equipo con un tamaño de
15x110x55 mm y un peso de 153 g, al que se le realizaron
distintas pruebas. El consumo promedio del equipo en su
estado más común (adquiriendo y procesando la señal) es de
8 mA, y durante la trasmisión de información éste se eleva
hasta los 70 mA. Estas pruebas fueron realizadas con 2
baterías AA de NiMH de 2400 mAh, soportando alrededor
de 72 horas de explotación, por lo que actualmente se está
rediseñando el equipo para ser alimentado con 2 baterías
AAA. De esta manera se disminuirá el peso y tamaño del
monitor.
Las pruebas de trasmisión se realizaron utilizando un
teléfono móvil Motorola V550, aunque el equipo está preparado para funcionar con cualquier teléfono móvil con
Bluetooth. La norma GSM garantiza una tasa de transferencia de 9600 baudios, que si bien no es un gran ancho de
banda permitió enviar la señal de los dos canales hacia el
ordenador sin registrarse pérdida alguna. Se está trabajando
actualmente para utilizar estándar GPRS para la trasmisión,
pues este garantiza un mayor ancho de banda que podría ser
utilizado para enviar más información al ordenador.
El algoritmo de detección de complejos QRS fue evaluado con 10 casos de 30 minutos de la base de datos de
MIT-BIH [2] y se detectaron el 99.01 % de los complejos.
El proceso de clasificación se probó con los mismos casos y
se clasifico correctamente el 98.34 % de los complejos
normales. Los algoritmos para discernir entre un latido
ventricular y uno supraventricular son extremadamente
complicados y consumen demasiado tiempo de procesamiento como para hacerlo en tiempo real con un microcontrolador. Los complejos tanto ventriculares como los no
ventriculares fueron utilizados para determinar cuando se
está en presencia de un latido prematuro. Por tanto al aumentar la frecuencia de latidos prematuros se puede decir
que el paciente está en riesgo y debe comenzarse una trasmisión de información al ordenador.
3. CONCLUSIONES
Este trabajo concluyó con la puesta en marcha de un
monitor cardiaco, con muy buena relación costo beneficio.
Este tipo de equipo permite elevar la calidad de vida de
pacientes con un estado de salud estable pero con la posibilidad de que se deteriore su condición cardiaca; al permitirle
realizar una vida normal fuera de un centro hospitalario.
ISBN 978-959-212-236-9 (c) Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo T036
VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería
Habana 2007
La trasmisión de información fluyó satisfactoriamente
permitiendo recibir en el ordenador una señal libre de ruidos
y sin perdidas de información.
La detección de complejos QRS se basó en reglas muy
sencillas para hacer posible su implementación en tiempo
real sobre un microcontrolador.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
D. Konstantas, R.Herzog, “Continuous monitoring of vital constants
for mobile users: the MobiHealth approach”, EMBC 2003, pp 37283731.
Bluetooth Special Interest Group, http://www.bluetooth.org
G.B. Moody, “ECG Database Applications Guide”, 1992.
Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth Generic Access Profile
Specification.
ISBN 978-959-212-236-9 (c) Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo T036