UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRESFACULTAD DE INGENIERIAINGENIERIA ELECTRONICA

DETERMINACION DE LA FRECUENCIA

CARDIACA MEDIANTE PROCESAMIENTO

DIGITAL DE SENALES DE

ELECTROCARDIOGRAMA

PROYECTO

ESTUDIANTE: Jose Eduardo Laruta EspejoMATERIA: Proyecto II - ETN 640

17 de septiembre de 2012

Indice

1. Antecedentes 2

2. Planteamiento del Problema 2

3. Objetivos 33.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.2. Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

4. Justificacion 3

5. Alcances y Limites 45.1. Alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45.2. Lımites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

6. Marco Teorico 46.1. Senales Electrocardiograficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

6.1.1. Actividad electrica del corazon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56.2. Caracterizacion de la senal electrocardiografica . . . . . . . . . . . . . . . . 6

6.2.1. Caracterizacion temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66.3. Enfermedades Cardiovasculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

6.3.1. Arritmias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.3.2. Taquiarritmias supraventriculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86.3.3. Taquicardias auriculares irregulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96.3.4. Bradiarritmias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106.3.5. Taquiarritmias ventriculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

6.4. Muerte Subita Cardiaca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126.5. Procesamiento digital de senales electrocardiograficas . . . . . . . . . . . . 13

6.5.1. Obtencion y Digitalizacion de las Biosenales . . . . . . . . . . . . . 136.5.2. Filtros digitales y su importancia en el estudio del ECG . . . . . . . 146.5.3. Algoritmo Electrocardiografico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

7. Marco Practico 167.1. Obtencion de las senales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

7.1.1. Senal de prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167.1.2. Filtrado de la senal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167.1.3. Obtencion de los complejos QRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

7.2. Pruebas diversas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207.3. Algoritmo de procesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

8. Conclusiones 24

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Determinacion de la Frecuencia CardiacaMediante Procesamiento Digital de Senales

de Electrocardiograma

10 de diciembre de 2012

Resumen

El presente trabajo explorar algunas alternativas de analisis de las senales electri-cas del corazon para detectar la frecuencia cardiaca y ası brindar ciertas referenciaspara un diagnostico medico de posibles arritimias cardiacas, se contara para ellocon una base sobre electrofisiologıa cardiaca, adquisicion y procesamiento digitalde senales. El objetivo del proyecto es presentar diversos algoritmos para extraercaracterısticas utiles diagnostico de distintas enfermedades cardiacas por parte deun especialista.

1. Antecedentes

El tratamiento de las senales provenientes del cuerpo humano es un tema ampliamentetratado por muchos campos de la ingenierıa, de un tiempo a esta parte, se desarrollaronmuchas herramientas que colaboran con el trabajo de un medico especialista o en casosparticulares son capaces de remplazarlos. Varias referencias acerca del estudio de arritmiascardiacas mediante el analisis de senales ECG se pueden observar en [1] o en distintospapers que tratan sobre la extraccion de caracterısticas de un ECG con diversos metodosen especıfico, como se trata en [2] o tambien mas ampliamente en [3].

Pese a que es un tema bien conocido, en el ambito nacional, se realizaron pocas inves-tigaciones.

2. Planteamiento del Problema

En la actualidad, las enfermedades cardiacas se diagnostican despues de un largotiempo de prueba y diversos tipos de analisis por parte de un especialista, el procesopor el cual debe pasar a veces es muy moroso y una demora en el diagnostico puede serdefinitiva para un paciente grave o imprescidible para prevencion y deteccion tempranade enfermedades cardiovasculares.

En virtud a solucionar este problema se invento el electrocardiograma que rapidamentese convitio en una herramienta muy util para todo cardiologo. Pero, pese a ese gran avance,los diagnosticos todavıa se pueden elaborar de manera mas rapida y eficaz.

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Es menester, brindar una herramienta, aprovechando los avances de la computacion ytratamiento de senales, que sea capaz de analizar las senales provenientes del electrocar-diografo y ofrecer un resultado previo, dando al especialista una base de conocimientossobre los cuales puede hacer su diagnostico de la mejor y mas rapida manera posible.

3. Objetivos

3.1. Objetivo General

Estudiar, probar y comparar diversos algoritmos de procesamiento digital de senalespara determinar la frecuencia cardiaca de un paciente mediante un Electrocardiograma.

3.2. Objetivos Especıficos

Estudiar topicos fundamentales acerca de procesamiento digital de senales y filtrosdigitales.

Estudiar conceptos fundamentales acerca de cardiologıa y diagnositico de electro-cardiogramas.

Elaborar algoritmos para la extraccion de caracterısticas de un electrocardiograma.

Probar cada algoritmo planteado mediante un software de simulacion con distintassenales de ECG.

Desarrollar mejoras y ajustes al diseno final para un mejor desempeno o aplicacionesfuturas.

4. Justificacion

Tomando en cuenta que el desarrollo de casi todos los campos de la ciencia se basa ensistemas computacionales y de software, podemos decir que el estudio a fondo de estoses imperativo en la formacion del ingeniero electronico actual. Estos sistemas facilitan lastareas en gran medida ayudando al profesional a desempenar su rol de la mejor maneraposible.

La medicina no esta al margen de este desarrollo y, ciertamente es uno de los camposque mas aprovecha los avances en sistemas electronicos y computacionales, automatizandoo delegando tareas a una computadora y disminuyendo el tiempo del tratamiento demuchos datos.

Si bien las caracterısticas de cada cuerpo humano son unicas, existen ciertos patronesque definen a una persona “normal” los cuales se pueden almacenar en bancos de datosy analizar posteriormente de forma estadıstica, o bien en tiempo real. Es justamente enesta area en la que la computacion mas beneficia a otras ciencias y la medicina no puedeser la excepcion.

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5. Alcances y Limites

5.1. Alcances

Estudio teorico de fundamentos de tratamiento digital de senales.

Estudio de conceptos teoricos sobre electrofisiologıa cardiaca.

Busqueda de algoritmos y metodos computacionales para el tratamiento de un con-junto de datos provenientes de un ECG.

Prueba y analisis mediante un software de simulacion cotejando la informacion conotros estudios acordes.

Realizacion de modificaciones y mejoras segun un analisis previo.

5.2. Lımites

Estudiaremos fundamentos de captura de senales analogicas, adecuamiento de senales,filtrado y su tratamiento digital, programacion, cardiologıa, electrocardiografıa y en-fermedades cardiacas.

El estudio abarcara conceptos basicos utiles para la investigacion y no sera detalladoen la parte fisiologica.

Los algoritmos buscados estaran enmarcados en el estudio teorico previo sobretratamiento digital de senales.

Las senales a tratar seran obtenidas de bases de datos gratuitas disponibles eninternet.

Las modificaciones y mejoras se centraran en la busqueda de un mejor rendimientode las soluciones planteadas.

6. Marco Teorico

6.1. Senales Electrocardiograficas

La senal electrocardiografica describe la actividad electrica del corazon registrada atraves de una colocacion de una serie de electrodos sobre la superficie del cuerpo. El ECGresulta una prueba no unvasica, sencilla y de bajo coste mediante la cual puede extraerseinformacion acerca de la condicion del corazon. Dadas sus caracterısticas, el ECG se haconvertido en una de las herramientas mas utilizadas para el diagnosito clınic.

Dependiendo del tipo de informacion que desee extraerse del ECG, se elige un tipo uotro de registri. Ası, si solo desea estudiarse el ritmo cardiaco, bastara con utilizar unospocos electrodos. Si se desea obtener, ademas, informacion acerca de la morfologıa delas distintas ondas caracterısticas del ECG, suelen emplearse 10 electrodos. Con ello, esposible determinar, por ejemplo, si existen partes del musculo cardiaco que se encuentran

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danadas, si el flujo sanguineo es irregular o si los patrones de actividad electrica presentananomalıs que pueden predisponer al paciente a sufrir arritmias.

El procesado de senales biomedicas juega un papel fundamental en el desarrollo detecnicas que permiten extraer la informacion clınica relevante de la senal de interes apartir de un analisis automatizado de la mista. En cualquier caso, debe ser el medicoelque, apoyandose en los resultados, tome la decision final con respecto al diagnostico delpaciente.

6.1.1. Actividad electrica del corazon

El corazon es un organo muscular cuya funcion es bombear sangre al resto del cuer-po. Esta devidido en dos partes, izquierda y derecha, las cuales contienen a su vez doscavidades: la cavidad superior es de menor tamano y se denomina aurıcula, mientras quela inferior, mas grande, se denomina ventrıculo. en la figura (1) pueden observarse estascavidades. La pared muscular del corazon se denomina miocardio y en el pueden encon-trarse mayoritariamente celulas destinadas a realizar un trabajo mecanico, pero tambienun conjunto de celulas especializadas que forman entre sı el sistema de conduccion quepermite que el impulso electrico se propague por todo el corazon. Cada vez que el impulsorecorre el sistema de conduccion completo se genera un ciclo cardiaco.

La propiedad de exitabilidad electrica de la scelulas del miocardio da lugar a que segenere un flujo de iones a traves de su membrana que produce un potencial electrico vari-able entre el interior u el exterior de la celula, conocido como potencial de accion. Trasna excitacion, se produce la contraccion mecanica. Cuando una celula se excita electrica-mente, el impulso se propaga rapidamente a las celulas contiguas, alcanzando a todo elorgano. Durante la excitacion, la membrana celular cambia de polaridad (depolarizacion)ym tras un tiempo en este estado, las corrientes de iones vuelven a fluir para hacer que lacelula recupere su estado original (repolarizacion). Estas dos fases, en terminos electricosse denominan depolarizacion y repolarizacion, se corresponden en terminos mecanicos conlas fases de contraccion y relajacion, respectivamente.

El inicio del ciclo cardiaco tiene lugar en un grupo de celulas situadas en la partesuperiro de la aurıcula derechar que colectivamente se conocen como nodo seno-auricular(SA). El nodo SA actua como el marcapasos natural del corazon, pues tiene la propiedad deautomaticidad. Desde el nodo SA el impulso pasas a las aurıculas, activandolas. Despuesel impulso llega al nodo aurıculo-ventricular (AV), donde es retardado para dar tiempo aque la sangre pase de las aurıculas a los ventrıculos antes que se cierren las valvulas. Elnodo AV transmite el impulso por las ramas del haz de His gasta que dicho estımulo llegaa los ventrıculos y provoca la contraccion de estos.

La propagacion de la actividad electrica genera dipolos electricos vairiables en lascelulas del miocardio, dando lugar a los correspondientes potenciales de accion. La sumade todos estos potenciales de accion, que se encuentran desfasados en tiempo y espacio,segun el momento en que se activa cada una de las celulas del miocardio, originan uncampo electrico variable en la superfice del cuerpo.

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Figura 1: Seccion del corazon y sistema de conduccion electrica

6.2. Caracterizacion de la senal electrocardiografica

6.2.1. Caracterizacion temporal

Puesto que la senal ECG describe la actividad del corazon en el tiempo, presenta unpatron caracterıstico que va repitiendose con la generacion de cada nuevo ciclo o latidocardiaco. Pueden distinguirse en cada latido cardiaco las siguientes ondas caracterısti-cas: P, Q, R, S y T, que aparecen temporalmente en el orden indicado, tal como puedeapreciarse en la figura (3). A continuacion se describen brevemente estas ondas:

La onda P proviene de la depolarizacion de las aurıculas. Suele ser Positiva y deamplitud inferior a las demas ondas.

Las ondas Q, R y S forman el complejo QRS, que refleja la depolarizacion de losventrıculos. La repolarizacion de las aurıculas sucede al mismo tiempo, pero, dadoque la masa muscular es mucho menor que la de los ventrıculos, no puede apreciersesu manifestacion en el ECG. Aunque siempre se le denomina complejo QRS, puedeser que alguna de estas ondas no este presente o exista alguna onda adicional.

La onda T representa la repolarizacion de los ventrıculos. a diferencia de la onda Py del complejo QRS, la posicion y duracion de T son altamente dependientes delritmo cardiaco.

Ademas de las ondas descritas, pueden observarse tambien una serie de intervaloscaracterısticos dentro de cada latido o entre latidos consecutivos. Estos se presentan enla figura (??) y se detallan a continuacion:

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Figura 2: Potenciales de accion de distintas regiones del corazon

Figura 3: Senal caracterıstica de un ECG

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El intervalo PR se extiende desde el inicio de la onda P hasta el inicio del complejoQRS e indica el tiempo de propagacion del impluso electrico desde el nodo SA hastalos ventrıculos.

El intervalo QT representa el tiempo desde que comienza la depolarizacion de losventrıculos hasta que se completa la repolarizacion de los mismos. Este intervalovarıa muy sistancialmente con el ritmo cardiaco.

el intervalo QRS mide la duracion del complejo QRS e indica el tiempo total de ladepolarizacion de los ventrıculos.

El intervalo RR es la distancia entre ondas R de latidos consecutivos. La determi-nacion de este intervalo es la base para evaluar el ritmo cardiaco.

El segmento ST representa el intervalo durante el cual los ventrıculos permanecendepolarizados.

6.3. Enfermedades Cardiovasculares

Las enfermedades cardiovasculares representan la primera causa de muerte y de en-fermedad en todos los paıses industrializados. En pasıses en vias de desarrollo, las enfer-medades infecciosas son el principal factor de mortalidad, pero se calcula que para el ano2015 estas ya habran sido superadas por los transtornos cardiovasculares. Los expertossufieren que estos hechos son un reflejo del cambio en los habitos de vida: dieta poco equi-librada, falta de actividad fısica y consumo de tabaco entre otros. En Estados Unidos,uno de los paıses donde la prevalencia de la enfermedad es mayor, las ultimas estadısticaspublicadas por la American Heart Association [?] hablan de 80 millones de americanosafectaos por problemas cardiovasculares, de los cuales mas de dos tercios son menores de65 anos. en terminos de mortalidad, esto conlleva que cada ano se certifiquen en USA1.400.000 fallecimientos por causa cardiovascular, lo que equivale a una muerte cada 23segundos.

6.3.1. Arritmias

Un trastorno del ritmo cardıaco o arritmia cardıaca, es una alteracion de la frecuenciacardıaca, tanto porque se acelere, disminuya o se torne irregular, que ocurre cuando sepresentan anomalıas en el sistema de conduccion electrica del corazon. Las bradiarritmiaso trastornos lentos del ritmo cardıaco, resultan de la produccion inadecuada de impulsosprovenientes del nodo sinusal o de un bloqueo de la propagacion del impulso y por logeneral no son de preocupacion clınica a menos que causen perdida de la conciencia. Las((taquiarritmias)) o trastornos acelerados del ritmo cardıaco, de origen auricular por logeneral permiten un gasto cardıaco adecuado y son menos peligrosas que las arritmiasventriculares sostenidas, las cuales suelen producir colapso o muerte.

6.3.2. Taquiarritmias supraventriculares

Las arritmias cardıacas de velocidad rapida pueden ser clasificadas en dos subcate-gorıas, aquellas que producen un ritmo cardıaco anormal y aquellos que producen un

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ritmo irregular. En general, las taquiarritmias supraventriculares no interfieren con laconduccion inter o intraventricular del impulso cardıaco y, por lo tanto, el complejo QRS,que es generado por los ventrıculos, permanecen angostos. En ocasiones, las arritmiasauriculares causan conducciones ventriculares aberrantes con un complejo QRS ancho, elcual pueden simular una arritmia de origen ventricular.

Taquicardia sinusal. La taquicardia sinusal representa un evento fisiologico comotambien puede ser un trastorno patologico caracterizado por un aumento del ritmosinusal (mayor de 100 latidos por minuto) y suele ser consecuencia de algun otrotrastorno de base. Por lo general, se suele tratar el problema que causa la taquicardia,aunque no la taquicardia en sı. Sin embargo, en algunos pacientes, tal como los quetienen una enfermedad coronaria, la taquicardia sinusal debe ser controlada paraprevenir una isquemia cardıaca. En tal sentido, los agentes beta bloqueantes o losantagonistas de los canales de calcio como el verapamilo o el diltiazem, pueden sereficaces en controlar la frecuencia cardıaca.

Taquicardia auricular paroxıstica. Tal como su nombre lo implica, es una arrit-mia de aparicion subita. El trastorno con frecuencia aparece en pacientes con latidoscardıacos normales y se caracteriza por una frecuencia cardıaca entre 150 y 250 lati-dos por minuto. El electrocardiograma muestra ausencia de ondas P por estar estascubiertas por el complejo QRS o por la onda T. El tratamiento debe ocurrir enun ambiente no ruidoso y el paciente en una postura comoda para reducir la posi-bilidad de una descarga simpatica. En vista de que la mayorıa de los episodios detaquicardia auricular paroxıstica son causa de reentrada electrica alrededor del nodoauriculoventricular, el tratamiento se enfoca en aumentar el tono vagal. Las man-iobras mecanicas como el masaje carotıdeo y la maniobra de Valsalva se usan confrecuencia para terminar la arritmia. La terapia medica incluye la administracionintravenosa de verapamilo, esmolol, digoxina o adenosina.

Flutter auricular con conduccion constante. Por lo general el aleteo auricu-lar de conduccion constante ocurre en pacientes con antecedentes de enfermedadcardıaca, incluyendo enfermedad coronaria, pericarditis, enfermedad valvular y car-diomiopatıa. El fluter auricular se caracteriza por un ritmo auricular de 240 a 400por minuto y suele ser conducido al ventrıculo con un bloqueo de tal manera queel ritmo ventricular es una fraccion de la auricular. El ECG produce un patronclasico en “sierra dentada”. Aun cuando la terapia intravenosa con digoxina, es-molol o verapamilo suele ser efectiva en la conversion del ritmo a la normalidad, talconversion ocurre con menos frecuencia que con una taquicardia paroxıstica. Estosmedicamentos pueden lograr una disminucion de la taquicardia ventricular, despuesde lo cual se administra otros medicamentos como antiarrıtmicos como la quinidinapara restaurar el ritmo sinusal.

6.3.3. Taquicardias auriculares irregulares

Fibrilacion auricular. La fibrilacion auricular (FA) es una arritmia en la que nohay una secuencia de contracciones de la aurıcula, sino multiples orıgenes de de-spolarizacion descontrolada que envıan un gran numero de impulsos erraticos en

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direccion del nodo auriculoventricular (AV). Los impulsos irregulares producen unarespuesta ventricular irregulares, en la que la frecuencia cardıaca dependera delnumero de impulsos que logran ser conducidos a traves del nodulo AV. Las causasde una fibrilacion auricular son numerosas, incluyendo estres, fiebre, ingesta exce-siva de licor, hipovolemia, pericarditis, infarto agudo de miocardio, tirotoxicosis ytromboembolismo pulmonar. Si el paciente con FA se encuentra hemodinamicamenteinestable, aparece angina de pecho o empeora una preexistente insuficiencia cardıacase indica la cardioversion inmediata. Si el paciente esta estable, el enfoque se centraen controlar la respuesta ventricular mientras se trata al mismo tiempo la causa dela FA. Los medicamentos mas usados son la digoxina, verapamilo, diltiazem y elesmolol. Una vez que se normaliza la respuesta ventricular, la cardioversion puedeocurrir de manera espontanea o bien puede lograrse con la administracion de quini-dina o por cardioversion por corriente directa. Si los medicamentos no son efectivos,el fluter auricular mejora sola al pasar el tiempo o bien pueden convertirse en unafibrilacion auricular.

Taquicardia auricular multifocal. En este tipo de arritmia, la contraccion au-ricular es sincronizada, pero la contraccion es estimulada por diferentes orıgeneselectricos en la aurıcula y no del nodulo sinusal. En la mayorıa de los casos elpaciente tiene un antecedente de enfermedad pulmonar severa. El ECG muestrasondas P de diversas configuraciones producto de los multiples orıgenes de impulsosy los intervalos R-R tambien suelen ser de diferentes amplitudes. El tratamientode la taquicardia auricular multifocal se dirige principalmente a mejorar la oxige-nacion del individuo, mejorando la ventilacion y la mecanica respiratoria. De fallar,se emplean medicamentos como el verapamilo para mejorar la frecuencia cardıaca.

Flutter auricular de conduccion irregular. Si el FA se produce por conduccionde un bloqueo variante, el ritmo resultara ser irregular. Este tipo de arritmia setrata de la misma manera que un flutter con un bloqueo constante.

6.3.4. Bradiarritmias

Los trastornos lentos de la conduccion ocurren cuando la generacion del impulso a niveldel nodulo sinusal es retardado o cuando los impulsos normales no logran ser conducidosa los ventrıculos por trastornos de la conduccion, que suelen llamarse tambien “bloqueoscardıacos” y pueden producirse a nivel de cualquiera de las estructuras mencionadas alprincipio. Evidentemente, un bloqueo a nivel del nodulo sinoauricular es extremadamentegrave, ya que impide que el impulso electrico generado en el nodulo sinusal estimulela contraccion de los ventrıculos y, por consiguiente, el bombeo de sangre al resto delorganismo. El bloqueo a nivel de las ramas del haz de His, no suele tener consecuenciasgraves. Por lo general las bradiarritmias solo llegan a ser de preocupacion cuando causansıntomas, principalmente desmayo por una reduccion en el gasto cardıaco producido poruna frecuencia cardıaca lenta.

Bradicardia sinusal. La bradicardia sinusal puede ser un fenomeno normal enrespuesta a un acondicionamiento cardiovascular como en el caso de ciertos atletas.En tales casos la arritmia es un hallazgo fisiologico y no requiere tratamiento. Sin

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embargo, en la bradicardia sinusal extrema (¡35 lpm) por disfuncion del nodulosinusal puede llegar a ser problematico para la salud del sujeto. El tratamiento sueleser a base de atropina para aumentar la frecuencia cardıaca. La terapia definitivapara las bradicardias sintomaticas es la implantacion de un marcapasos cardıaco.

Pausa sinusal. Las pausas en un ritmo cardıaco sinusal es una arritmia causadapor incapacidad del nodo sinusal para generar un impulso a tiempo. Tales pausassuelen durar por varios segundos y pueden causar que el paciente se desmaye. Eltratamiento definitivo es la implantacion de un marcapasos.

Bloqueo AV. Un bloqueo auriculoventricular se caracteriza por una falla en laconduccion de todos los impulsos generados por el nodo auricular, de manera queno son todas conducidas a los ventrıculos.

Bloqueo AV de 2o grado tipo Mobitz I En el bloqueo AV tipo Mobitz I (mecanismode Wenckeback), hay una prolongacion progresiva en el intervalo P-R hasta que laonda P generada no se conduce a los ventrıculos. Por lo general ocurre a nivel delnodulo AV y muy rara vez produce sintomatologıa.

Bloqueo AV de 2o grado tipo Mobitz II. En el bloqueo AV tipo Mobitz II,no hay propagacion del intervalo P-R previo a la ausencia del latido. A menudola conduccion tiene una tasa de 2 auriculares por cada ventricular. Este tipo debloqueo puede ocurrir a nivel del nodulo AV o del sistema de fibras His-Purkinje.

Bloqueo total. En un bloqueo cardıaco total, no hay impulsos conducidos y lafrecuencia ventricular depende solo de despolarizaciones ventriculares espontaneas.En este tipo de bloqueo se suele ver una caracterıstica frecuencia cardıaca de 25-40lpm. La atropina y el isoproterenol son los medicamentos que se suelen indicar paratemporalmente aumentar la respuesta ventricular. De fallar con estos medicamentos,se indica el marcapasos trascutaneo o un marcapasos permanente.

6.3.5. Taquiarritmias ventriculares

Contraccion ventricular prematura. Una extrasıstole es una contraccion ven-tricular prematura (CVP), la despolarizacion ocurre en los ventrıculos sin pasar porel sistema His-Purkinje, de manera que el ECG muestra una configuracion QRSamplia e irregular. Por lo general no se afecta la despolarizacion de los ventrıculos,la cual procede de manera normal y en disociacion con la extrasıstole. De maneraque el siguiente latido ocurre al mismo tiempo que hubiera ocurrido de no haber lapresencia de una CVP. De manera que una extrasıstole se acompana de una pausacompensatoria. La onda P se esconde detras del complejo QRS erratico. La mayorıade las extrasıstoles son benignas y no suelen ser tratadas medicamente.

Taquicardia ventricular. Este es un ritmo irregular que ocurre de manera paroxısti-ca y excede los 120 lpm. Durante la taquicardia ventricular se disrrumpe la relajacioncardıaca, por lo que, conjuntamente con un asincronıa del nodo AV y la falta de co-ordinacion del sistema His-Purkinje, conlleva a una reduccion importante del gastocardıaco e hipotension arterial. La taquicardia ventricular sostenida suele ser una

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arritmia que compromete la vida del paciente porque puede degenerar y produciruna fibrilacion ventricular fatal. El complejo QRS suele ser amplio en la taquicardiaventricular y a menudo tiene una forma irregular porque la arritmia no usa el sistemade conduccion cardıaco regular. En vista de que los ventrıculos operan independien-temente de las aurıculas, no se aprecia una relacion constante entre la onda P y elcomplejo QRS. Dicho complejo QRS puede tener una sola forma (ser monomorfico)o tener varias formas a lo largo del trazo del ECG (ser polimorfico). Cuando se asociaa un intervalo Q-T prolongado se denomina ((torsades de pointes)). El tratamientosuele requerir la cardioversion de manera urgente, por lo general precedido de laadministracion de lidocaına, bretilio o procainamida.

Fibrilacion ventricular. La fibrilacion ventricular (FV) es una emergencia medicacaracterizada por un descontrol en la contraccion de los ventrıculos, por lo tanto,no se produce un gasto cardıaco efectivo. La fibrilacion ventricular es una forma deparada cardıaca que conlleva a la muerte inminente del sujeto a menos que se logrerestablecer de inmediato un ritmo cardıaco efectivo. La reanimacion cardiopulmonaresta indicada en todo sujeto con FV, incluyendo la respiracion mecanica, compresioncardıaca y tratamiento con farmacos y electrico.

6.4. Muerte Subita Cardiaca

Una parte importante de las muertes cardiovasculares tienen origen cardiaco y de entreellas mas de la mitad ocurren de forma inesperada cuando el corazon repentinamente dejade funcionar (paro cardiaco). En algunos casos pueden presentarse sıntomas como palpita-ciones, fatiga omareo en los minutos previos al colapso, pero en otras muchas ocasionesno hay ningun indicador de lo que va a ocurrir. La muerte subita cardiaca (MSC), que escomo se denomina a este tipo de desenlaces fatales, se define como una muerte naturalatribuible a causas cardiacas que va precedida por una perdida subita de consciencia yocurre en un plazo maximo de una hora desde que se produjo dicha perdida. Tambiense incluyen en la definicion de MSC muertes no testimoniadas que ocurren insospechada-mente a personas que fueron vistas en condiciones medicas estables en las 24 horas previasy no hay evidencia de causas extra cardiacas que llevaran a su fallecimiento. El fenomenocausante de la MSC es un malfuncionamiento del sistema electrico del corazon que haceque el ritmo cardiaco se vuelva irregular. Estos transtornos del ritmo, llamados arritmias,afectan a la capacidad del corazon para boombear sangre y hacerla llegar al cerebro y alresto del cuerpo. Si el flujo de sangre al cerebro se ve reducido drasticamente durante unosminutos, se producira la muerte cerebral, manifestada a traves de la perdida de conscien-cia, que posteriormente desembocara en MSC. Por ello, es importante actuar con rapidez,ya que cada minuto que pasa se reducen en un 10 % las posibilidades de supervivencia.el tratamiento de emergencia incluye la reaminacion cardiopulmonar, que permite que lasangre oxigenada circule y llegue a los distintos organos, entre ellos el cerebro. Esta rean-imacion mantiene a la persona con vida hasta que puede tratarsela con un desfibriladorautomatico externo, el cual aplica una descarga electrica sobre el corazon mediante la quese restablece un ritmo cardiaco efectivo.

La MSC puede afectar a cualquier persona con independencia de su edad, sexo oestado fısico, si bien es cierto que hay algunos factores que predisponen a padecerla. En

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concreto, se encontro que un 80 % de las vıctimas de MSC presentaban dos o mas de susarterias coronarias principales obstruidas debido a la formacion de placas de ateroma, unfenomeno conocido como isquemia.

6.5. Procesamiento digital de senales electrocardiograficas

6.5.1. Obtencion y Digitalizacion de las Biosenales

Las biosenales suelen ser muy pequenas, contienen ruido innecesario y pueden estarenmascaradas por otras biosenales de diferentes fenomenos biologicos. Con el objetivo deextraer la informacion de una biosenal para que se pueda usar en un sistema en particular,comunmente son utilizados sofisticados equipos y tecnicas de adquisicion de datos, es desuma importancia que la biosenal original se preserve a lo largo del procedimiento deobtencion de datos.

El procedimiento a seguir generalmente es el siguiente:El primer paso es detectar la presencia de las biosenales en una celula o a traves de la

piel con la ayuda de un sensor.El sensor convierte la medicion fısica en una salida electrica, generando ası un puente

de informacion entre el sistema biologico y el instrumento de registro electronico. Esimportante elegir el sensor adecuado para que este no afecte las caracterısticas de labiosenal.

Una vez detectada la biosenal con la ayuda del sensor, generalmente es amplificada yfiltrada, ya que las biosenales suelen ser de muy bajo potencial, por el orden de los microvoltios (uV), la amplificacion permite ajustar la senal a las especificaciones del hardwareque se use, y el proceso de filtrado elimina el ruido propio de la biosenal y/o el generadodurante el proceso de censado y amplificacion.

La biosenal amplificada y filtrada es una senal continua que ingresa a un convertidosA/D (Analogo Digital) que cambia esta senal analogica continua en una senal digitaldiscreta.

La senal discreta contiene una secuencia de numeros que puede ser facilmente alma-cenada y procesada en un ordenador.

En este proceso podemos apreciar que el desarrollo de esta tecnologıa se enfoca enla obtencion de biosenales confiables y mejoramiento de la capacidad de procesos de losordenadores.

Figura 4: Esquema generico del proceso de una senal biologica

En la figura (5) se ve el proceso desde la generacion de la biosenal en el cuerpo del

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paciente, la informacion es entregada en forma de senales electricas por parte del transduc-tor (diversos sensores), esta senal analogica antes de pasar a la tarjeta de conversion A/Ddebe ser llevada a la forma apropiada, esto significa cambiar la senal analogica al nivelde voltaje requerido, eliminar las senales indeseables y limitar el espectro de interferenciadel sensor. La senal de salida digital se almacena o procesa.

Todo el procedimiento anterior lo realiza un circuito electronico, se lo puede representarcomo la siguiente figura.

Figura 5: Esquema simplificado del proceso de una biosenal

El operador H representa el proceso que se propuso anteriormente, teniendo solo unabiosenal de entrada y un codigo digital a la salida.

6.5.2. Filtros digitales y su importancia en el estudio del ECG

En el contexto de las series de tiempo y el manejo de la informacion que estas con-tienen, filtrar significa separar o clasificar dicha informacion de acuerdo con algun criteriopreestablecido utilizando algun metodo y/o tecnologıa. Una vez la informacion ha sidoseparada, una parte se puede considerar contaminacion, lo que implicarıa que la infom-racion restante es una informacion mejorada [?]. Sin embargo, cuando no conocemos apriori la naturaleza exacta de la informacion, sino por el contrario, estamos buscandoque clase de informacion pueda se util para determinado proposito, todas las partes de laserie de tiempo separados por un proceso de filtrado son potencialmente utiles. Este esun problema fundamental que no tiene una solucıon definitiva y posiblemente no lleguea tenerla; depende del objetivo especıfico y de las caracterısticas de la serie de tiempoutilizada. En el analisis del ECG como serie de tiempo, la informacion util es toda aquellaque ayude a identificar, diferencia o medir deficiencias cardiacas y eventualmente ayudar aentender los procesos fisiologicos involucrados. En sistemas tan complejos como la activi-dad cardiaca donde intervienen muchos fenomenos relacionados de formas muy diferentes,interdependientes y tambien dependientes de factores externos, no es posible, ni se debepretender establecer estandares rıgidos, sin embargo sı se puede pensar en la identificaciony caracterizacion de ciertas cualidades que permiten construis criterios de “calidad”, de“eficiencia” y de “buen funcionamiento”. Los metodos y conceptos mencionados que estansiendo desarrollados tanto fundamentalmente como en sus aplicaciones, tienen la estruc-tura conceptual que permite establecer esta clase de criterios en formas autoconsistentese independientes de medidas absolutas. Para tal progreso son necesarios grandes esfuerzosde investigacion que dependen fundamentalmente de la existencia de bases de datos muybien construidas, documentadas y disenadas para propositos bien definidos.

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Digitalizar una serie de tiempo significa filtrar lo que pueda generar posibles efectosindeseables sobre la informacion contenida en la serie de tiempo digitalziada. Para el es-tudio de una serie de tiempo, generalmente es necesario aplicar ciertos filtros preliminaresque eliminen o reduzcan contaminaciones conocidas. En particular, para estudiar un ECGse deben filtrar las frecuencuas de 60 a 60 Hz (que corresponden a las frecuencias de la redelectrica) y frecuencias que corresponden a senales electromiograficas, a radiofrecuenciasy otros fenomenos externos.

6.5.3. Algoritmo Electrocardiografico

A continuacion se presenta un algoritmo de los procesos que sigue un electrocardiografopara obtener el ECG

Figura 6: Algoritmo de proceso de senal de ECG

Este algoritmo muestra con mas detalle el procesamiento de la senal en el electrocar-

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diografo, para una implementacion solo quedarıa transferir el algoritmo a un diagrama debloques y hacerlo tan sencillo o complicado como el disenador lo quiera.

7. Marco Practico

7.1. Obtencion de las senales

Para el presente trabajo, se ha utilizado la base de datos de ECG del Intituto Tec-nologico de Massachusets (MIT), una base de datos mundialmente conocida y de facilacceso donde podemos encontrar facilmente muchos registros de distintos casos clınicosde enfermedades cardiovasculares. Esta informacion se descargo en formato .mat comouna matriz de base de datos que se puede incluir en el software MATLAB.

Figura 7: Pagina principal de Physionet

7.1.1. Senal de prueba

Utilizaremos una sola senal extraida de la MIT Arrithmia database el registro 150:

7.1.2. Filtrado de la senal

Primero procedemos a suavizar la senal y normalizar su amplitud para que el tratamien-to sea mucho mas sencillo:

Luego de este paso aplicamos un filtro pasa-altos con una frecuencia de corte de 0.5Hz para eliminar la componente de la respiracion que anade algo de ruido y desigualdaden la senal:

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Figura 8: Pagina para descargar los datos

Figura 9: Senal obtenida de la base de datos de arritmias del MIT-BIH

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Figura 10: Senal suavizada y normalizada

Figura 11: Senal filtrada

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7.1.3. Obtencion de los complejos QRS

una vez la senal lista despues del suavizado, filtrado y normalizado, procedemos adesarrollar un algoritmo para detectar los complejos QRS que de alguna manera nosayudaran a determinar la frecuencia cardiaca. En primer lugar hallaremos la energıade la senal elevandola al cuadrado, luego de aquello, la derivaremos y obtendremos suacumulado y al final, mediante un sencillo algoritmo detectaremos los intervalos QRSpara poder contarlos en determinados intervalos de tiempo y asi lograr el dato de lafrecuencia cardiaca.

Figura 12: Senal de energia

Figura 13: Senales derivadas

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Figura 14: Deteccion de complejos QRS

Con lo que el procesado de la senal ha llegado a su fin, pudimos ver como se llego deuna senal desfasada en el espacio a una grafica de deteccion de intervalos QRS para quemediante un simple conteo se pueda determinar el ritmo cardiaco, tal y como muestra elresultado que arroja MATLAB.

Figura 15: resultado en MATLAB

7.2. Pruebas diversas

Se procede ahora a evaluar el rendimiento del algoritmo utilizado para determinarla frecuencia cardiaca de otras senales de ECG extraidas tambien de la base de datosdel MIT. Esta base de datos resulta en una herramienta fundamental para el estudio deelectrocardiogramas y tambien el de los algoritmos de tratamiento de este tipo de senalesbiomedicas.

Se utilizaran senales que sean tanto de taquicardias como de bradicardias, lo quesignifica que analziaremos electrocardiogramas que tienen una baja frecuencia cardiaca,en el caso de las bradicardias y otras que tienen mas bien una frecuencia muy alta, como esel caso de las taquicardias, en todos los ejemplos solamente observaremos la senal originaly los complejos detectados junto con el calculo de la frecuencia.

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Figura 16: Frecuencia normal

Figura 17: Frecuencia normal

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Figura 18: Frecuencia alta (taquicardia)

7.3. Algoritmo de procesamiento

A continuacion incluiremos el archivo de codigo fuente que se utilizo en el programaMATLAB para obtener los resultados mostrados anteriormente:

c l o s e a l l ; c l c ; c l e a r a l l ;

ecg=(val ’ ) ;

t=l i n s p a c e ( 0 , 10 , 36 00 ) ;

subplot ( 2 1 1 ) ; p l o t ( t , ecg ) ; t i t l e ( ’ Se na l o r i g i n a l ’ ) ;

ecg=smooth ( ecg ) ;

ecg=ecg /max( ecg ) ;

y1= f i l t f i l t (SOS,G, ecg ) ;

ene rg i a=y1 . ˆ 2 ;

ecg=ene rg i a ;

[ tamano c o l ]= s i z e ( ecg ) ;

y=ecg ;

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y=smooth ( y ) ;

y1=d i f f ( y ) ;

y2=d i f f ( y1 ) ;

y=1.3∗y1 ( 1 : tamano−2)+ 1.1∗ y2 ;

th=abs (max( y ) ) ;

th=th /2 ;

c=0;

f o r i =1:1 : tamano−2

i f y ( i )>thqrs ( i )=1;c=c+1;i=i +15;

e l s eqrs ( i )=0;

endend

subplot (212)

p l o t ( qrs ) ; a x i s ( [ 0 tamano−2 0 1 . 2 ] ) ;

t i t l e ( ’ qrs ’ ) ; x l a b e l ( ’ samples ’ ) ; y l a b e l ( ’ qrs ’ ) ;

t i t l e ( ’ Complejos QRS detectados ’ ) ;

index = f i n d ( d i f f ( s i gn ( d i f f ( [ 0 ; qr s ( : ) ; 0 ] ) ) ) < 0 ) ;

l i=length ( index ) ;

d i sp ( l i ) ;

Heart Rate =(( l i ) / 2 )∗6 ;

d i sp ( ’LATIDOS POR MINUTO= ’) ; d i sp ( Heart Rate ’ ) ;

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8. Conclusiones

Luego de estudiar varios aspectos referentes a la electrocardiogragıa cardiaca y sobretratamiento digital de senales, estudiar un algoritmo para el tratamiento de ECG enespecıfico y haber disenado un sistema que pueda hallar la frecuencia cardiaca, podemosconcluir que este trabajo logro complir con el objetivo principal que era el diseno de unalgoritmo para este fin.

Se han estudiado distintos metodos para llegar al mismo resultado, pero po convenien-cia se adopto una variacion de una diversidad de metodos propuestos en la bibliografıapor que el algoritmo presentado es sencillo de entender y de implementar.

Pudimos observar la importancia de tratar y extraer caracterısticas de las senales ECGpor cuanto esta informacion puede ser vital en el tratamiento de algunas enfermedades omales mortales como la muerte subita cardiaca.

La diversidad de arritmias tratadas en 6.3.1 nos motivan a seguir desarrollando sis-temas capaces de extraer y detectar caracterısticas de este tipo de senales, como la reg-ularidad de los complejos QRS y no solamente su aparicion como lo hace este algoritmopara poder diferenciar entre arritmias regulares e irregulares.

Con todo lo expuesto anteriormente esta claro el papel del procesamiento de senales yde la computacion en la medicina moderna, siendo una herramienta importantısima quecoadyuva a un mejor diagnostico de un experto ahorrando ası muchos recursos economi-cos y de tiempo de diagnostico, el desarrollo de este campo acortara cada vez mas losdiagnosticos medicos limitando tal vez, en un futuro, a maquinas que puedan decirnos sinuestra salud esta correcta, con el avance de la inteligencia artificial.

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Referencias

[1] E. Pueyo, “Deteccion de heterogeneidades en la depolarizacion y repolarizacion car-diacas a partir del electrocardiograma como mejora en la prediccion del riesgo frentea arritmias.” UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA.

[2] M. Pisarello - G. Kleisinger - J. Monzon,“Procesamiento Digital del ECG con Bancosde Filtros.”, Departamento de Ingenierıa Electrica - Facultad de Ciencias Exactas yNaturales y Agrimensura - UNNE..

[3] D. Sunohara - J. Toscano,“Deteccion de Parametros y Extraccion de Caracterısticasde Senales ECG Mediante Tecnicas de Procesamiento Digital de Senales”, UniversidadRicardo Palma.

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