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trabajo muy buenos de electrocardiografo
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Circuito SMT de adquisición de
señales de baja tensión y
transmisión GSM
Autor Mª del Mar ELENA PÉREZSOBRESALIENTE (10 p.)7 de ABRIL de 2000
Grupo de Investigación Grupo de Tecnología Electrónica. Reconocido por el Plan Andaluz de Investigación nº 7021.Responsable: Dr. D. Leopoldo García FranqueloDpto. de Ingeniería ElectrónicaEscuela Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla
Director del Proyecto Dr. D. José M. Quero ReboulCatedrático de Universidad
Tutor Dr. D. Sergio L. Toral MarínProfesor Asociado
Entidad Industrial Asociación para la Investigación y Cooperación de Andalucía. AICIAC/ Antonio Cortés Lladó, 6. 41004- SEVILLA
Financiación Instituto de Fomento Andaluz IFAGrupo Sanitario CARDIPLUS, S.L. B-41.630.393
Empresa Colaboración INABENSA (Grupo ABENGOA)
Circuito SMT de Adquisición de Señales de Baja Tensión y Tecnología SMT 1/15
Indice
1 Introducción................................................................................................................................... 22 El proyecto Industrial Cardiotest....................................................................................................43 Alcance del Proyecto...................................................................................................................... 64 Fases del Proyecto.......................................................................................................................... 85 Descripción hardware del sistema...................................................................................................9
5.1 Alimentación y dimensiones.................................................................................................105.2 Descripción de Interfaces......................................................................................................105.3 Adquisición de Señales......................................................................................................... 105.4 Reproducción de Señales......................................................................................................10
6 Descripción software del Funcionamiento....................................................................................116.1 Modo REC............................................................................................................................ 116.2 Modo PLAY......................................................................................................................... 12
7 Protocolo de Descarga y Transferencia.........................................................................................138 Estado Actual............................................................................................................................... 149 Referencias, Publicaciones y Patentes...........................................................................................15
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1 Introducción
El creciente desarrollo seguido en los últimos años por la Electrónica de
Comunicaciones dentro de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC), ha
obligado a todos los sectores sociales y empresariales, a adaptar sus necesidades y servicios a la
evolución de las nuevas tecnologías.
La Medicina es uno de los campos de la sociedad abocados a una continua evolución y a
hacer suya todo avance tecnológico, precisamente por la importancia de su fin último: la
salvación de vidas humanas. Por ello en los últimos años, ha requerido de continuas búsquedas
de nuevos sistemas, para la mejora de un servicio sanitario de calidad y de total confianza en el
diagnóstico, que permita que especialistas de todas las áreas, y en especial de la
Cardiología[1], puedan utilizar los medios tecnológicos en beneficio de la salud pública.
La importancia que está tomando la Telemedicina y la Teleasistencia [2], como métodos
alternativos a los colapsos y a las largas listas de espera, producidos en la mayor parte de los
hospitales, ha llevado a los médicos a trasladar sus necesidades a otros campos más específicos,
como es la Ingeniería, para que bajo sus premisas y supervisión, se puedan aunar esfuerzos en
la búsqueda de un mejor sistema preventivo que potencie la comunicación ágil con el paciente.
El aumento del número de enfermos cardíacos, debido al estrés, el sedentarismo y los
hábitos alimenticios de nuestra sociedad [3], hacen necesaria la prevención de los problemas
cardiovasculares antes de que estos puedan llegar a producirse. Esta situación conlleva a una
lucha contrarreloj; en la mayoría de los casos dificultada por motivos geográficos o de
movilidad, que podrían reducirse gracias a inventos como el desarrollado a partir de este
proyecto.
El HOLTER CARDIOTEST PLUS [4], pretende dotar al paciente de una autonomía y
seguridad independientemente del momento y punto geográfico en el que se encuentre,
potenciado por el crecimiento del uso de los móviles y el ordenador, en todos los sectores de la
sociedad. Puesto que en la mayor parte de los casos los problemas de corazón son totalmente
aleatorios, la utilización de este Electrocardiógrafo de bolsillo, permite una continua
monitorización de los síntomas de un paciente desde cualquier lugar, así como un diagnóstico
precoz de posibles dolencias cardíacas, como arritmias o desfallecimientos por síncope ([5]-
[6]).
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2 El proyecto Industrial Cardiotest
Este apartado define las especificaciones funcionales del proyecto titulado “Circuito
SMT de adquisición de señales de baja tensión y transmisión GSM” que consiste en el
desarrollo de un circuito electrónico basado en un microprocesador para la generación de
electrocardiogramas (ECG) y su transmisión transtelefónica o enlace directo a ordenador. Este
proyecto se engloba un marco de colaboración entre la empresa adjudicataria
TELEASISTENCIA CARDIOTEST [7] y el INSTITUTO DE FOMENTO ANDALUZ (IFA)
de la JUNTA DE ANDALUCÍA, para el desarrollo de un sistema global de telediagnóstico
cardiovascular, que permite las siguientes funcionalidades:
o Diagnóstico remoto o no de posibles dolencias cardiacas tales como síncopes y
arritmias sintomáticas esporádicas.
o Captura instantánea de las señales de pulso del paciente mediante el sistema de 4
electrodos incorporados o de 3 electrodos externos.
o Modo de funcionamiento opcional HOLTER que permite la adquisición de señales
durante dos minutos antes y dos minutos después de la detección de arritmias menores
de 40 o mayores de 140 pulsaciones por minuto, que persistan un período de tiempo
superior a 7 segundos.
o HOLTER de monitorización continua de 24/48 horas.
o Transmisión on-line y off-line del electrocardiograma capturado por el médico o
paciente.
o Sistema de transmisión con compatibilidad GSM, sin necesidad del uso de un teléfono
móvil.
o Compatibilidad para la conexión con 12 derivaciones torácicas (o electrodos) que
permite medidas secuenciales de cada electrodo durante 10 segundos.
o Transmisión del ECG según las normas RS-232C e IrDA.
o Memoria ASA de novedosa aplicación con autonomía ilimitada.
o Dispositivo acústico y luminoso de aviso.
o Sistema de ampliación de la señal de calidad superior y reducción a un sólo ajuste de
calibración del circuito.
o Decodificador de señales ECG para central de vigilancia.
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La empresa TELEASISTENCIA CARDIOTEST es la primera empresa andaluza en
facilitar a los pacientes un sistema de vigilancia de 24 horas, que posibilita un diagnóstico
precoz de arritmias supraventriculares y ventriculares [8].
La siguiente foto muestra el prototipo final que se está comercializando en la
actualidad, tal y como se presentó en el Congreso de Cardiología celebrado en Jerez de la
Frontera (2000).
FOTO 1: HOLTER CARDIOTEST PLUS
El principal objetivo en la consecución del presente proyecto industrial ha sido
conseguir un tamaño idóneo para facilitar la portabilidad y comodidad del enfermo, así como
reducir al máximo el consumo del circuito, para hacerlo lo suficientemente robusto como para
que pueda utilizarse sin la preocupación de tener que estar continuamente recargando el
sistema. El circuito funciona con el sistema universal de alimentación formado por dos pilas de
1.5 V con un dispositivo de aviso de final de carga de batería, y su diseño sin cable de corriente
no entraña riesgo alguno para el paciente.
La tecnología empleada es la de microcontroladores de bajo consumo y circuitería en
SMT. El uso de microcontroladores que poseen convertidores analógico-digitales ha permitido
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simplificar al máximo las necesidades de circuitos externos, mediante filtros digitales,
compensaciones de circuitos analógicos mediante lógica estocástica, algoritmos de detección de
pulso [9], etc.
Por otra parte, emplear encapsulados válidos para el montaje superficial permite reducir
al máximo el tamaño del circuito. Hay que aclarar que la tecnología utilizada es la que va a
producir el circuito de tamaño mínimo. Sólo el empleo de ASICs, es decir, de circuitos
integrados mixtos específicos para esta aplicación, podría producir circuitos más compactos lo
cual está previsto abordar en una segunda fase. Todo estos parámetros han servido para su
idóneo desarrollo industrial.
La empresa dedicada a la fabricación de las 700 unidades del primer modelo que se han
vendido hasta la fecha, ha sido INABENSA, perteneciente al grupo de empresas ABENGOA, a
partir del diseño del circuito realizado en este proyecto de fin de carrera dentro del Grupo de
Tecnología Electrónica (GTE), a través de su socio industrial AICIA.
3 Alcance del Proyecto
El proyecto realizado consiste en un circuito electrónico portátil basado en un
microprocesador cuya principal misión será:
a) Adquisición de señales de baja tensión procedentes de los impulsos del corazón.
b) Procesamiento analógico (filtrado y amplificación)
c) Conversión A-D
d) Procesamiento digital: filtrado digital, almacenamiento en memoria FLASH, detección
de ritmo cardíaco y modulación PWM.
e) Transferencia de la información procesada a las interfaces externas del sistema: RS-
232C [10], IrDA [11] o emisión acústica de la señal digital empleando un altavoz
integrado que podrá ser conectado a un micrófono de un sistema de telefonía.
El sistema permite almacenar el electrocardiograma durante 4 minutos para su posterior
transmisión (“off-line”) por teléfono (GSM) al Centro de Recepción.
El sistema proporciona además un conector de expansión a otra tarjeta, para dotar al
dispositivo de una mayor capacidad de almacenamiento, en el caso de nuevas funciones que
dependen de la cantidad de información adquirida o de una mayor capacidad de análisis de los
datos para su posterior reproducción o estudio.
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Es posible la reprogramación on-board en sistemas ya fabricados sin necesidad de
desmontar el equipo fabricado gracias a un modo de funcionamiento ‘privilegiado’ que permite
la comunicación del sistema desarrollado con un operario externo. Se permite así la
actualización flexible del software embebido en el sistema.
El diagrama de bloques del sistema desarrollado se incluye a continuación:
FIGURA 1: DIAGRAMA DE BLOQUES
La selección del canal de comunicaciones se efectúa de la siguiente manera: primero se
detecta la conexión del canal serie; en su defecto, se comprueba la conexión por infrarrojos, y
por último, se transmite mediante el canal acústico. La transmisión acústica se realiza cada vez
que el dispositivo está grabando o reproduciendo señales siendo simultánea con otra
transmisión por otro canal. Dicha transmisión se efectúa mediante modulación en frecuencia
con las características técnicas definidas para la óptima recepción en el sistema receptor y que
corresponden a una frecuencia central de 1900Hz y una desviación máxima de 250Hz. Esta
salida permite la transmisión de señales mediante sistema de telefonía, tanto móvil como fija.
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CONECTOR DE EXPANSIÓN
CANAL SERIE
MICROPROCESADOR
A/D D/A
Ir-LED
RS232C DATOS
MAX 3130
FOTO 2: TRANSMISIÓN ECG TRANSTELEFÓNICA
4 Fases del Proyecto
El desarrollo del proyecto contempla las siguientes fases:
1. Definición de especificaciones.
Determinación de las necesidades del cliente, definición de especificaciones
técnicas (funcionales y de tipo arquitectural).
Definición del protocolo de pruebas.
OBJETIVO: Confección del Documento de Especificaciones Funcionales y el
Protocolo de Pruebas.
2. Diseño del Circuito Electrónico.
Estudio previo de componentes y disponibilidad comercial.
Diseño esquemático del circuito.
OBJETIVO: Esquema del Circuito.
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3. Fabricación del sistema HW-SW de desarrollo y prototipado
Elaboración de una tarjeta de pruebas (digital) basada en el microprocesador con
memorias.
Fabricación de una tarjeta para programar memorias EEPROM.
Elaboración de una placa de pruebas que integre la los circuitos analógicos.
Desarrollo de un programa monitor para depuración del software realizado.
OBJETIVO: obtener una plataforma HW-SW de pruebas que permita la
validación de cada uno de los módulos HW desarrollados así como la depuración
de las rutinas de programa realizadas.
4. Primer prototipo integrado.
Fusión en una tarjeta única de todos los módulos (HW y SW) desarrollados y
depurados en la fase 3.
Ejecución del protocolo de pruebas y documentación de incidencias encontradas.
OBJETIVO: obtener un sistema de características similares al producto final con
el que llevar a cabo demostraciones de funcionamiento.
5. Fabricación de la primera serie.
Fabricación, integración y validación de 30 unidades.
Unidades destinadas principalmente a demostración en los foros que los miembros
del grupo de trabajo estimaran oportunos.
El trabajo de la proyectante ha estado principalmente relacionado con las fases 2, 3 y 4.
5 Descripción hardware del sistema
El circuito consta de dos partes diferenciadas, una parte analógica y otra digital. En la
cara superior se tienen los elementos correspondientes al circuito digital, componentes que se
enumeran en el siguiente apartado, y en la cara inferior se tienen los de la parte analógica, que
corresponden a una amplificación y filtrado de la señal. Debido al reducido tamaño de la placa
ha sido necesario recolocar algunos de los elementos para conseguir un aprovechamiento
óptimo del espacio disponible.
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FOTOS 3 y 4: VISTAS SUPERIOR E INFERIOR DEL CIRCUITO
5.1 Alimentación y dimensiones Tensión de alimentación: 3v (2x1.5v). Tamaño equivalente a un disquete de 3’5 pulgadas.
5.2 Descripción de Interfaces Interruptor REC/OFF/PLAY. Interruptor Holter. Permite seleccionar modo Holter dentro del modo REC. Pulsador de evento. Sirve para indicar comienzo de grabación en modo Holter. Diodo LED. Indica señal de ritmo cardiaco en modo Normal, y de nivel de batería correcto en modo Holter. Conector DB-9F (RS-232) Emisor IrDA. Conector de 3 Electrodos. Conector de 12 Electrodos. Permite la conexión del accesorio de 12 electrodos.
5.3 Adquisición de Señales 100 muestras por segundo, con resolución de 8 bits. 4 min. de tiempo máximo de registro en cualquiera de los modos de grabación. 5M Ohm de impedancia de entrada mínima.
Filtrado digital, con respuesta en frecuencia entre 0.05 y 40Hz. Ganancia diferencial de 1000. Detección de cambio de ritmo cardíaco en modo Holter, con umbrales de disparo inferior a 40Hz o superior a 140Hz, Almacenamiento de las señales dos minutos anterior y dos minutos posterior a dicha detección de cambio.
5.4 Reproducción de Señales
Transmisión del ECG a móviles GSM, conseguido gracias a un diseño del circuito con componentes robustos frente a interferencias. Transmisión del ECG a teléfonos fijos. Transmisión de 128 muestras por segundo. Salida serie RS-232 para ordenador. Velocidad de transmisión 115200 baudios. Salida serie con conexión por infrarrojos para ordenador. Salida audio por modulación en frecuencia PWM. Frecuencia central de 1900Hz.
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6 Descripción software del Funcionamiento
El sistema presenta dos modos básicos de funcionamiento: modo REC y modo PLAY que
se representan en el siguiente diagrama.
FIGURA 2: MODOS DE FUNCIONAMIENTO
6.1 Modo REC
En este modo el dispositivo debe capturar las señales cardíacas provenientes de
distintos tipos de electrodos, y según tres formas de funcionamiento:
A) Modo Normal . El paciente activa el circuito y de forma continua, el dispositivo registra
las señales obtenidas a través de los cuatro electrodos de aleación de plata y acero
inoxidable en su reverso incluidos en el dispositivo. Las señales se capturan en cuatro
zonas torácicas estandarizadas que son:V2 o cara anterior (equivalente a V1-V2-V3),V5
o cara lateral (equivalente a V4-V5-V6), Cara Posterior (equivalente a V8-V9) y aVF o
cara inferior (equivalente a DII-DIII-aVF).
El proceso de almacenamiento se efectúa de forma continua, mientras el paciente no apague
el circuito, con un máximo de 4 minutos. Simultáneamente, el circuito indica la detección
del ritmo cardiaco mediante un diodo LED indicador y una señal acústica.
B) Modo 12 Derivaciones . Se selecciona igual que el modo normal, pero el circuito detecta
automáticamente la presencia de la conexión del adaptador de 10 electrodos, de los
cuáles se obtienen las 12 señales cardiacas, por lo que efectúa el registro secuencial de
dichas señales con 10 segundos de grabación de cada canal.
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C) Modo Holter . El dispositivo registra las señales continuamente, quedando en memoria
los dos últimos minutos registrados. Dicho registro se efectuará mediante tres
electrodos externos acoplados al dispositivo mediante un conector jack. El proceso de
supervisión queda activo mientras no suceda uno de los siguientes eventos:
Detección de pulso anormal. Si el pulso detectado al paciente sale del intervalo 40 a
140 pulsaciones por minuto, durante siete segundos consecutivos, se almacenan dos
minutos posteriores, finalizando con una parada del registro. Este proceso es
automático, no precisando la intervención del paciente.
Detección de evento externo. El paciente puede activar mediante el Pulsador de
Evento el registro de señales de manera voluntaria. El paciente debe presionar dicho
pulsador para entrar inmediatamente en modo grabación. A partir de entonces el
circuito registra otros dos minutos, finalizando con una parada del registro.
En este modo el diodo LED genera pulsos de 0.2 segundos con una periodicidad de 4
segundos para indicar nivel de batería correcto. Caso de detectar nivel bajo de batería, el
sistema emite pulsos acústicos de 2KHz, durante 2 segundos, con periodicidad de 10 segundos,
por si el paciente estuviera dormido.
6.2 Modo PLAY
En este modo el circuito transfiere las señales mediante uno de los siguientes canales:
A) Transmisión Transtelefónica . El circuito transmite el electrocardiograma
almacenado mediante un altavoz incorporado al dispositivo. Dicha transmisión se
efectúa mediante modulación en frecuencia, conforme a las características técnicas
definidas en la sección correspondiente. Esta salida permite la transmisión de
señales mediante sistema de telefonía, tanto móvil como fija.
B) Canal Serie . El circuito transmite digitalmente las señales registradas, según el
estándar RS-232C. Esta conexión permite la transferencia del electrocardiograma a
ordenadores y sistemas de telefonía digital mediante un cable serie. La transmisión
finaliza cuando emita un tono de 2KHz durante dos segundos.
NOTA: Si por algún motivo se realiza una grabación inferior a 2 minutos antes del momento del evento, el sistema reproducirá siempre los 2 minutos anteriores a este evento con lo que estuviera almacenado en la memoria de otra grabación anterior.
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C) Canal Serie por Infrarrojos. Mediante un convertidor, el circuito permite la
transmisión del registro empleando transmisión por infrarrojos. Dado que el
acoplamiento es óptico, no es necesario desconectar el dispositivo para transmitir el
registro, se realiza on-line. La transmisión finaliza cuando emita un tono de 2KHz
durante dos segundos.
7 Protocolo de Descarga y Transferencia
Para este proyecto se ha querido dotar al sistema una interfaz de comunicaciones entre
el ordenador y el microprocesador de la placa. Esta interfaz, viene definida además de por las
características eléctricas de la norma RS-232-C de comunicación serie, por una serie de reglas
semánticas y sintácticas que definen los mensajes y códigos de error del protocolo para poder
obtener resultados internos del microprocesador o verificar el correcto funcionamiento del
sistema.
Esta compilación de programas en un sistema que va a ser ejecutado en otro es lo que
se conoce como compilación cruzada. El código fuente reside en el ordenador personal donde
se compila para darle el formato necesario para el microprocesador. Para ello se utilizó la
herramienta IMIMON. Con esta herramienta somos capaces de generar un fichero ejecutable en
hexadecimal que podemos transferir a un emulador de EEPROM o grabarlo en la memoria con
un grabador desarrollado durante el proyecto.
En el esquema siguiente se identifican las dos partes fundamentales del programa
monitor, así como las rutinas que se encuentran en el microprocesador:
CDT: Código de Descarga y Transferencia (ficheros del puerto serie).
MDT: Módulo de Descarga y Transferencia (rutinas del protocolo del
microcontrolador)
MAR: Módulo de Adquisición y Reproducción de Señales (rutinas de
aplicación del circuito), entre ellas:
>Captura de Señal
>Conversión Analógica/Digital
>Filtrado Digital
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>Modulación PWM
>Transmisión de Datos
El esquema de los programas utilizados se podría esbozar de la siguiente forma.
FIGURA 3: PROTOCOLO DE COMUNICACIONES
8 Estado Actual
Además de la patente solicitada del electrocardiógrafo de bolsillo para transmisión
telefónica por GSM, también se ha presentado por el grupo de investigación en dos congresos
internacionales [12-13], así como una publicación en el periódico de tirada nacional ABC[14].
Actualmente existe una página con información adicional del invento: www.wapeton.com .
También se ha emitido un vídeo en la CNN+ sobre la utilización del HOLTER
CARDIOTEST PLUS con un paciente y su recepción y diagnóstico en el centro médico.
Desde que se terminó la realización de este proyecto fin de carrera, se ha modificado el
circuito original, dotándolo de nuevas aplicaciones conforme a las necesidades que han ido
surgiendo por parte del equipo médico. Además de la fabricación de 700 unidades del prototipo
al que dio origen este circuito, se están comercializando en la actualidad: el circuito
receptor/decodificador para señales de audio, el circuito adaptador de 12 derivaciones (que
posee un indicador de la captura que se está realizando en cada momento), así como el
HOLTER de 24/48 horas que proporciona una capacidad de monitorización mayor para
pacientes con otro tipo de dolencias cardíacas.
En la línea de investigación y desarrollo actual, hemos conseguido un nuevo prototipo que
tiene adaptada la función de transmisión del ECG utilizando el canal de datos que proporciona
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la telefonía móvil GSM. Se está estudiando la adaptación de este prototipo a la tecnología
GPRS, en espera de que ésta llegue al mercado.
9 Referencias, Publicaciones y Patentes
[1] J.W. Hurst and R.C. Schlant, The Heart, McGraw-Hill, Health Proffesions Division, 7th edition, 1990[1] A.Ruha, S.Sallinen and S, Nissila, “A real-time microprocessor QRS detector system with a 1-ms timing
accuracy for the measurement of ambulatory HRV”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol 44, 1997.
[2] J.W. Hurst and R.C. Schlant, The Heart, McGraw-Hill, Health Proffesions Division, 7th edition, 1990.[3] Patente de Invención :
Inventores(p.o. de firma): J. M. Quero Reboul, S. Toral Marín, L. G. Franquelo y M. Elena.Título: “Electrocardiógrafo Profesional para el Diagnóstico Remoto o No Remoto de Alteraciones Cardíacas” N. de solicitud: 200000760 País de prioridad: España Fecha de prioridad: Marzo 2000Entidad titular: Teleasistencia Cardiotest S.L.Empresa/s que la están explotando: Teleasistencia Cardiotest S.L.
[4] G.J.H. Uijen, J.P.C. de Weerd and A.J.H. Vendrik, “Acurracy of QRS detection in relation to the analysis of high-frequency componentes in the electrocardiogram”, Med.Biol. Eng. Comput., vol. 17, pp. 492-502, July, 1979.
[5] A.V. Sahakian, W.J. Tompkins, B.M. Tompkins and J.K. Kreul, “A microprocessor-based arhytmia monitor/recorder for the operating and recovery rooms”, Med. Instrument., vol.17,pp.131-134, Mar.-Apr. 1983.
[6] www.cardiplus.com [7] Dr. J.D. Arjona; Dr. A. Núñez; Dr. J. Adriaensens; Dr. A. Martínez, Dr. J.J. Santana, Dr. E. Pérez, Dr.F.
Díaz O., Dr. V. Rus, Dr. J.M. Cruz F., Dr. L. Pastor, Dr. J. Burgos, “Diagnóstico de Arritmias Sintomáticas Esporádicas mediante Holter Transtelefónico”, http://www.cardiplus.com/Pagina4.htm
[8] G.M Friesen, T.C. Jannet, M.A. Jadallah, S.L. Yates, S.R. Quint and H.T. Nagle, “A Comparison of Noise Sensitivity of Nine QRS Detection Algorithms”,IEEE Transactions on Bimedical Engineering, Vol 37, pp 85-98, 1990.
[9] http://www.beyondlogic.org/serial/serial.htm
[10] http://www.irda.com [11] Hernando Rábanos, J.M, “Transmisión por Radio”,UPM (1993)..[12] S.L. Toral, J.M. Quero, M. Elena Pérez y L.G. Franquelo, “SMT board for acquisition of
electrocardiograph signals and GSM transmission”,Congreso: Design of Circuits and Integrated Systems Conference, DCIS’2000. Montpellier (Francia).
[13] S.L. Toral, J.M. Quero, M. Elena Pérez y L.G. Franquelo, “A Microprocessor based System for ECG Telemedicine and Telecare”,Congreso: International Symposium on Circuits and Systems, ISCAS’01.Sidney(Australia).
[14] ABC: Paraninfo, Pag. 37, Miércoles 29-03-2000.
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