Procesamiento de señales biomédicas: diseño de un electrocardiograma

Abstract

This paper aims to present State of the art of signal processing in medicine, from an introduction of what are the biosignal to use in the process of obtaining useful results that are used primarily in the field of medicine, these process reflected in devices for monitoring vital signs or giving a diagnosis of a patient"s health, and we gonna design a electrocardiogram with the use of different filters.

El presente trabajo tiene como objetivo presentar un estado de arte del procesamiento de la señal en la medicina, empezando por una introducción de lo que son las bioseñales, empleadas en el proceso de obtener resultados valiosos, que son utilizadas principalmente en el campo de la medicina, estos procesos se reflejan en dispositivos para: monitoreo de signos vitales o dar un diagnóstico de salud de un paciente, y vamos a diseñar un electrocardiograma con el uso de diferentes filtros.

Index Terms—Filtros activos, pasa bajo, pasa alto, pasabanda, ecualizador.

Introducción

El estado del arte hace referencia a la situación actual o en su defecto a los últimos avances, en este documente se presenta el estado del arte de los amplificadores de bio-potenciales, estos bio-potenciales se caracterizan por mostrar una amplitud baja y un ancho de banda estrecho, de allí nace la necesidad de amplificar la señal de los potenciales bio-eléctricos, ya que la señal lleva información de gran utilidad y puede ser aplicada en diferentes campos por ejemplo: en la medicina en donde las señales bio-eléctricas del ser humano son bastante inestables y varían su magnitudes en el tiempo, los valores obtenidos pueden cambiar de manera significativa entre dos personas.

Señales biomédicas

Dependiendo del tipo de origen que tenga la bioseñal se puede emplear la siguiente clasificación:

• SEÑALES DE BIOIMPEDANCIA: La impedancia eléctrica de los tejidos contiene información importante sobre la composición, volumen y distribución sanguínea, información sobre el sistema nervioso y más, las mediciones de bioimpedancia se realizan generalmente con dos tipos de electrodos, unos que inyectan corrientes eléctricas en el tejido y otros electrodos que se ubican sobre el tejido a estudiar y miden la caída de tensión generada por la corriente y la impedancia del tejido.

• SEÑALES BIOACUSTICAS: Fenómenos acústicos producidos por funciones normales del cuerpo, desde el fluir de la sangre, el latir del corazón, incluso movimiento de los músculos generan sonidos que ayudan al diagnóstico médico de una situación en particular, la señal bioacustica se puede adquirir desde la superficie utilizando transductores acústicos.

• SEÑALES BIOMAGNETICAS: Varios órganos como el cerebro, el corazón y los pulmones, producen campos magnéticos en extremo débiles, la medición de estos campos brinda información que ningún otra bioseñal provee.

• SENALES BIOMECANICAS: Incluyen señales generadas por procesos mecánicos del cuerpo como locomoción, y desplazamiento, flujo presión, estas señales por ser de carácter mecánico no se propagan tan fácilmente por el cuerpo, en consecuencia la medición se hace sobre el sitio donde se origina y requiere una gran variedad de transductores.

• SENALES BIOQUIMICAS: Generalmente son el resultado de mediciones químicas de tejidos vivos o muestras analizadas en laboratorio. [1]

• SENALES BIOOPTICAS: Son resultado de reacciones ópticas que ocurren naturalmente o son inducidas para su medición, como ejemplo se puede obtener información importante de un feto a partir de la fluorescencia del líquido amniótico.

• SENALES BIOELECTRICAS: Las señales bioeléctricas son propias de sistemas biológicos, su fuente es el potencial transmembrana que ante ciertas condiciones genera una diferencia de potencial, que si se lo mide a nivel de células aisladas con micro electrodos puede ser en si la señal biomédica. Si se usa electrodos de superficie el campo eléctrico que acumulan las células constituye la señal bioeléctrica, Este grupo de señales probablemente sean las más importantes por el hecho que todo sistema biológico posee células excitables, además que las señales eléctricas se propagan con facilidad por el cuerpo y no es necesario un método invasivo para obtener la señal.[2]

A pesar de que en el procesamiento no interesa el origen de la bioseñal, esta clasificación es importante al momento de elegir un sensor biomédico que dependiendo de la señal, entre otros pueden ser:

• Micrófonos

• Acelerómetros

• Indicador de estiramiento de metal Liquido

• Sensores de presión miniatura

• Sensores electromagnéticos de flujo

• Termómetros

En conjunto todos estos sensores tienen por objetivo cambiar la señal recibida en una señal eléctrica.[3]

Obtención y digitalización de las bioseñales

Las bioseñales suelen ser muy pequeñas, contienen ruido innecesario y pueden estar enmascaradas por otras bioseñales de diferentes fenómenos biológicos. Con el objetivo de extraer la información de una bioseñal para que se pueda usar en un sistema en particular, comúnmente son utilizados sofisticados equipos y técnicas de adquisición de datos, es de suma importancia que la bioseñal original se preserve a lo largo˜ del procedimiento de obtención de datos.

El procedimiento a seguir generalmente es el siguiente:

• 1) El primer paso es detectar la presencia de las bioseñales en una célula o a través de la piel con la ayuda de un sensor. El sensor convierte la medición física en una salida eléctrica, generando así un puente de información entre el sistema biológico y el instrumento de registro electrónico. Es importante elegir el sensor adecuado para que este no afecte las características de la bioseñal.

• 2) Una vez detectada la bioseñal con la ayuda del sensor, generalmente es amplificada y filtrada, ya que las bioseñales suelen ser de muy bajo potencial, por el orden de los micro voltios (uV), la amplificación permite ajustar la señal a las especificaciones del hardware que se use, y el proceso de filtrado elimina el ruido propio de la bioseñal y/o el generado durante el proceso de censado y amplificación.

• 3) La bioseñal amplificada y filtrada es una señal continua que ingresa a un convertidos A/D (Análogo Digital) que cambia esta señal analógica continua en una señal digital discreta. La señal discreta contiene una secuencia de números que puede ser fácilmente almacenada y procesada en un ordenador.

En este proceso podemos apreciar que el desarrollo de esta tecnología se enfoca en la obtención de bioseñales confiables y mejoramiento de la capacidad de procesos de los ordenadores:

Figura 1. Esquema general del proceso de una señal biológica

En la figura se ve el proceso desde la generación de la bioseñal en el cuerpo del paciente, la información es entregada en forma de señales eléctricas por parte del transductor (diversos sensores), esta señal analógica antes de pasar a la tarjeta de conversión A/D debe ser llevada a la forma apropiada, esto significa cambiar la señal analógica al nivel de voltaje requerido, eliminar las señales indeseables y limitar el espectro de interferencia del sensor. La señal de salida digital se almacena o procesa. Todo el procedimiento anterior lo realiza un circuito electrónico, se lo puede representar como la siguiente figura.

Figura 2. Esquema simplificado del proceso de una bioseñal

El operador H representa el proceso que se propuso anteriormente, teniendo solo una bioseñal de entrada y un código digital a la salida.[4]

Procedimiento del estado del arte en amplificadores en bio- potenciales

• A. Estado Del Arte

El estado del arte no muestra la situación actual y las investigaciones más recientes que permite el estudio del conocimiento de un tema específico y comparaciones con otros conocimientos paralelos a estos y teniendo así posibilidad de comprensión del problema tratado.

• B. Actividad eléctrica del corazón

El corazón tiene cuatro cámaras: dos aurículas y dos ventrículos, izquierdos y derechos. La aurícula derecha recibe la sangre venosa del cuerpo y la envía al ventrículo derecho el cual la bombea a los pulmones, lugar en el que se oxigena y del que pasa a la aurícula izquierda. De aquí la sangre se deriva al ventrículo izquierdo, de donde se distribuye a todo el cuerpo y regresa a la aurícula derecha cerrando el ciclo cardiaco. [7]

• C. Electrocardiograma

El electrocardiograma (ECG/EKG, del alemán Elektrokardiogramm) es la representación gráfica de la actividad eléctrica del corazón, que se obtiene con un electrocardiógrafo en forma de cinta continua. Es el instrumento principal de la electrofisiología cardiaca y tiene una función relevante en el cribado y diagnóstico de las enfermedades cardiovasculares, alteraciones metabólicas y la predisposición a una muerte súbita cardiaca. También es útil para saber la duración del ciclo cardiaco. [9,10]

• D. El ECG.

El trazado típico de un electrocardiograma registrando un latido cardiaco normal consiste en una onda P, un complejo QRS y una onda T. La pequeña onda U normalmente es invisible. Estos son eventos eléctricos que no deben ser confundidos con los eventos mecánicos correspondientes, es decir, la contracción y relajación de las cámaras del corazón. Así, la sístole mecánica o contracción ventricular comienza justo después del inicio del complejo QRS y culmina justo antes de terminar la onda T. La diástole, que es la relajación y rellenado ventricular, comienza después que culmina la sístole correspondiendo con la contracción de las aurículas, justo después de iniciarse la onda P. [5]

• E. Frecuencia cardiaca.

La frecuencia cardiaca puede ser derivada de un trazado del electrocardiograma con varias ecuaciones. Una de ellas sigue la regla de los 300, la cual funciona si el ritmo es regular: dividiendo 300 entre el número de cuadros grandes (cinco cuadros pequeños en cada cuadro grande) entre un R y la siguiente. Por ejemplo, en la gráfica abajo, la distancia en´ cuadros grandes entre un R y el siguiente es aproximadamente de 2,4: dividiendo 300 entre 2,4 produce una frecuencia cardiaca de 125 latidos por minuto. [12]

• F. Electrodos del Electrocardiograma.

Son los dispositivos que ponen en contacto al paciente con el electrocardiógrafo. A través de ellos se obtiene la información eléctrica del corazón para la impresión y análisis del Electrocardiograma.

• G. Ubicación de los Electrodos:

Los Electrodos Periféricos son cuatro y van colocados en las extremidades del paciente. Normalmente se diferencian con un color distinto para cada uno.

R: Brazo derecho (Right), evitando prominencias óseas. L: Brazo izquierdo (Left), evitando prominencias óseas.

F: Pierna izquierda (Foot), evitando prominencias óseas. N: Pierna derecha, es el Neutro (N). [6]

• H. Amplificador de instrumentación.

Un amplificador de instrumentación (como se muestra en la Figura 1.) es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Esta diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114). La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles, tales como equipos médicos (por ejemplo, el electrocardiógrafo), para minimizar el error de medida.

Figura 3. Esquema de un Amplificador Instrumentación

Diseño y desarrollo de un circuito ECG

El circuito diseñado para adquirir la señal electrocardiográfica, está conformado por tres fases: Adquisición de la señal (amplificación de instrumentación), etapa de filtrado (filtro pasa banda y notch) y por última etapa de acondicionamiento de la señal (amplificador).

• A. Etapa de adquisición de la señal.

Para la adquisición de la señal bioeléctrica proveniente del corazón de la persona, diseñamos un amplificador de instrumentación basado en tres amplificadores operacionales ver Figura 2, el operacional utilizado es el TLO74. Esta clase de amplificadores son diseñados para obtener una alta impedancia a la entrada. La función que tiene es la resta de las dos entradas multiplicadas por un factor. El amplificador de instrumentación está conformado por dos amplificadores no inversores y un amplificador diferencial el cual ayuda a reducir el ruido, ya que tiene una muy baja ganancia en modo común. Este amplificador puede adquirir las señales bajas del corazón y amplificarlas con una ganancia de 1000, ya que los operacionales TL074 que se utiliza son de tecnología JFET estos poseen una alta impedancia de entrada y la corriente de polarización es muy baja esto para la seguridad del paciente.

Figura 4. Amplificador Instrumental diseñado con TL074

• B. Etapa de filtrado.

Como ya se mencionó anteriormente las señales bioeleléctricas del corazón son de muy baja amplitud en el orden de los mil voltios, por lo que necesita ser amplificados y filtrados, en consecuencia las señal adquirida en la primera fase requiere de ser tratada, es decir , filtrada para eliminar toda clase de ruido introducido. Inicialmente se diseñó un filtro pasa alto, seguido de un filtro pasa bajo y seguidamente de un filtro de notch para eliminar el ruido de la red eléctrica. [15][5]

Filtro Pasa Banda.: Lo que se va a filtrar en señales que tiene bajas frecuencias ya que estas frecuencias son provocadas por la diferencia de potencial que genera el electrodo con la superficie de la piel.

Figura 5. Filtro pasa banda diseñado con TL074

• 1) FILTRO DE NOTCH.:: De la misma manera se diseñó un filtro de 60hz, se utilizó un integrador TL72 para reducir más el ruido producido por la red eléctrica. Este filtro fue implementado y su conexión es a continuación del filtro pasa banda como se puede ver en la figura 4. [20]

Figura 6. Filtro pasa banda diseñado con TL074

Conclusiones

Al culminar la investigación expuesta en nuestro paper, nos percatamos que los elementos que componen el diseño para amplificadores de biopotenciales, son los que permitan adquirir señales de muy buena calidad, bajo condiciones adversas de medida y sin recurrir a técnicas invasivas para así un bajo consumo, también como un reducido número de componentes.

Figura 7. Filtro pasa banda diseñado con TL074

El electrocardiograma (ECG) es por excelencia la forma, no invasiva y sencilla, de obtener información de la excitación del corazón. Desde el punto de vista del procesado de señales, hay que tener en cuenta el ancho de banda de la señal electrocardiográfica, que se muestra en la Figura13 Las mediciones de las ondas cerebrales a más de diagnosticar enfermedades, revela indicios de cómo funciona el cerebro humano, al revelar las cuatro tipos de señales cerebrales, claro que es obvio que para encontrar el espectro de cada señal hace falta un proceso muy complejo, así nos podemos dar cuenta que en el análisis no solo en el campo de la biomedicina sino en cualquier ámbito, el nivel de información obtenida la marca el procesamiento e interpretación de las señal medida.

Referencias

[1]Juan Vignolo Barchiesi. Introduccion al Procesamiento Digital de Señales.

• [2] A Ariza. Introducción A La Ingeniería Biomédica. Universidad Pontificia Bolivariana (2009).

• [3] P A C Pérez, J R García, J J R Ibáñez. Procesado de señales biomédicas. Univ de Castilla La Mancha 208 (2007). [4]F Cover, P A C Pérez, J R García, J J R Ibáñez, C S

Meléndez. Telemedicina: Ingeniería Biomédica. Universidad de Castilla La Mancha 8, 164 (2009).

• [5] Electro medicina http://www.electromedicina.pardell.es/

• [6] UNIVERSIDAD POLITECNICA DE

MADRID DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA,

AUTOMATICA E INFORMATICA INDUSTRIAL

www.elai.upm.es/spain/Publicaciones/pub01/intro procsdig.pdf

• [7] Eugenijus Kaniusas. Biomedical Signals and Sensors II: Linking Acoustic and Optic Biosignals and Biomedical Sensors. (2015).

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http://www.lumacnet.com/bist.html

• [9] Electro bisturí teoría de funcionamiento

http://www.slideshare.net/javiergarciar/electrobisturidesfibriladorpresentation

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• [11] Tutorial de Procesamiento Digital de Señales (DSP) Teoría Básica www.qsl.net/l/lu7did//docs/…/DSP Tutorial Basico borges.pdf

• [12] Electrocirugía Natalia Londoño Jaramillo, Natalia

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www.efn.uncor.edu/escuelas/biomedica/…/Electrocirugia.pdf

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Autor:

Javier Guamán,

José Ortiz

Universidad Politécnica Salesiana, Sede Cuenca