Revista Ingeniería Biomédica

CHLOROQUINE DRUG EFFECT ON A ROTOR TERMINATION DURING PAROXYSMAL ATRIAL FIBRILLATION. A SIMULATION STUDY

La fibrilación auricular (FA) es la arritmia más común. Algunos episodios de FA son mantenidos por rotores. La FA paroxística (FAp) se refiere a episodios recurrentes que se autolimitan. Si la FAp no se trata puede convertirse en crónica. Se ha demostrado que la inhibición de las corrientes I KACh e I K1 contribuye a la terminación de la FA. El fármaco antimalárico cloroquina, al inhibir estas corrientes podría ser un fármaco antiarrítmico eficaz en humanos. El objetivo del trabajo es simular los efectos de la cloroquina y estudiar su eficacia en la terminación de un rotor en condiciones de FAp. Para esto, se desarrolló un modelo 2D de tejido auricular en condiciones de FAp. Se implementó un modelo del efecto de la cloroquina sobre las corrientes I K1 e I KACh para estudiar su eficacia en la terminación de un rotor simulado. La cloroquina alargó el potencial de acción a medida que se incrementó su concentración. A concentraciones de 0.3 µM y superiores, finalizó la actividad del rotor. Este es el primer trabajo que ha desarrollado modelos matemáticos del fármaco cloroquina para estudiar su efecto en la terminación de un rotor. Los resultados sugieren que la cloroquina podría ser un potente agente antiarrítmico en el tratamiento de la FAp.

Atrial fibrillation (AF) is the most common arrhythmia. Some AF episodes are maintained by rotors. Paroxysmal AF (pAF) refers to self-limiting recurrent episodes. If the pAF is not treated it could become chronic. It has been demonstrated that inhibition of the I K1 and I KACh currents contributes to AF termination. Antimalarial drug chloroquine by inhibiting these currents could be an effective antiarrhythmic drug in humans. The aim of this work is to simulate the effects of chloroquine and study their effectiveness in the rotor termination in pAF conditions. For this, we developed a 2D model of atrial tissue under pAF conditions. We implemented a model of the effect of chloroquine on I K1 and I KACh currents to study its effectiveness in the termination of a simulated rotor. Chloroquine lengthened the action potential as the concentration increased. At concentrations of 0.3 µM and higher, the activity of the rotor finished. This is the first work that developed a chloroquine mathematical models to study its effect on the rotor termination. The results suggest that chloroquine could be a potent antiarrhythmic drug for the pAF treatment.

A fibrilhação auricular (FA) é a arritmia mais comum. Alguns episódios de FA são mantidos por rotores. A FA paroxística (FAp) refere-se a episódios recorrentes que são autolimitantes. Se a FAP não tem nenhum tratamento, pode se tornar crônica. Tem sido demonstrado que a inibição das correntes I KACh e I K1 contribui para o término da AF. O medeicamento antimalárico cloroquina, para inibir essas correntes poderia ser um medicamento anti-arrítmico eficaz em seres humanos. O objetivo deste trabalho é simular os efeitos da cloroquina e estudar a sua eficácia na terminação de um rotor capaz em condições FAp. Para isso, um modelo 2D foi desenvolvido de tecido auricular em condições de FAp. foi implementado um modelo do efeito da Cloroquina sobre as corrente I K1 e I KACh para estudar a sua eficácia na terminação de um rotor simulado. A Cloroquina alongou o potencial de ação na medida em que foi aumentada a sua concentração. Em concentrações de 0,3 µM e superiores, terminou a atividade do rotor. Este é o primeiro trabalho que desenvolveu modelos matemáticos do medicamento cloroquina para estudar seu efeito sobre a terminação de um rotor. Os resultados sugerem que a cloroquina poderia ser um potente agente anti-arrítmico para o tratamento de FAp.

MULTICHANNEL BIOPOTENTIAL ACQUISITION SYSTEM

Se presenta un sistema compuesto por hardware de adquisición y software de soporte para la medición de biopotenciales en tiempo real desde una PC. El equipo cuenta con 8 canales diferenciales acoplados en continua, muestreados con convertidores analógico-digitales sigma-delta de 24 bits, con ganancia y tasa de muestreo configurables. La resolución del dispositivo está dada por el piso de ruido del sistema que es inferior a 2 µVrms en un ancho de banda de (0,05-100) Hz. Para medidas en un ancho de banda de 1 kHz el piso de ruido resulta menor a 3 µVrms. El coeficiente de rechazo de modo común es de 96 dB, y para lograr medidas de mayor calidad se utilizan electrodos activos y un circuito independiente para reducir la tensión de modo común, lo que posibilita utilizar topologías de medición no diferenciales. La transmisión de datos y de energía para todo el sistema se realiza a través del bus USB. El equipo cuenta con una barrera de aislamiento compatible con normas internacionales de seguridad eléctrica para equipamiento médico. Se relevó la respuesta en frecuencia y se comprobó que cumple con requisitos para dispositivos de electrocardiografía. Se adquirieron distintas señales de biopotenciales para verificar el funcionamiento del equipo y demostrar el uso del software.

A biopotential measurement system composed of acquisition hardware and software capable of relaying real-time signals to a PC is presented. The device has 8 DC coupled differential channels sampled by 24 bits sigma-delta analog to digital converters with programmable gain and sampling frequency. The noise floor of the device determines its resolution, and it is less than 2 µVrms in a bandwidth of (0.05-100) Hz. Measurements up to 1 kHz can be carried out with a noise voltage less than 3 µVrms. The common mode rejection ratio is 96 dB. To achieve high-quality measurements active electrodes are used along with a common mode voltage reduction circuit allowing single-ended measurement topologies. A USB connection serves both as data channel and power source. The device includes an isolation barrier in agreement with international standards for the electrical safety of medical equipment. Its frequency response was measured and compared with accepted standards for electrocardiographic devices, and various biopotential measurements were carried out in order to test both hardware and software.

É apresentado um sistema composto de hardware de aquisição e software de suporte para a medição de biopotenciais em tempo real a partir de um PC. O aparelho tem 8 canais diferenciais acopladas em contínuo, amostrados com conversores analógico-digital sigma-delta 24 bits. com o ganho e taxa de amostragem configurável. A resolução do dispositivo é determinado pelo nível de ruído do sistema é menos 2 µVrms uma largura de banda (0,05-100) Hz. Para medições em uma largura de banda de 1 kHz o piso de ruído é inferior a 3 µVrms. A razão de rejeição de modo comum é 96 dB, e para se obter medidas de qualidade superior é usado eléctrodos activos e um circuito separado para reduzir a tensão de modo comum, tornando-se possível a utilização de topologias de medição não diferenciais. A transmissão de dados e energia para todo o sistema é feito através do barramento USB. A equipe tem uma barreira de isolamento compatível com as normas de segurança elétrica internacionais para equipamentos médicos. Foi revelada a resposta em frequência e está em conformidade com os requisitos para dispositivos de eletrocardiografia. Se Obteveram diferentes sinais de biopotenciais para vereficar o funcionamento equipamento e demonstrar a utilização do software.

THE EFFECTS OF TIME AND MOISTURE ON ELASTICITY IMAGING PHANTOM PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES: A PILOT STUDY

Elasticity imaging phantoms are used to mimic human tissue as a means of testing and validating non-invasive techniques for measuring mechanical properties of human tissues. Limited studies of phantom stability have shown that phantom stiffness change over time when exposed to air. The goals of this study were to investigate how the physical and mechanical properties of elasticity imaging phantoms change with time and moisture state. Two moisture states were tested; a dry state where the phantom was exposed to open air and a wet state where the phantom was submerged in water for 480 minutes. Polyvinyl alcohol (PVA) phantoms (cylindrical shape) were used. The properties of the phantom were found using flat indentation tests and a test battery that included a precondition test, a 0.05 mm/s triangle test, a 5 mm/s triangle test and a ten-second ramp-and-hold relaxation test. This battery was done at multiple time points: 0, 15, 30, 45, 60, 120, 180, 240, 360 and 480 minutes. At each time point, the modulus, stiffness and relaxation at 10 seconds were calculated. In addition, the mass and volume of the phantoms were measured at each time point. The physical and mechanical properties of the phantoms were found to be statistically dependent on moisture state and time (p<0.05). The stiffness and moduli of the dry samples increased with time while the mass and volume decreased with time. Additionally, a strong correlation was found between the change in mass and change in modulus/stiffness for the dry phantoms. For the wet samples, the modulus and stiffness decreased with time while the mass and volume increase with time. The properties of the phantom begin to change within 15 minutes, the percentage change of the mechanical and physical properties remained, on average, under 10% during the first hour and increased up to 50% during 8 hours. These property changes of phantoms should be considered when using phantoms to test or validate non-invasive techniques.

Fantomas de imágenes de elasticidad se utilizan para imitar el tejido humano como un medio de ensayo y validación de técnicas no invasivas para medir las propiedades mecánicas de los tejidos humanos. La estabilidad de los fantomas se ha estudiado anteriormente y se ha encontrado que su elasticidad cambia con respecto al tiempo cuando están expuestas al aire. Los objetivos de este estudio fueron investigar cómo las propiedades físicas y mecánicas de los fantomas de imágenes de elasticidad cambian con el tiempo y el estado de humedad. Dos estados de humedad fueron examinados; un estado seco, donde el fantoma se expone al aire libre y un estado húmedo, donde el fantoma se sumergió en el agua. Se utiliza alcohol polivinílico (PVA) para crear los fantomas (forma cilíndrica). Las propiedades del fantoma se encontraron utilizando pruebas de indentación planas y una batería de pruebas que incluyeron una prueba de condición, a 0.05 mm/s prueba triangular, una prueba triangular 5 mm/s, y ensayo de relajación de rampa-retención de diez segundos. Esta batería se realiza en múltiples puntos de tiempo: 0, 15, 30, 45, 60, 120, 180, 240, 360 y 480 minutos. En cada punto de tiempo, se calcularon el módulo, la rigidez y la relajación en 10 segundos. Además, la masa y el volumen de los fantomas se midieron en cada punto de tiempo. Se encontró que las propiedades físicas y mecánicas de los fantomas son dependientes estadísticamente del estado de humedad y el tiempo (p <0,05). La rigidez y módulos de las muestras secas se incrementaron con el tiempo mientras que la masa y el volumen disminuyó con el tiempo. Adicionalmente, una fuerte correlación fue encontrada entre los cambios de masa respecto al cambio de módulo para las muestras secas. Para las muestras húmedas, el módulo y la rigidez disminuyeron con el tiempo, mientras que aumentó la masa y el volumen con el tiempo. Las propiedades de los fantomas comienzan a cambiar dentro de los 15 minutos, pero el porcentaje de cambio de las propiedades mecánicas y físicas se mantuvo, en promedio, menos del 10% durante la primera hora y aumentó hasta el 50% en las 8 horas. Estos cambios en las propiedades de los fantomas deben ser considerados cuando se utilizan para probar o validar las técnicas no invasivas.

Fantomas de imagenes de elasticidade foram utilizadas para imitar o tecido humano como um meio de testes e validação de técnicas não invasivas para medir as propriedades mecânicas dos tecidos humanos. A estabilidade dos fantomas foi estudada previamente e descobriram que a elasticidade se altera com o tempo quando é exposta ao ar. Os objetivos deste estudo foram investigar como as propriedades físicas e mecânicas dos fantomas de imagem de elasticidade mudam ao longo do tempo e o estado de umidade. Dois estados de umidade foram examinados; um estado de seca, em que o fantoma está exposta ao ar livre e um estado úmido, onde o fantoma foi imersa em água. é usado Álcool polivinílico (PVA) para criar o fantoma (forma cilíndrica). As propriedades do fantoma foram encontrados por meio de testes de indentação planas e uma bateria de testes, incluindo um teste de condição, a 0,05 mm / s teste triangular, um teste triangular de 5 mm / s, e teste de relaxamento rampa de Retenção de dez segundos. Esta bateria é realizada em vários pontos de tempo: 0, 15, 30, 45, 60, 120, 180, 240, 360 e 480 minutos. Em cada ponto de tempo, foram calculados o módulo de elasticidade, rigidez e relaxamento em 10 segundos,. Além disso, a massa e volume dos fantomas foram medidos em cada ponto de tempo. Verificou-se que as propriedades físicas e mecânicas dos fantomas são dependentes estatisticamente do estado de umidade e tempo (p <0,05). A rigidez e módulos das amostras secas aumentou com o tempo, enquanto a massa e volume diminuiu com o tempo. Além disso, foi encontrada uma forte correlação entre as alterações na massa com respeito à alteração do módulo para amostras secas. Para as amostras molhadas, o módulo de elasticidade e rigidez diminuiu ao longo do tempo, enquanto o aumento da massa e do volume ao longo do tempo. As propriedades dos fantomas começam a mudar dentro dos 15 minutos, mas a percentagem de variação das propriedades mecânicas e físicas permaneceram, em média, menos de 10% durante a primeira hora, e aumentou até 50% em 8 horas. Essas alterações nas propriedades dos fantomas deve ser considerado quando é usado para testar ou validar as técnicas não invasivas.

A PULSE-OXIMETRIC AND CAPNOGRAPHIC SYSTEM FOR ANDROID MOBILE DEVICES

El monitoreo constante del nivel de saturación de oxígeno y la producción de CO2 es de vital importancia para la supervisión del estado respiratorio del paciente. Este artículo presenta el diseño de un sistema de oximetría de pulso y capnografía que tiene como unidad de procesamiento un chip programable de señales mixtas denominado PSoC (Programable-System-On-Chip), el cual incorpora bloques análogos y digitales configurables, permitiendo que la adecuación de las señales suministradas por los sensores y el procesamiento digital de señales se lleve a cabo en el mismo chip. Se realizó una aplicación en Android para la visualización y registro de las señales biomédicas en una base de datos local, compatible con dispositivos móviles con conectividad wifi. El sistema fue verificado usando un simulador de SpO2 (Saturación parcial de oxígeno), que permitió la calibración de frecuencias cardiacas desde 55 BPM (Beats per Minute) a 145 BPM, así como la curva R con valores de 75% a 100% de SpO2. Se encontró que el error de medición de la frecuencia cardiaca es 1,81%, y 1.33% para la SpO2.

Constant monitoring of oxygen saturation level and CO2 production is vital for monitoring the patient's respiratory status. This paper presents the design of a pulse-oximetric and capnographic system, which core consists of a mixed signal programmable chip, PSoC (Programmable-System-On-Chip), which incorporates a whole analog and digital configurable block system, in order to adequate and process the signals from the sensors all in a single chip. An Android application was also developed, which can display biomedical signals in mobile devices with wireless connectivity, as well as to store information from these signals in a local user database. The microsystem was verified using a SpO2 (oxygen partial saturation) simulator, and heart rates of 55 BPM to 145 BPM were calibrated, as well as the R curve with values of 75% to 100% SpO2. The heart rate measurement error found is 1,81% and 1,33% for the SpO2.

O monitoramento constante do nível de saturação de oxigênio e produção de CO2 é fundamental para monitorar o estado respiratório do paciente. Este artigo apresenta o projeto de um sistema de oximetria de pulso e capnografia cuja unidade de processamento um chips de sinal misto programável chamado PSoC (Programmable-System-On-Chip), o qual incorpora blocos analógicos e digitais configuráveis, permitindo a adaptação dos sinais fornecidos pelos sensores e o processamento digital de sinais será executada no mesmo chip. Foi realizada una aplicação Android para visualização e gravação de sinais biomédicos em um banco de dados local, compatível com dispositivos móveis com conectividade sem fio. O sistema foi testado usando um simulador de SpO2 (saturação de oxigênio parcial), permitindo a calibração da freqüência cardíaca de 55 BPM (batidas por minuto) a 145 BPM, assim como a curva R com valores de 75% a 100% SpO2 . Verificou-se que o erro de medição do ritmo cardíaco é 1,81% e 1,33% para o SpO2.

DIGITAL CARDIOTOCHOGRAPHY SYSTEM WITH PARALLEL FPGA PROCESSING FOR MATERNAL FETAL MONITORING

El estudio clínico fetal relaciona aspectos críticos como la intensidad de las contracciones uterinas, movimientos del feto y frecuencia cardiaca de manera simultánea para evaluar el bienestar fetal. Los cambios periódicos o transitorios de la frecuencia cardiaca son objeto de estudio y aparecen en relación a diversos estímulos fetales como movimientos espontáneos o provocados, contracciones uterinas, hipo fetal, etc. Con este propósito, en una valoración de los mismos es necesario disponer de una constante monitorización, en la que se exprese la frecuencia y la variabilidad cardiaca fetal de manera eficiente. En este artículo se presenta el desarrollo de un sistema de tococardiografía para el registro de la frecuencia cardiaca fetal y la intensidad de las contracciones uterinas compuesto por tres tarjetas electrónicas, una unidad de procesamiento digital paralela, una campana acústica y una pantalla para adquirir y procesar de manera no invasiva las señales tococardiográficas.

Clinical evaluation on fetuses is related to simultaneous critical aspects such as intensity of uterine contractions, fetal movements, and heart rate. Periodic or transient changes in heart rate are studied and appear in relation to various fetal stimuli as spontaneous or induced movements, uterine contractions, fetal hiccups, and so on. Thus, their evaluation is necessary to obtain constant monitoring in which the frequency and variability are expressed efficiently. This paper presents the development of a cardiotochography system for recording fetal heart rate and intensity of uterine contractions, which is composed by three electronic boards, a digital parallel processing unit, a sounds bell and a screen to acquire non-invasively and process tococardiography’s signals.

O estudo clinico fetal relaciona aspectos críticos, como a intensidade das contrações uterinas, movimentos fetais e batimentos cardíacos simultaneamente para avaliar o bem-estar fetal. As mudanças periódicas ou transitórias da frequência cardíaca são estudados e aparecem em relação a vários movimentos fetais espontâneas ou induzidas, as contrações uterinas, soluços fetais, etc. Para este efeito, em uma revisão do mesmo é necessário ter monitoramento constante, na que se exprese a freqüência e variabilidade do ritmo cardíaco fetal de forma eficiente. Este artigo é apresentado o desenvolvimento de um sistema de tococardiografía para registar o ritmo cardíaco fetal e intensidade das contrações uterinas composto por três placas eletrônicas, uma unidade de processamento digital paralelo, uma cabine acústica e uma tela para adquirir e processar de maneira não invasiva as sinais tococardiográficas.

CLASSIFICATION OF PREMATURE VENTRICULAR CONTRACTION BEATS BASED ON UNSUPERVISED LEARNING METHODS

Las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de mortalidad en el mundo, por lo que el desarrollo de algoritmos que detecten arritmias cardíacas en tiempo real se ha convertido en un campo de investigación importante. El desarrollo de estos algoritmos ha conllevado a la mejora de dispositivos cardiacos portátiles. Este artículo presenta el desempeño de dos algoritmos basados en aprendizaje de máquina no supervisado para la detección de latidos de contracción ventricular prematura en la señal ECG. Los latidos se extraen de las bases de datos del MIT-BIH, los cuales fueron pre-procesados y segmentados por el grupo de investigación de Dinámica Cardiovascular de la UPB. La Transformada Wavelet Discreta, el Análisis de Componentes Principales y un método híbrido propuesto son implementados para la extracción de características y reducción de dimensiones, a partir de los cuales se generan 8 espacios de características para la evaluación de los algoritmos. Kmeans y Mapas auto-organizados son desarrollados y comparados en términos de precisión y costo computacional. Se logró una especificidad del 96.22 % y una sensibilidad del 95.04 % con un tiempo de ejecución de 79.41µs por latido. Los resultados permiten concluir que estos métodos pueden implementarse en aplicaciones de detección de arritmias en tiempo real debido a su bajo costo computacional.

Cardiovascular diseases are the principal cause of mortality in the world, so that the development of algorithms that detect cardiac arrhythmias in real time has become an important field of research. The development of these algorithms has led to the improvement of wearable cardiac devices. This paper presents the performance of two algorithms based in unsupervised learning methods for the detection of Premature Ventricular Contraction in the ECG signal. The beats are extracted from MIT-BIH databases, which were preprocessed and segmented by the UPB’s Dynamic Cardiovascular research group. The Discrete Wavelet Transform (DWT), Principal Component Analysis (PCA) and a proposed hybrid method are implemented for the feature extraction and dimension reduction, from which 8 feature spaces are generated and tested. Kmeans and Self Organizing Maps are developed and compared in terms of accuracy and computational cost. Specificity of 96.22 % and sensitivity of 95.94% with 79.41µs per beat are accomplished. The results show that these methods can be implemented in applications of real time arrhythmia detection because of their low computational cost.

A doença cardiovascular é a principal causa de morte em todo o mundo, de modo que o desenvolvimento de algoritmos para detectar arritmias cardíacas, em tempo real, tornou-se um importante campo de pesquisa. O desenvolvimento desses algoritmos tem levado a melhores dispositivos cardíacos portáteis. Este artigo apresenta o desempenho dos dois com base na aprendizagem de máquina sem supervisão para detecção de batidas de contração ventriculares prematuras nos algoritmos de sinais de ECG. As batidas são extraídos das bases de dados do MIT-BIH, que foram pré-processados e segmentado pelo grupo da UPB Cardiovasculares Dynamics pesquisa. A Transformada Wavelet Discreta, Análise de Componentes Principais e uma abordagem híbrida proposta são implementadas para extração de características e redução de dimensão, a partir do qual 8 espaços de recursos para a avaliação dos algoritmos são gerados. Kmeans e mapas de auto-organização são desenvolvidos e comparados em termos de precisão e custo computacional. A especificidade de 96,22% e uma sensibilidade de 95,04% com um tempo de execução de 79.41µs por batida foi alcançado. Os resultados mostram que estes métodos podem ser implementados em aplicações de detecção de arritmia em tempo real, devido ao seu baixo custo computacional.