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Introducción
En Colombia, las enfermedades cardiovasculares representan la principal causa de muerte según lo reportado por el Observatorio Nacional de Salud (ONS 2015), la población es cada vez más vulnerable a estas patologías y el monitoreo cardíaco surge como una herramienta de apoyo para la detección temprana y preventiva de estas condiciones, además de apoyo tecnológico durante el tratamiento de este tipo de padecimientos cardíacos.
Los sistemas de monitoreo de señales electrocardiográficas (Davis, 2008) en pacientes tienen actualmente un área de cobertura limitada al centro hospitalario, los desarrollos efectuados con sistemas de monitorización incluyen electrocardiógrafos que se conectan por medio físico a un computador (Vidal & Gatica, 2010), electrocardiógrafos inalámbricos (Quintero, et al., 2018), sistemas de monitoreo que integran módulos GPS, GSM/GPRS y Zigbee (Valenzuela, et al., 2015), entre otros.
La expansión de las tecnologías de información genera impactos que no son ajenos a la medicina y a la salud (Murga, 2015), es aquí donde la telemedicina se vuelve significativa al establecer una conexión entre el personal médico-asistencial en un centro hospitalario y los pacientes en sus hogares, gracias al uso de sistemas de telecomunicaciones (Murillo, et al., 2016). Este tipo de sistema tecnológico integrado para la prestación de servicios de salud permite la detección, el monitoreo y el seguimiento de sucesos o eventos en la condición médica del paciente de forma remota, al conservar un nivel de equivalencia en sus características comparable al proceso de forma presencial, donde el médico especialista obtiene la mayor información posible del paciente basándose en los resultados arrojados por los equipos biomédicos (Herrera y Periche, 2017).
Una de las herramientas básicas en el diagnóstico de trastornos y enfermedades del corazón es el electrocardiograma, el cual es realizado comúnmente por su simplicidad, bajo costo y por tratarse de una técnica no invasiva (Carrión, et al., 2009). Este procedimiento consiste en el registro gráfico de la actividad eléctrica que se genera en el corazón. Su análisis proporciona importante información que complementa el conjunto de datos que se registran en la historia clínica de un paciente, con un objetivo diagnóstico y después de una exploración física detallada (Portillo, 2011).
Los equipos de monitoreo cardíaco disponibles en la actualidad realizan el proceso de registro de información de forma limitada, debido a que los datos son almacenados automáticamente por eventos determinados por cierto periodo de tiempo. El médico especialista en cardiología se encarga de analizar los datos una vez finaliza el periodo de monitoreo, pero no en tiempo real, impidiendo una reacción rápida ante una emergencia causada por una anomalía cardiaca.
Metodología y desarrollo
En este trabajo se ha desarrollado una metodología de forma ordenada y secuencial, plasmada de la siguiente manera:
Fase de investigación y documentación
Fase de diseño
Fase de implementación
Evaluación de resultados
Definiendo así un diseño metodológico representado en la figura 1, para cumplir con los requerimientos técnicos y obtener el resultado esperado.
Fase de investigación y documentación
Se realizó una investigación de los elementos, los factores y las variables requeridos para la ejecución de este trabajo, entre los cuales destacan: fundamentación teórica del monitoreo cardíaco ambulatorio, bases teóricas del sistema eléctrico del corazón y conocimientos sobre la tecnología inalámbrica Zigbee.
Fase de diseño
Para esta fase se elaboró inicialmente un diagrama de bloques donde se proyectó el comportamiento del dispositivo ya terminado, en la figura 2 se observa el diagrama de bloques de funcionamiento del prototipo. Se concibió un prototipo de monitoreo cardíaco ambulatorio utilizando componentes de bajo consumo de potencia; el dispositivo diseñado captura las señales eléctricas del corazón y las envía a un servidor remoto por medio de la tecnología inalámbrica Zigbee, lo que garantiza un monitoreo constante que hace uso de internet, la información capturada es enviada de forma continua o en periodos de tiempos configurables definidos según el criterio del médico especialista.
Fase de implementación
Para la adquisición, el procesamiento y la visualización de la señal ECG se utilizó el software Labview, ya que ofrece bibliotecas integradas para análisis avanzado y visualización de datos y facilita la creación de instrumentación virtual, con el que se aprovechan funciones específicas para ingeniería como son análisis de frecuencia, ajuste de curvas, filtrado, entre otras; además de realizar análisis en línea en tiempo real en señales adquiridas. El dispositivo diseñado plasma como lineamientos la miniaturización en conjunto con la portabilidad, ya que la señal ECG no es almacenada, sino que es transmitida después que ha sido filtrada y digitalizada. En la figura 3 se puede apreciar un conjunto de los componentes más relevantes utilizados en la construcción del prototipo.
Fuente: elaboración propia.
Figura 3 Materiales más relevantes utilizados en el desarrollo del monitor cardíaco
En la fase de implementación se siguieron las siguientes etapas para el desarrollo del prototipo:
Adquisición aislamiento y tratamiento de la señal electrocardiográfica
La señal cardiaca es recolectada a través de los electrodos adheridos al cuerpo del paciente, esta debe ser amplificada debido a su bajo nivel de voltaje por un amplificador de instrumentación, luego debe ser aislada eléctricamente para protección del paciente con un opto-acoplador y posteriormente realizarse un proceso de cancelación de ruidos y señales eléctricas no deseadas por medio de un filtrado pasa-banda, comprendido entre 0,05 Hz y 100 Hz, por ser este el rango en que se definen las señales EKG.
Amplificador de instrumentación
Para obtener la señal del EKG y realizar un prototipo de bajo costo se utilizaron electrodos de superficie, ya que son más económicos que los de inserción y brindan comodidad al paciente (Electromedicina, 2011). Se deben ubicar unos electrodos en puntos estratégicos del cuerpo según la derivación electrocardiográfica que se seleccione, los cuales captarán impulsos eléctricos que deben ser amplificados por su baja intensidad. Para este fin se seleccionó el amplificador de instrumentación INA128, por su alto rechazo al modo común (CMR - 120dB), de propósito general y bajo consumo de energía que ofrece excelentes características.
En la figura 4 se puede observar el esquema de adquisición de la señal EKG con el integrado INA128P. La ganancia con la que se ha configurado el amplificador de instrumentación para amplificar la señal proveniente del corazón a través de los electrodos es de 1.000 V/V.
Filtrado
Después de adquirir y amplificar la señal en la etapa anterior, es necesario minimizar el ruido y las señales eléctricas indeseadas. Al tener en cuenta que solo son requeridas las componentes de señal en un rango de frecuencias comprendido entre 0,05 Hz y hasta 100 Hz, se implementó un filtrado pasa-banda constituido por un filtro pasa-altos y un filtro pasa-bajos, diseñados para el rango de frecuencias anteriormente mencionado. El amplificador operacional seleccionado para el filtrado es el cuádruple OPAM TLC2274 de Texas Instruments, cuya principal característica es ser un amplificador de bajo ruido y rail to rail, es decir que el voltaje de salida del operacional nunca alcanzara a VDD (voltaje de alimentación positiva), sino que será ligeramente inferior. Adicionalmente, proporciona un ancho de banda de 2 MHz y una corriente de polarización de entrada típica de 1 pA. En la figura 5 se aprecia un diagrama de bloques del filtro pasa-banda.
Acondicionamiento
Luego de ser filtrada, la señal electrocardiográfica debe ser digitalizada para ser transmitida posteriormente de forma inalámbrica. Previo a la transmisión, para que el microcontrolador pueda realizar adecuadamente el muestreo de la señal EKG, esta debe acondicionarse a niveles de voltaje comprendidos entre 0 y 5 V.
El OPAM LM358 de la empresa Texas Instruments fue seleccionado para acondicionar la señal proveniente del filtrado pasa-banda y, por tanto, garantizar que los niveles de voltaje no superen los 5 V ni que bajaran de los 0 V. En la figura 6 se observa el esquema acondicionamiento de la señal EKG con el LM358.
Selección del microcontrolador
La selección del PIC 18F452 se debe a su conversor de datos de 10 bits, este PIC cuenta con una memoria de 32k que permite adquirir y transmitir los datos al módulo Zigbee y monitorear otros procesos del prototipo, con el fin de garantizar la continuidad de la transmisión de la señal.
Transmisión y recepción inalámbrica
Posterior al muestreo realizado por parte del conversor ADC de 10 bits del PIC18F452, la señal de EKG es transmitida inalámbricamente por medio de un módulo Zigbee configurado como END DEVICE AT y recibida por un módulo Zigbee configurado como COORDINADOR AT, el cual está conectado por medio de una tarjeta RS232-USB a un computador.
Fuente de voltaje
Para la alimentación del dispositivo transmisor del prototipo de monitoreo cardíaco se seleccionó una batería recargable de Ion de Litio de 9V / 350 mAh, ideal para un sistema portátil de bajo consumo.
La fuente primaria de voltaje es la batería de 9V, la cual por medio del circuito integrado ICL7660 es convertida a un valor negativo, el regulador LM7905 se encarga de estabilizar y permite entregar de forma constante -5V, los cuales son requeridos por los circuitos integrados de alimentación dual junto a los 5V regulados por un LM78LS05, traduciéndose este sistema en una fuente dual óptima.
Elaboración del software aplicativo
El funcionamiento del software comienza con el proceso de adquisición de datos en el VI (instrumento virtual) o VISA (del inglés Virtual Instrument Software Architecture) serial de Labview, el cual permite configurar los parámetros como baudios de transmisión, bits de datos, paridad y control de flujo que harán que el proceso de adquisición de datos sea correcto. Luego de realizada la adquisición de datos se hace la representación gráfica de las señales cardíacas para someterlas a un proceso de filtrado que favorecerá la visualización óptima de la señal.
Evaluación de resultados
Para finalizar con la fase de desarrollo del prototipo, se creó el manual de instrucciones para el correcto manejo del hardware y del software que hacen parte del proyecto y se realizaron las pruebas necesarias para determinar la confiabilidad del sistema.
Resultados
Visualización de la señal
La señal adquirida es procesada digitalmente, para visualizarla se utiliza la interfaz de adquisición de datos, a su vez, esta señal está siendo almacenada y transmitida a través de internet mediante la aplicación “Cliente-Servidor”, la cual debe ser configurada para que exista comunicación y el proceso de transmisión sea satisfactorio. En las figuras 7 y 8 se puede apreciar la interfaz de la aplicación del servidor y la interfaz de la aplicación del cliente respectivamente. La figura 9 muestra la señal cardiaca en el computador local, la cual ha pasado por el proceso de adquisición, aislamiento y filtrado análogo, transmisión inalámbrica y filtrado digital. Para la correcta configuración de la aplicación se creó el manual de instrucciones para el manejo del software, de igual manera se diseñó un manual para el adecuado uso del hardware que hace parte del proyecto, se realizaron las pruebas necesarias en compañía del médico especialista para determinar la confiabilidad del sistema.
Evolución del proyecto
Este proyecto da origen a una segunda fase, la cual se encuentra actualmente en periodo de diseño y desarrollo, donde se pretende actualizar y ampliar características del mismo, por ejemplo, aplicar la tecnología Bluetooth BLE que posee características de última generación como tamaño reducido, bajo costo, ahorro de energía y compatibilidad con la mayoría de dispositivos inteligentes (Collotta y Pau, 2015). Otra evolución que se pretende lograr sería el desarrollo de una aplicación para dispositivos móviles Android que reemplazará la aplicación del cliente creada en Labview. Con la evolución propuesta se pretenden obtener mejoras como un menor consumo de energía, un tamaño reducido, una mayor portabilidad y una mejor ergonomía, etc.
Conclusiones
Este trabajo de investigación y de desarrollo propone una forma de monitoreo cardíaco ambulatorio que implementa la tecnología inalámbrica Zigbee e internet, al enviar la información recolectada de forma continua o por periodos de tiempos configurables hacia centros médicos, de acuerdo con los criterios de los médicos especialistas en esta área.
La utilización del prototipo no compromete el estado clínico, la salud ni la seguridad de los pacientes o de quienes estén en contacto con los mismos, por lo tanto, garantiza la seguridad del paciente, ya que cuenta con los parámetros de protección requeridos tales como circuitos de protección y de aislamiento que lo califican como un dispositivo confiable.
Cuenta con un sistema de transmisión inalámbrico que permite el desplazamiento del paciente dentro de un perímetro específico sin incomodar a la persona portadora de este equipo de monitoreo, con las mejoras propuestas, como la incorporación de Bluetooth BLE, se permitirá un rango más amplio de desplazamiento, siempre y cuando se mantenga el dispositivo móvil dentro de un perímetro establecido.
