Grupo de Dinámica Cardiovascular, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia.

Correspondencia: John Bustamante O., MD., Ph.D., Grupo de Investigación Dinámica Cardiovascular, Bloque 7. Escuela de Formación Avanzada, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia. A.A.: 56006, Tel.: (4) 4159015.

Recibido: 24/04/06. Aprobado: 02/05/06.

Palabras clave: monitor de eventos, electrocardiografía, procesamiento de señales biomédicas, arritmias, asistente digital personal.

Ambulatory monitoring of electro-cardiac events constitutes a valuable tool in the diagnosis of cardiac arrhythmias involved in pathologic processes such as myocardiopathies, post-infarction stages, autonomous cardiac system injuries, etc.; unfortunately, its extensive use is not possible yet, due to the high costs that imply the acquisition of these equipments. For this purpose, through the utilization of personal digital assistants, a monitor of cardiac events with pre and post-symptomatic recording capacity, electrocardiographic signal visualization in real time, automatic recording of bradycardias and tachycardias and the possibility of annotation of symptoms by the patient, is designed and developed. It consists of a hardware component for the acquisition and treatment of the signals, a software for the monitoring in Palm OSÒ platform and an appliance for the discharge and analysis of the stored data. Prototype validations were realized through an electrocardiographic simulator, an arrhythmia simulator based on arrhythmia data base registers of the Massachusetts Institute of Technology and Beth Israel Hospital and on pilot tests of healthy people and of patients with arrhythmias. In this preliminary report, we show the way in which the developed prototype constitutes a viable alternative for ambulatory monitoring of arrhythmia, taking advantages of the storage capacity, processing and visualization that have the actual digital assistances with the additional advantages that its use is not restricted to only one utility and its economic accessibility is facilitated due to its wide commercial availability.

Key words: events monitoring, electrocardiography, biomedical signal processing, arrhythmias, personal digital assistant.

Introducción

Las enfermedades de origen cardiovascular son la mayor causa de muerte en los países occidentales (1); la patología que involucra alteraciones del ritmo cardiaco, incidiendo en su funcionalidad, cubre un importante espacio de este renglón. El diagnóstico precoz de la patología cardiaca, incluyendo el estudio de las arritmias, es imprescindible para establecer un tratamiento eficaz y oportuno (2). Una de las herramientas básicas con las que ha contado el cuerpo médico para este propósito, es el electrocardiograma, que desde su invención a finales del siglo XIX ha desempeñado un papel importante en el diagnóstico de arritmias cardiacas y otras enfermedades del corazón.

El electrocardiograma de trazo corto se realiza bajo un ambiente controlado, con el paciente en reposo y con ciertas condiciones ambientales preestablecidas, incoveniente que muchas veces hace que los síntomas que aquejan al paciente, no se manifiesten durante el examen. Buscando hacer una evaluación bajo condiciones presentadas en la vida cotidiana, el físico Norman Holter en 1961 desarrolló el denominado registro Holter. Esta técnica permite el registro continuo de electrocardiograma en una cinta magnética o en soporte de estado sólido, para posteriormente proceder a su lectura e interpretación. Sin embargo, el análisis de señales almacenadas durante varias horas es complejo, y además conlleva un requerimiento de memoria importante para el dispositivo, por lo que se limitan los tiempos de registro. De otro lado, en distintos estudios se han demostrado diagnósticos en bajos porcentajes dentro de las primeras 24 ó 48 horas que cubre el Holter; Scott y colaboradores argumentan que en el caso de los Holter de 48 horas, resultan diagnósticos sólo en el 35% de los casos, debido a que muchos de los síntomas de interés no aparecen en las primeras 48 horas de monitoreo (3).

Una variación de esta técnica desarrollada posteriormente es el monitoreo de eventos, el cual consiste en el registro de señales electrocardiográficas sólo en el momento en el que se presentan eventos reconocidos como anormales en el paciente, por lo que se ahorra capacidad de memoria y se pueden hacer registros más prolongados. Con esta herramienta se ha podido analizar de forma ágil la actividad eléctrica cardiaca en las distintas situaciones de la vida real, mientras el paciente desarrolla las actividades cotidianas, además de aumentar los aciertos diagnósticos por cubrir mayores periodos de seguimiento (4-7). Sin embargo, debido a su compleja tecnología los hace costosos en nuestro medio, por lo que infortunadamente aún no es posible su uso extensivo como método diagnóstico en poblaciones especialmente susceptibles de enfermedad cardiovascular, lo que permitiría diagnósticos más tempranos y subsecuentemente el manejo terapéutico precoz (8).

Considerando estas limitaciones, se buscan nuevas fuentes y herramientas diagnósticas, una de las cuales pretende aprovechar las capacidades de cálculo y procesamiento de sistemas computacionales como los asistentes digitales personales, más bien conocidos como PDA (por las siglas en inglés de los dispositivos Personal Digital Assistant), para el registro de la señal electrocardiográfica. Aunque en la actualidad existen equipos comerciales, estas aplicaciones han limitado su orientación al registro de electrocardiogramas de trazo corto, con lo que queda sin explotar la opción de realizar el monitoreo de eventos por largos periodos de tiempo (9, 10). Desde este punto de vista, el desarrollo de una herramienta que flexibilice el monitoreo cardiaco se considera un aporte importante y relevante. Entre estos se encuentra el aprovechamiento de las capacidades de almacenamiento y procesamiento de los PDA en la realización de monitoreo de eventos, implementando funcionalidades tales como grabación pre-sintomática, grabación automática de anormalidades, visualización en tiempo real de la señal electrocardiográfica y la frecuencia cardiaca, y características adicionales como la posibilidad de que el paciente haga anotaciones de síntomas en el mismo dispositivo que realiza el monitoreo. Son estas las prestaciones del dispositivo desarrollado: Monitor de Eventos Cardiacos CARE (Cardiac Abnormality REcorder; Pat. Pend. 05108395/05), cuyo reporte preliminar se presenta en este trabajo.

Materiales y métodos

Adicionalmente, se diseñó y desarrolló una herramienta de software para una estación de trabajo o computador de escritorio (PC), que permite la descarga de datos almacenados en el dispositivo portátil, para su posterior análisis por parte del cardiólogo o electrofisiólogo.

Adquisición de la señal electrocardiográfica

Los potenciales de acción que se generan en el corazón viajan hasta la piel, donde pueden medirse en forma de potenciales extracelulares dando así origen a la señal electrocardiográfica, la cual tiene que ser amplificada para su posterior tratamiento y monitorización. Para obtener esta señal, se desarrolló un componente de hardware externo al PDA en el que se amplifican, filtran y digitalizan las señales que provienen del paciente, para luego enviarlas por comunicación serial RS232 a la computadora de mano. Para este propósito se tuvieron en cuenta los factores de interferencia que se pueden presentar al trabajar con potenciales bioeléctricos, así como también los bajos niveles de voltaje de la señal electrocardiográfica (14). Una vez digitalizada la señal, los datos son enviados al PDA mediante un protocolo de comunicación diseñado para este propósito.

En el diseño del hardware se consideró el espectro de frecuencias de la señal electrocardiográfica, tanto para calcular las frecuencias de corte de los filtros electrónicos como para fijar la frecuencia mínima de muestreo de los conversores analógico-digitales de los equipos. Para una señal electrocardiográfica normal el ancho de banda es de apenas unas decenas de Hertz (Figura 2), debido a la relativa lentitud de los potenciales de acción cardiacos. Habitualmente, para un análisis clínico se considera que el espectro de la señal electrocardiográfica se extiende desde una frecuencia aproximada de 0,01 Hz hasta los 150 Hz, pero en el monitoreo ambulatorio de eventos cardiacos se considera de interés sólo el espectro comprendido entre 0,5 Hz hasta los 50 Hz (15) (Figura 3).

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La configuración de los amplificadores utilizados para este propósito se conoce como bioamplificadores de instrumentación, los cuales tienen una configuración particular determinada por la problemática asociada con la captación de las señales extracelulares (14). Se pueden utilizar amplificadores de elevada ganancia para acondicionar el bajo nivel de la señal electrocardiográfica, pero el problema fundamental no es sólo elevar el nivel de la señal, sino la reducción máxima de las interferencias que se encuentran mezcladas con ella y que presentan la característica de ser, en la mayoría de los casos, de mayor amplitud que la señal, además de tener un espectro de frecuencias que coincide en parte con el de ésta.

Para sortear entonces las interferencias presentes en el registro de señales electrocardiográficas, se buscó que el equipo de adquisición presentara las siguientes características: amplificación diferencial, alta impedancia de entrada, alto rechazo al modo común CMRR, componentes con bajo ruido interno, electrodos de baja impedancia y buena abrasión, cables apantallados con la pantalla conectada a una tensión común, un tercer electrodo conectado a un potencial de referencia, configuración de los cables con bucles mínimos, filtros pasa alto que reduzcan los componentes de bajas frecuencias de los artefactos de movimiento sin distorsionar demasiado la señal, filtros pasa bajo que limiten al máximo el ancho de banda de la señal conservado sólo las características importantes para el monitoreo y filtros elimina banda que reduzcan al máximo los componentes puntuales de ruido tal como la señal de 60Hz del fluido eléctrico domiciliario.

Monitoreo de la señal electrocardiográfica

Los monitores Holter registran la señal electrocardiográfica de forma continua durante 24 ó 48 horas en una cinta magnética o en soporte de estado sólido, y pueden tener varios canales e interfaces de comunicación seriales para transmitir los datos a un PC. Sin embargo, este tipo de monitores Holter no siempre son efectivos en el diagnóstico de arritmias, debido a que muchos de los síntomas de interés no aparecen en las primeras 48 horas de monitoreo (3); además, el análisis de extensas horas de señal registradas es muy tedioso, por lo que se pueden pasar por alto algunos trazos importantes. Por ello, se trabajó en el desarrollo de un sistema que sólo graba la señal cuando el paciente percibe síntomas y a propósito activa el sistema para que registre el electrocardiograma en dicho momento, o cuando el sistema detecta de manera automática alguna anormalidad en el ritmo cardiaco. Con ello se pretende poder ser usado por largos periodos de tiempo, capturando en mayor parte las señales de interés, las cuales, con frecuencia, ocurren en coincidencia con la presencia de síntomas.

El monitor de eventos que se desarrolló en este trabajo es del tipo pre-sintomático, en el cual los electrodos se encuentran colocados en forma permanente, y además, se cuenta con un búfer de memoria de bucle a través de la cual la señal electrocardiográfica es grabada y continuamente es sobrescrita. Así, cuando se experimenta un síntoma como taquicardia, aleteo, precordialgia, mareo, etc., el paciente puede activar el monitoreo mediante un botón de activación en pantalla, entonces, con la aplicación de apuntadores de memoria, los datos almacenados en el búfer se trasladan a otra zona de memoria para su almacenamiento permanente. De esta forma, gracias a la memoria de bucle, es posible guardar una actividad representativa de electrocardiograma de los periodos previos, durante y después de que el paciente experimente los síntomas y active la grabación. Esta información se guarda hasta que el paciente pueda ir a un centro asistencial para descargarla y analizarla en un servicio de estudio electrofisiológico.

Con el dispositivo desarrollado, la grabación de señal electrocardiográfica no requiere ser expresamente activada por parte del paciente; la grabación automática es posible en el prototipo de monitoreo CARE, gracias a la implementación de un algoritmo de cálculo de la frecuencia cardiaca en tiempo real, basado en el algoritmo de detección del segmento QRS de Pan y Tompkins (15, 16). A partir de los rangos en que ésta se encuentre y dependiendo de los valores normales ajustados por el especialista de acuerdo con el tipo de paciente, es posible determinar la anomalía de la señal y activar la grabación de forma automatizada. De esta manera se registran bradicardias, taquicardias, asistolias y arritmias severas, en las que el paciente presente marcada limitación y no es capaz de activar la grabación por si mismo, o por otras enfermedades coincidentes que limiten su movilidad y autonomía.

Los parámetros del monitoreo, tales como los segundos de grabación previos a la activación, los segundos posteriores a la activación y el rango normalizado de la frecuencia cardiaca, pueden ser configurados por el especialista según las características del paciente. Ello se realiza por medio de una ventana de configuración donde se pueden seleccionar diferentes valores para los diversos parámetros, activar o desactivar la grabación automática, así como ingresar otra información relevante del paciente (Figura 4). El tiempo máximo de cada evento guardado es de 19 minutos, periodo suficiente para capturar las señales de interés. Este máximo evento guardado conlleva una memoria de sólo 167 KB en el equipo, lo que le brinda una gran capacidad de almacenamiento.

Uno de los aspectos más importantes de equipos como un monitor de eventos cardiacos es su interfaz gráfica, la cual debe permitir que el paciente sea capaz de utilizar el sistema de una manera eficiente, intuitiva, rápida y cómoda. De allí que la interfaz desarrollada debe tender a optimizar al máximo el pequeño espacio en la pantalla de la computadora de mano, así como las funciones que se pueden habilitar mediante estos accesos (Figura 5).

La interfaz principal cuenta con grandes botones en pantalla para las opciones más trascendentales y más utilizadas, como son la activación de los eventos y la visualización de la señal electrocardiográfica en tiempo real, con el despliegue de alguna información de interés como la frecuencia cardiaca, el tiempo de monitoreo y el número de eventos guardados; así como con un campo de texto habilitado donde el paciente puede realizar anotaciones acerca de síntomas presentados.

Descarga y análisis de eventos registrados

Para la recuperación de los eventos registrados en la memoria del dispositivo portátil PDA y asociados con las respectivas anotaciones del paciente acerca de los síntomas, la descarga de la información se realiza utilizando comunicación serial RS232 con la estación de trabajo o computadora de escritorio PC.

Una vez los datos se encuentran en el PC, el proceso de análisis de los eventos se realiza mediante el software CARECA (Cardiac Analysis) desarrollado en este trabajo, el cual permite visualizar la señal electrocardiográfica de cada uno de los eventos, los comentarios realizados por el paciente, y datos particulares del evento como fecha, hora y duración. Cuenta con la posibilidad de utilizar cursores de desplazamiento que permiten medir diferencias en niveles de voltajes e intervalos de tiempo, así como escalar las magnitudes de la señal. Dispone de un campo de texto donde el médico puede llevar a cabo anotaciones, y adicionalmente cuenta con la capacidad de imprimir reportes del análisis realizado a los eventos, en los que se puede visualizar información general del paciente, segmentos de interés de la señal electrocardiográfica y las observaciones y comentarios del paciente y del médico.

Resultados

Posterior a los procesos de optimización realizados al sistema, en términos de manejo de la señal, visualización y detección automática de anormalidades, se evaluó el funcionamiento del prototipo desarrollado para el monitoreo mediante diferentes tipos de ensayos que comprometían varios métodos, cada uno con el fin de validar diferentes características del sistema. Estos incluyeron desde señales obtenidas mediante procesos de simulación, como también señales obtenidas de pacientes y personas sanas.

Pruebas con base de datos de arritmias

Con la ayuda de la base de datos electrocardiográfica de arritmias del Massachusetts Institute of Technology (MIT) se efectuaron pruebas con el objetivo de evaluar el comportamiento del software CARESC (Signal Capture) para la aplicación en el dispositivo portátil PDA. Éstas consistían en ingresar señales de diferentes pacientes y cardiopatías tras lo cual se midió el desempeño del algoritmo de detección automática de la frecuencia cardiaca, y la correspondencia de los tiempos y amplitudes de la visualización con los valores reales.

Esta base de datos es un conjunto de 4.000 registros de señales electrocardiográficas obtenidas de monitores Holter en pruebas que se realizaron en pacientes en el Beth Israel Hospital (BIH), con la supervisión de Biomedical Engineering Center del MIT. Para leer este formato se desarrolló con el presente trabajo un algoritmo específico utilizando el programa Matlab®, el cual lee los datos y los encabezados de los registros, hace una conversión de frecuencia de muestreo (los registros de la base de datos están muestreados a 360 mps) y transcribe los datos obtenidos en un archivo de texto. Para realizar la simulación con los datos de los registros, se desarrolló un programa de software que adquiere los datos del archivo de texto y los envía al dispositivo portátil PDA por el puerto serial; de esta manera el módulo PDA recibe los datos tal como lo haría del módulo externo.

Pruebas con un simulador de señales electrocardiográficas

Con el fin de evaluar la calidad de adquisición de las señales obtenidas con el módulo externo y la respuesta del software CARESC (Signal Capture) frente a diferentes morfologías de la señal electrocardiográfica, se llevaron a cabo pruebas utilizando un simulador de señales electrocardiográficas marca Nihon Kohden Ref. AX–800P Vital Sign. Estas pruebas se realizaron conectando los cables de los electrodos del monitor en las terminales del simulador, y programando éste para que entregara señales electrocardiográficas con diferentes patologías. En la figura 6 se pueden apreciar unas señales capturadas con el CARE, emitidas por el simulador electrocardiográfico: (A) bigeminismo, (B) taquicardia ventricular.

Con el propósito de evaluar el comportamiento del monitor CARE en situaciones reales, se procedió a realizar pruebas finales con el prototipo mediante la participación de pacientes voluntarios en las instalaciones del Centro Cardiovascular Colombiano Clínica Santa María. Estas pruebas se realizaron simultáneamente con un equipo Holter Del Mar Medical, mediante las cuales se comparó la calidad de las señales obtenidas con ambos equipos.

En la figura 7 se observa una señal obtenida con el equipo comercial Holter Del Mar Medical, con el que se realizaron las pruebas de referencia, la cual puede compararse con la señal que se obtuvo con el dispositivo de monitoreo CARE en el mismo paciente, según se presenta en la figura 8. Se puede resaltar la estabilidad de la línea isodifásica de la señal obtenida con el monitor CARE, así como la captura de un evento eléctrico. Se observa que la calidad de las señales es igual que la entregada por equipos de monitoreo ambulatorio de similar aplicación existentes en el mercado. Las señales electrocardiográficas presentadas se obtuvieron de un paciente de 84 años, de género masculino, de la Clínica Cardiovascular Santa María, quien acusaba contracciones prematuras ventriculares.

En la figura 9 se presentan algunas señales anormales capturadas con el monitor CARE mientras los pacientes deambulaban libremente o realizaban las actividades cotidianas. El sistema se desempeñó satisfactoriamente y de manera estable.

Durante las pruebas realizadas con los registros tomados del simulador electrocardiográfico y los registros de señales en pacientes y sanos voluntarios, se llevaron a cabo valoraciones de validación del sistema de monitoreo CARE, pruebas que fueron seguidas por médicos cardiólogos y electrofisiólogos quienes supervisaron cada una de ellas, analizando la calidad de las señales obtenidas, su visualización y registro, así como también la filosofía de operación del sistema y funcionalidades implementadas. Gracias a estos ensayos, se pudo llevar a cabo un seguimiento eficiente del proceso de desarrollo y optimización del prototipo, ajustando la forma de representar las señales, la validez de las escalas utilizadas, la calidad de la señal y la respuesta de los algoritmos de detección ante señales de diferentes patologías.

La versatilidad del sistema desarrollado se traduce en varios aspectos. El software CARESC (Signal Capture) implementado en el dispositivo portátil PDA, permite ajustar parámetros tales como el tiempo de pre-grabación y post-grabación, de tal forma que el tiempo de duración de un evento puede oscilar entre 20 segundos y 19 minutos. Teniendo en cuenta la duración máxima de un evento se pueden almacenar al menos 98 eventos en un espacio de 16 MBytes de memoria disponible. Otra de las ventajas es la posibilidad de tener diagnósticos oportunos, dado a los finos trazos obtenidos y que con sus opciones de conectividad ofrecen la opción de enviar por Internet los registros de los pacientes a centros más especializados de atención.
Al realizar las pruebas del dispositivo con pacientes en ambientes no controlados, deambulando libremente y realizando las actividades cotidianas, el sistema se desempeñó satisfactoriamente y de manera estable, y permitió apreciar las características requeridas para un monitoreo de eventos cardiacos de calidad. A su vez, demostró la utilidad de su uso como sistema portátil de evaluación, el cual podría servir como herramienta diagnóstica fácil de portar por parte de los médicos y los equipos de transporte médico asistencial, así como también para el seguimiento de los pacientes en los centros de acondicionamiento y rehabilitación física.

Conclusiones

Como se deja ver en este reporte preliminar, el prototipo desarrollado constituye una alternativa para el seguimiento de pacientes afectados de arritmias cardiacas. El resultado de este proyecto, relacionado con la detección y registro de eventos electrocardiacos vinculados en un monitor desarrollado mediante el empleo de herramientas de hardware y software, y utilizando técnicas de procesamiento de señales, mediante el uso de una plataforma PDA, es muy promisorio. Contar con un dispositivo versátil, portátil y a menores costos, que permita hacer seguimientos a distintas patologías cardiacas, será en un futuro cercano una de las metas de la actual investigación. Si otras técnicas diagnósticas de mayor complejidad y de altos costos no pueden ser aplicadas en amplios estudios poblacionales, el uso de un equipo como el que se presenta en este trabajo, puede ser útil en el diagnóstico de poblaciones especialmente susceptibles de enfermedad cardiovascular, permitiendo diagnósticos más tempranos y subsecuentemente el manejo terapéutico precoz.

A partir de lo obtenido con este reporte, se reconoce la importancia de continuar con una labor de optimización y pruebas sistemáticas que permitan realizar una validación más extensa del prototipo desde el punto de vista funcional, donde la principal expectativa al finalizar el proyecto es dejar al servicio de la comunidad una herramienta que posea la suficiente calidad y rendimiento para ser utilizada en los centros asistenciales para el seguimiento de los pacientes de manera confiable y segura.
Como extensión de este proyecto se está abordando el desarrollo e implementación de un sistema de tele-monitoreo inalámbrico de eventos cardiacos WHAM (Wireless Heart Arrhythmia Monitoring), que dará mayor versatilidad a este dispositivo diagnóstico.

Agradecimientos

Agradecimientos expresos por la participación y apoyo del médico cardiólogo Carlos Gómez del Departamento de Electrofisiología de la Clínica Cardiovascular Santa María, donde se realizaron las pruebas de este trabajo, así como al ingeniero Mauricio Vanegas del Grupo de Investigaciones en Microelectrónica de la Universidad Pontificia Bolivariana. Igualmente, se agradece el apoyo recibido por los ingenieros Daniel Ruiz, Diego Silva y Juan D. Rodas, los médicos cardiólogos Carlos Restrepo y Augusto Ordóñez, y los estudiantes de medicina Andrés Estrada y Andrés Zapata, quienes estuvieron vinculados en algunas fases del proyecto. Muy especiales agradecimientos y reconocimientos al Instituto Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnología -COLCIENCIAS- que cofinanció este trabajo; así como a la empresa de comunicaciones COLOMBIA MÓVIL S.A., el Centro de Ciencia y Tecnología de Antioquia -CTA- y la empresa DIES Ltda., empresas con las que se abordaron unas nuevas etapas de desarrollo en sistemas de monitoreo de eventos cardiacos.

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