1. INTRODUCCIÓN Este proyecto nace ante la necesidad de digitalizar el fisiógrafo análogo que pertenece a la Facultad de Medicina de la Universidad Pontificia Bolivariana
Esta es la segunda fase del proyecto macro “DIGITALIZACIÓN DE UN FISIÓGRAFO TIPO MK-III-P NARCO SCIENTIFIC BIO-SYSTEM DIVISIONS”; se desarrolló un dispositivo que permite adquirir y procesar la señal ECG para su posterior visualización en una pantalla de cristal líquido sin necesidad de conectar el fisiógrafo a un computador.
Diseñar e implementar una interfaz de visualización de señales electrocardiográficas de un fisiógrafo tipo MK-III-P de Narco Scientific Bio-Systems Divisions y a través de un software permitir su posterior procesamiento. Objetivos Específicos: Realizar la búsqueda bibliográfica necesaria para la selección de una pantalla de cristal líquido apropiada para los propósitos del proyecto. Estudiar el principio de funcionamiento de las pantallas gráficas de cristal líquido y construir su hardware controlador. Implementar una interfaz fisiógrafo – LCD, la cual permita el acondicionamiento de la señal para su posterior procesamiento. 2. OBJETIVOS
Implementar herramientas de procesamiento de señales tales como transformada rápida de Fourier, zoom a ciertas regiones de la señal, cambio en escala de frecuencia y amplitud y congelamiento de imagen a partir de la señal capturada del módulo de electrocardiografía del fisiógrafo tipo MK-III-P de Narco Scientific Bio-Systems Division.
Realizar una correcta distribución de la información a ser mostrada en la pantalla para que ésta sea clara y de fácil lectura.
Desarrollar una página WEB del proyecto, donde se exponga la documentación del trabajo al igual que los avances que se realicen.
2. OBJETIVOS
3. IMPORTANCIA DEL TRABAJO Este proyecto macro busca propiciar un uso asiduo de este equipo tanto en la investigación como en la docencia, habilitando el equipo para su uso en investigaciones tanto del Centro de Bioingeniería como de los grupos de la Facultad de Medicina, lo que se verá reflejado en un gran aporte a nivel académico.
La digitalización del módulo de ECG es un gran avance en la digitalización total del fisiógrafo. La implementación de un fisiógrafo digital utilizando uno análogo ya existente, sin necesidad de importar, se refleja en un beneficio económico y científico.
Este trabajo es el primer paso hacia la portabilidad del fisiógrafo, con lo cual se eliminaría la necesidad de conectar el equipo a un computador, con la comodidad y practicidad que ésto implica.
3. IMPORTANCIA DEL TRABAJO Al realizar un procesamiento posterior a las señales adquiridas se puede hacer un análisis exhaustivo de la misma, especialmente al observar el espectro en el dominio de la frecuencia.
Importancia del monitor ECG: Investigaciones de señales biomédicas Morfología del ECG Periodicidad complejos Isquemias Arritmias Crecimiento de cavidades
4. LA SEÑAL ECG La Señal Electrocardiográfica (ECG) es un registro de la actividad eléctrica cardiaca.
En ECG, las derivaciones corresponden a la medición de la actividad eléctrica del corazón desde determinadas regiones del cuerpo humano.
4. LA SEÑAL ECG
Las señales que se pueden observar en un registro ECG normal son la onda P, el complejo QRS y la onda T.
5. EL ELECTROCARDIÓGRAFO Es un instrumento sensible a las pequeñas diferencias de potencial que genera el corazón y las grafica en papel electrocardiográfico.
El electrocardiógrafo dispone de transductores, acopladores, filtros, estiletes y amplificadores que permiten dibujar el registro ECG.
5. EL ELECTROCARDIÓGRAFO El fisiógrafo usado para la realización de este trabajo posee una salida de monitoreo de señal ECG, la cual fue conectada al dispositivo VIFIBIO, quien es el que se encarga del proceso de adquisición, procesado y graficación de la señal ECG.
6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO General (Gp:) Microcontrolador 1 (Gp:) Microcontrolador 2 (Gp:) Memoria (Gp:) EEPROM (Gp:) Pantalla de (Gp:) Cristal Líquido (Gp:) 1. Escritura de (Gp:) Datos en el (Gp:) dominio del (Gp:) tiempo (Gp:) 2. Lectura de los datos (Gp:) para iniciar el procesamiento (Gp:) 3. Procesamiento. (Gp:) Se halla el espectro (Gp:) 4. El resultado (Gp:) se almacena (Gp:) en la memoria (Gp:) 5. Lectura de los datos (Gp:) ya procesados (Gp:) 6. Visualización de (Gp:) la señal o espectro (Gp:) de la señal ECG
Adquiere y digitaliza la señal ECG
6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO Hardware para los microcontroladores:
Se utilizaron dos microcontroladores MOTOROLA HC08GP32. El primero tiene por función la adquisición y digitalización de datos, al igual que la graficación en la pantalla. El segundo se usó exclusivamente para realizar procesamiento.
Se usaron estos microcontroladores por su rápida velocidad de reloj que es de 8 MHz y su capacidad de almacenamiento de variables
6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO Hardware para la memoria MICROCHIP 24LC256:
Ambos microcontroladores descritos anteriormente se comunican con una memoria EEPROM, en la cual se guardan los datos adquiridos en el dominio del tiempo, los resultados intermedios de la función de procesamiento y el resultado final del espectro de la señal.
6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO Hardware para la Pantalla de cristal líquido:
La visualización de la gráfica de la señal ECG y su espectro se realizó en una pantalla de cristal líquido (LCD) marca Hyundai referencia HG25504.
Esta pantalla cuenta con el controlador SED1330F. Gracias a este controlador se dispone de una gama de instrucciones que permiten mostrar texto y gráficos simultáneamente.
6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO Hardware para el acondicionamiento de la señal:
La señal procedente de la salida de monitoreo del fisiógrafo presenta rangos de voltaje variados.
Se requiere de un circuito intermedio que acondicione la señal entre 0 voltios y 5 voltios, de tal forma que el microcontrolador que realiza el proceso de adquisición pueda realizarlo correctamente y no sufra daños.
6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO El circuito diseñado eleva el nivel de DC de la señal original, eliminando las partes negativas de la señal. Además de este circuito, también se incluye un filtro de para limitar el ancho de banda de la señal entre 0 y 150 Hz (señal ECG).
6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO Software Microcontrolador 1: Está programado en ASSEMBLER, lleva a cabo la adquisición de datos, la conversión A/D, la temporización por medio de TBM con el fin de validar el dato capturado y el reloj para el protocolo de comunicaciones I2C.
6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO Software microcontrolador 2: El microcontrolador 2 está programado en lenguaje C (CodeWarrior) y trabaja sólo bajo orden directa del microcontrolador 1. Su función es realizar el algoritmo de procesamiento que permite hallar el espectro de la señal ECG almacenada en la memoria.
6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO Software de la Pantalla de Cristal Líquido (LCD): en el microcontrolador 1 se encuentran las rutinas referentes a la escritura de datos en la pantalla. Se diseñaron rutinas de borrado, de dibujado de la señal al igual que un algoritmo para dibujar el espectro. El tiempo de inicialización de la pantalla es corto, al igual que el proceso para dibujar cada píxel en la pantalla.
6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO Protocolo I2C por Software: se implementó el protocolo de comunicaciones I2C para poder escribir y leer datos de la memoria EEPROM Microchip 24LC256. La memoria juega un papel muy importante en VIFIBIO, porque es donde se almacenan los resultados de la etapa de procesamiento.
7. OPERACIÓN DE VIFIBIO Funciones de operación:
Modo Captura Simple
Borrar pantalla
Modo Captura Continua
Pausa
Espectro
7. OPERACIÓN DE VIFIBIO Perillas:
8. RESULTADOS VIFIBIO como un todo
8. RESULTADOS V1
Senoidal de 1 Hz muestreada a 204 Hz Senoidal de 1 Hz muestreada a 1024 Hz
8. RESULTADOS V3
8. RESULTADOS V2
8. RESULTADOS V4
8. RESULTADOS V5
8. RESULTADOS Videos de VIFIBIO en Funcionamiento Video 1: Descripción del Fisiógrafo, módulo ECG y salida MON-OUT Video 2: Barrido de señal, circuito, conexiones. Video 3: Señal senoidal Video 4: Funcionamiento de selector de amplitud con señal senoidal Video 5: Funciones PAUSA, PARAR, BORRAR y UNA CAPTURA POR PANTALLA
8. RESULTADOS Videos de VIFIBIO en Funcionamiento Video 6: Señal cuadrada, señal senoidal. Selector de frecuencia Video 7: Señal ECG Video 8: Señal ECG Video 9: Señal ECG
8. RESULTADOS Página Web: www.geocities.com/vifibio
9. PROBLEMAS Y SOLUCIONES Problemas en hardware
Fuente de CD a -9V: El LCD necesita una fuente de voltaje negativo con el fin de manejar el contraste. Construir una fuente negativa a partir de una positiva fue una labor que involucró bastante investigación y pruebas.
Protocolo de comunicación I2C: Hubo problemas en la implementación del protocolo I2C. El chequeo con el osciloscopio del diagrama de tiempos acarreó falsas señales de aknowledge. La rutina de interrupción para cambiar de flanco creaba bloqueos.
Pantalla LCD: La resolución de la pantalla es limitada para presentar el espectro de la señal ECG. Este espectro se caracteriza por presentar líneas de pendiente abrupta, y la pantalla no es capaz de representarlas.
9. PROBLEMAS Y SOLUCIONES Inicialización del LCD: Problemas en la determinación de los parámetros de inicialización.
Velocidad del bus de datos en los microcontroladores: La velocidad de bus era muy lenta, lo que llevaba a una baja velocidad de graficación. Se incrementó esta velocidad y el proceso de graficación mejoró radicalmente. Problemas en software
Se debe verificar que el voltaje de alimentación de VIFIBIO sea de 7.5 voltios. Este voltaje es importante porque de él depende el circuito de acondicionamiento de señal y los demás sistemas.
Se deben garantizar condiciones de bajo ruido en el ambiente a la hora de tomar los registros ECG, para que el sistema no adquiera señales indeseadas.
Verificar la firme adhesión de los electrodos al cuerpo con el fin de reducir los efectos del ruido inducido por malas conexiones. 10. RECOMENDACIONES A nivel de usuario:
10. RECOMENDACIONES Sería muy útil usar un DSP que incorpore la transformada de Fourier Discreta como parte del set de instrucciones. Esto ayudaría a reducir el tiempo de procesamiento dada la eficiencia de este tipo de dispositivos.
Se recomienda utilizar un LCD de mayor resolución en etapas posteriores de este proyecto macro, con el fin de obtener la calidad de la señal deseada contenida en un mayor número de períodos por pantalla.
Futuras etapas del proyecto:
11. CONCLUSIONES
Al implementar un sistema de monitoreo embebido de señales ECG, es importante considerar tanto la frecuencia de muestreo como la resolución de la pantalla graficadora, con el fin de obtener la calidad deseada.
Los microcontroladores MOTOROLA HC08GP32 usados permiten llevar a cabo la adquisición, digitalización y procesamiento de señales ECG, obteniendo resultados satisfactorios.
11. CONCLUSIONES
La resolución del LCD empleado es adecuada para visualizar un periodo de la señal ECG pero no es suficiente si se desean observar varios periodos a la vez, al igual que para observar una señal en el dominio de la frecuencia.
El protocolo I2C es muy útil para comunicar dispositivos de diferente clase y función.
11. CONCLUSIONES
La programación en CodeWarrior orientado a una plataforma embebida muestra una manera fácil y eficiente para elaborar programas en los cuales exista un alto nivel de cálculos y procesamiento.
Lenguaje C/C++ es una vía adecuada para realizar el algoritmo de DFT y el cálculo del espectro del la señal ECG.
11. CONCLUSIONES
Las herramientas para variar amplitud y frecuencia de la señal ECG graficada son muy útiles.
La etapa de acondicionamiento de la señal a graficar es muy importante, ya que de ésta depende la nitidez de la señal visualizada