Procesamiento de señales biomédicas en electrocardiogramas y electroencefalogramas

Resumen

Este documento tiene por objetivo presentar la importancia del procesamiento de señales en la medicina, desde una introducción de lo que son las Bioseñales, hasta su empleo en el proceso para obtener resultados útiles que se usan principalmente en el campo de la medicina, estos proceso se ven reflejados en artefactos para monitorear los signos vitales o dar un diagnostico de la salud de un paciente, este documento se extenderá en el procesamiento de señales en los electroencefalogramas (EEG) y electrocardiogramas (ECG) debido a su importancia en los últimos anos en diagnósticos e investigaciones .

Introducción

La definición de "Señal Biomédica" incluye todas la señales usadas en el diagnostico o investigación medica que se originan de alguna manera en el cuerpo, este campo ha sido impulsado principalmente en las últimas dos décadas gracias al desarrollo en el procesamiento de señales.

Cuando el propósito de la señal es el procesamiento, no es muy relevante cual es la fuente de la señal o qué tipo de señal biomédica es, lo que es primordial es el tipo de la señal, sin embargo se hará una breve reseña al los tipos de señales Biomédicas.

Continuando con el desarrollo de este documento se hará un modelado genérico del procesamiento partiendo de una señal biomédica.

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 mas, 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 diagnostico medico 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.

• Señales Biomecánicas: 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.

• Señales Bioquímicas: Generalmente son el resultado de mediciones químicas de tejidos vivos o muestras analizadas en laboratorio.

• Señales 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 liquido amniótico.

• Señales Bioelectricas: Las señales bioelectricas 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 bioelectrica, 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.

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.

4. 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:

• 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.

• Una vez detectada la bioseñal con la ayuda del sensor, generalmente es amplificada y filtrada, ya que las biosenales 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.

• 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 2.1 [1] Esquema genérico 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), ésta 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 2.2 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.

Electrocardiograma (ECG)

Aplicando el procesamiento de bioseñales a un campo en específico, como el cardiovascular tenemos los electrocardiogramas, que son un registro de la actividad eléctrica del corazón medida entre dos puntos de la superficie corporal, con este registro es posible detectar anomalías en el corazón.

Aunque el corazón se encuentra controlado por el Sistema Nervioso Autónomo, este late sin estímulo alguno porque está conformado por una red de fibras miocárdicas especializadas y auto excitables, los electrocardiógrafos se enfocan en recoger estas señales bioeléctricas y amplificarlas a través de unos transductores conectados en el pecho o extremidades del paciente, para luego procesar esta actividad eléctrica y plasmada en un electrocardiograma (ECG).

5.1 Transductores

Anteriormente se dijo que los transductores son los que captan y amplifican las señales bioeléctricas, para los ECG se usan amplificadores operacionales, los transductores proporcionan la proyección del vector cardiaco en la dirección que se mueva.

Figura 3.1 Transductor para ECG

Esquema de un transductor que usa un amplificador operacional que se encarga de recibir las señales del paciente y amplificarlas para que se puedan procesar por un hardware y entregar una señal entendible para el operador.

5.2 Señal ECG

Para explicar la señal resultante de la actividad del corazón podemos observar un ciclo de latido completo:

Figura 3.2 Etapas de un ciclo de latido y sus señales

En la figura es evidente apreciar cómo se genera la señal según avanza el ciclo del latido desde el punto (a) en el que los músculos están en reposo hasta que retoman el reposo en (i).

Figura 3.3 [9] Señal ECG Normal

En la figura se ve que en la señal se consideran varias etapas para tener un mejor control de estos parámetros, los valores normales de estos intervalos se presentan en la siguiente tabla:

Tabla 3.1 Rangos Normales Parámetros ECG

5.3 Ruido Electrocardiográfico.

Al estar tratando con señales de ingreso de 1 [mV] o tal vez menos, el ruido se vuelve un factor considerable, su origen puede ser múltiple, puede tener origen en los equipos que se usen, o pueden ser generados fisiológicamente, como la actividad muscular en la etapa de los complejos QRS.

Como sea el caso cada tipo de ruido debe ser combatido con un algoritmo en especifico, esto se hace para procurar mantener intacta las propiedades de la señal bioeléctrica.

La eliminación del es un problema que se debe eliminar en el procesamiento de las señales, tomemos una señal ECG de muestra con un ruido producido por la por la red eléctrica de 50hz

Figura 3.4.1 Señal ECG con ruido

Mediante el análisis de la transformada de Fourier se puede analizar en el dominio de las frecuencias.

Figura 3.4.2 Transformada de Fourier de ECG

En la figura se observa la presencia de ruido tiene su componente principal de 50 hz, y su armónico de 100hz, si aplicamos un filtro rechasa banda de 50hz y 100 hz ya sea por DSPs o por software en un ordenador obtendremos la siguiente señal.

Figura 3.4.3 Filtrado de ruido de 50hz y 100hz

En la parte superior de la figura un filtrado parcial del ruido de 50hz, en la señal inferior se emplea un filtro de las señales de 5ahz y 100hz, es obvia la diferencia entre la señal sin filtrado y la filtrada, este proceso permite una mayor fidelidad en los datos obtenidos.

5.4 Algoritmo Electrocardiográfico

A continuación se presenta un algoritmo de los procesos que sigue un electrocardiógrafo para obtener el ECG

Figura 3.4 algoritmo de proceso de señal de ECG

Este algoritmo muestra con más detalle el procesamiento de la señal en el electrocardiógrafo, para una implementación solo quedaría transferir el algoritmo a un diagrama de bloques y hacerlo tan sencillo o complicado como el diseñador lo quiera.

Electroencefalograma (EEG)

De una manera similar al electrocardiograma, el electroencefalograma consiste en registrar los potenciales bioelectricos generados por la actividad neuronal del cerebro, esta amplitud es aun más baja que las señales del corazón, por el orden de los 150 [uV] para un adulto normal en vigilia.

El EEG se usa para diagnosticar enfermedades cerebrales tales como epilepsia, Alzheimer, tumores, trastornos de sueño, etc.

También se emplea para determinar las reacciones que ocurren en el cerebro ante distintos estímulos.

La recolección de señales las realizan transductores que captan y amplifican las señales bioeléctricas, estos transductores son similares a los usados para ECG, la disposición de los electrodos de los transductores varía dependiendo de qué señal se pretende captar.

Figura 4.1 Electrodos dispuestos a nivel de la piel

Las mediciones a nivel del cerebro arrojan como resultado 4 tipos de ondas cerebrales relacionadas con el estado de vigilia de una persona.

Figura 4.2 Ondas cerebrales

Debido a que la obtención del EEG es similar al ECG procederemos al análisis de ruido y al algoritmo de procesamiento.

• Análisis de Ruido.

Como es de suponer la red de alimentación también introduce un ruido en estas señales, que tienen un tratamiento similar en el procesamiento de la señal, un nuevo ruido que se considera en estas señales son los ruidos de parpadeo, que se caracterizan por ser un valor inversamente proporcional a la frecuencia de la señal, por este hecho se le llama "ruido 1/f", las causas del ruido de parpadeo no se comprenden bien, sin embargo siempre están presentes en circuitos electrónicos y su presencia se hace significativa para frecuencias menores de de 100Hz, la solución para limitar este ruido es usando resistencias de filamento enrollado o resistencias de película metálica, en lugar de las de habituales de composición de carbón.

• Algoritmo Electroencefalograma

De igual manera que para el ECG se presenta el algoritmo del procesamiento de EEG, que se lo puede implementar a un diagrama de bloques.

Figura 4.3 Algoritmo de procesamiento de señal EEG

Apéndice 1

7.1 Conversión A/D

El convertido A/D transforma una señal x (t) de ingreso, en una secuencia digital x (n)

La conversión se lleva a cabo en dos etapas, una primera de muestreo que toma una muestra ceda T segundos, y la cuantizacion aproxima cada muestra a un valor discreto asignado, la salida se obtiene en codificación binaria con B bits de precisión.

Figura A.1 Conversor Analógico/Digital

7.2 Ruido mioelectrico

Este es otro tipo de ruido producido en el sistema biológico, puede provocar confusión en la interpretación de datos para el procesamiento, para eliminar este ruido se implementan otros algoritmos que compensen estos ruidos, aunque en otros campos utilizan estas señales para realizar procesos útiles, tal es el caso de las prótesis mioelectricas.

Conclusiones

El electrocardiograma (ECG) es por excelencia la forma, no invasiva y sencilla, de obtener información de la excitación del corazón.

Figura 5.1. Espectros de las diferentes componentes cardiacas.

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 figura 5.1.

Las mediciones de las ondas cerebrales a mas de diagnosticar enfermedades, revela indicios de como 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 en 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]http://quegrande.org/apuntes/EI/OPT/IB/teoria/09-10/analisis_de_senales_biomedicas.pdf(Consultada en 5 noviembre 2010)

[2]http://atc.ugr.es/~aprieto/TIC_socio_sanitario/A11_4_06_Monitorizacion_biomedica.pdf (Consultada en 5 noviembre 2010)

[3]http://www.hab2001.sld.cu/arrepdf/00217.pdf (Consultada en 5 noviembre 2010)

[4]http://www.upc.edu.pe/html/0/0/carreras/ing-electronica/proyectos/TelemedicinaInalambrica.pdf

(Consultada en 5 noviembre 2010)

[5]http://www.angelfire.com/un/biomedicafime/CLASE_4.pdf (Consultada en 5 noviembre 2010)

[6]http://ceres.ugr.es/~amp/docencia/pds3/PDS_Tema1.pdf (consultada en 5 noviembre 2010)

[7]http://www.ibercajalav.net/img/SenalesBiomedicas1.pdf (consultada en 5 noviembre 2010)

[8] http://www.ibercajalav.net/img/SenalesBiomedicas2.pdf (consultada en 6 noviembre 2010)

[9] http://www.ibercajalav.net/img/SenalesBiomedicas3.pdf (consultada en 6 noviembre 2010)

[10]http://minerva.uca.es/publicaciones/asp/docs/tesis/DSanchezMorillo.pdf (consultada en 5noviembre 2010)

[11] www.gii.upv.es (consultada en 5 noviembre 2010)

Autor:

Paul Santiago Saldaña Caldas

Universidad Politécnica Salesiana

Ingeniería Electrónica

Electrónica Analógica 2