ECG analógico controlado por Arduino para monitorizar parámetros cardíacos

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INFORMÁTICA INGENIERÍA DE LA SALUD MENCIÓN INGENIERÍA BIOMÉDICA ECG analógico con olado po A duino pa a moni o iza pa áme os ca díacos Analog ECG con olled by A duino o moni o ca diac pa ame e s Realizado po Gab iel Galeo e Checa Tu o izado po An onio Jesús Bande a Rubio Co- u o izado po Cip iano Galindo And ades Depa amen o Dp o. Tecnología Elec ónica e Ingenie ía de Sis emas y Au omá ica UNIVERSIDAD DE MÁLAGA MÁLAGA, JUNIO 2017 Fecha de de ensa: El sec e a io del T ibunal Ag adecimien os A la labo ejempla de An onio, a odo su iempo dedicado en soluciona cie os aspec os, sus ápidas espues as y su g an ce canía al alumno. Toda su labo como u o ha sido espléndida a la pa que una g an pe sona. A Cip iano po su o ien ación al comienzo del abajo y sus opiniones sob e cie os emas. Po su iempo escuchando mis p opues as y su in e és. A mi amilia po odo su apoyo a lo la go del abajo y del p opio G ado, po se el pila de odo mi desa ollo y la ue za que siemp e se necesi a pa a a anza en la ida. A Alba po odo su apoyo incondicional siemp e que se necesi aba, po se un a o que ilumina los caminos cuando más oscu os y du os pa ecían. Resumen Ac ualmen e, el seden a ismo y los malos hábi os de ida es án p oduciendo se ios p o- blemas en la salud de la población humana. En e es os g a es cambios se encuen a el e iden e empeo amien o de la salud ca dio ascula de la población al y como e idencian las es adís icas o iciales y el c ecien e núme o de disposi i os elec omédicos pa a a a las en e medades ca dio ascula es. Es e p oyec o cons i uye un ace camien o al p oceso de diseño y p oducción de un disposi i o elec omédico como es un elec oca dióg a o analógico que, comunicado con una placa de desa ollo A duino pe mi e la adquisición y p ocesamien o de una señal de elec oca diog ama. Pa a ello, se lle a a cabo un p oce- so de in es igación de los undamen os biológicos y elec ónicos exhaus i o con el in de jus i ica cada ase del p oceso de desa ollo del disposi i o. Pos e io men e, se exponen las di e en es ases del p oyec o desde la oma de equisi os has a la ab icación inal del disposi i o y las p uebas pe inen es. Con es e p oyec o se pone de elie e la impo ancia de un abajo mul idisciplina que incluya di e sos ámbi os de abajo como el médico y el elec ónico. Palab as cla e: Elec oca dióg a o, ECG, Ca dio ascula , A duino, Pam- ompkins, Elec- omedicina. Abs ac Nowadays, seden a y and bad li ing habi s a e causing se ious p oblems in he heal h o he human popula ion. Among hese se ious changes is he e iden lack o ca dio as- cula heal h o he popula ion as shown by o icial s a is ics and he g owing numbe o elec omedical de ices o ea ca dio ascula diseases. This p ojec cons i u es an ap- p oach o he design and p oduc ion p ocess o an elec omedical de ice such as an analog elec oca diog aph which, communica ed wi h an A duino de elopmen boa d, allows he acquisi ion and p ocessing o an elec oca diog am signal. Thus, a ho ough biological and elec onic esea ch is ca ied ou in o de o jus i y each phase o he de ice de elopmen p ocess. Subsequen ly, he di e en s ages o he p ojec a e p esen ed, om he aking o equi emen s o he inal manu ac u e o he de ice and he ele an es s. This p ojec highligh s he impo ance o a mul idisciplina y wo k ha includes a ious a eas o wo k such as he medical and elec onic. Keywo ds: Elec oca diog aph, ECG, Ca dio ascula , A duino, Pam- ompkins, Elec o- medicine. Índice gene al Índice de igu as 5 Índice de ablas 9 1. In oducción 1 1.1. Elp esen ep oyec o .............................. 1 1.2. Mo i ación.................................... 4 1.3. Obje i os .................................... 6 1.4. Es uc u a de la memo ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2. Fundamen o Fisiológico 9 2.1. In oducción................................... 9 2.2. Sis ema de conducción eléc ica del co azón . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3. Elec oca diog ama............................... 13 2.4. Conclusión.................................... 17 3. Fundamen o elec ónico 19 3.1. In oducción................................... 19 3.2. Elec odos.................................... 19 3.3. F on -EndAnalógico .............................. 22 3.4. Pla a o ma de desa ollo: A duino ....................... 24 3.5. Conclusiones................................... 27 4. Fases del p oyec o 29 4.1. In oducción................................... 29 4.2. Plani icación................................... 29 4.3. Análisisde equisi os.............................. 30 4.4. Conside aciones y decisiones de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.5. Modelo concep ual del sis ema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.6. Diseño de esquemá icos y PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.7. Comunicación con A duino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.8. P ocesamien o de la señal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.9. Validacióndelsis ema ............................. 45 4.9.1. Validación de los equisi os . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.9.2. P ime a p ueba de alidación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.9.3. Segunda p ueba de alidación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.10.P esupues o................................... 49 4.11. Au onomía del sis ema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.12. En ol en e del sis ema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.13.Conclusiones................................... 51 5. Resul ados 53 5.1. In oducción................................... 53 5.1.1. P ime aP ueba............................. 54 5.1.2. SegundaP ueba............................. 56 5.1.3. Te ce aP ueba ............................. 56 5.1.4. Cua aP ueba ............................. 59 5.2. Conclusiones................................... 59 6. Conclusiones 61 7. Líneas u u as 63 8. Bibliog a ía 65 Anexo I. Concep os ana ómicos y isiológicos 69 Anexo II. Fab icación de la PCB 75 Anexo III. Código de A duino 77 Anexo IV. Código de MATLAB 79 Anexo V. Consen imien o in o mado 89 Anexo VI. P esupues o 93 Anexo VII. Planos de la en ol en e 95 Índice de igu as 1.1. Es adís ica de de unciones en España y las en e medades que las p oducen (INE,2015).................................... 2 1.2. Es adís ica de de unciones en España po g upos de edad(INE, 2014). . . 2 1.3. Elec óme o de Lippmann u ilizado po Augus Walle pa a ealiza el p ime ECG (Scholz e al., 2010). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4. Gal anóme o de cue da desa ollado po Willem Ein ho en. . . . . . . . . 5 1.5. Equipo come cial de elec oca dióg a o Nihon Kohden 1350A EKG. . . . . 5 2.1. G á ico del po encial de acción de las células ca diacas (To o a and De- ickson,2007). ................................. 11 2.2. Vis a an e io de una sección on al del co azón, isualizando el sis ema de conducción del co azón (To o a and De ickson, 2007). . . . . . . . . . 12 2.3. Secuencia de allada de exci ación eléc ica en el co azón (To o a and De- ickson,2007). ................................. 13 2.4. Ana omía del co azón humano (izquie da) y la señal de ECG p oducida (de echa) (Joshi e al., 2011). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5. Espec o de po encia ela i a del complejo QRS, onda T y onda P, uido muscula y a e ac os de mo imien o de los elec odos basados en una media de 150 la idos po minu os (A onso, 1993). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.6. Modelo eléc ico de la memb ana celula (Hodgkin and Huxley, 1952b). . . 15 2.7. Disposición del iángulo de Ein ho en (Webs e , 2009). . . . . . . . . . . . 17 3.1. In e az elec odo-elec oli o some ida a una co ien e (Webs e , 2009). . . 20 3.2. Me ales más u ilizados pa a los elec odos con sus eacciones de oxida- ción y el po encial de media celda gene ado a 25oC espec o al hid ógeno. (Webs e ,2009).................................. 22 3.3. Diseño de la PCB del sis ema de adquisición de po enciales de ECG de la emp esaspa k un................................. 23 3.4. En o no A duino in e p e ado como in e media io E/S(C espo, 2016). . . . 24 3.5. Esquema de un mic ocon olado con odos sus componen es (C espo, 2016). 26 4.1. Diag ama de Gan de la plani icación del p oyec o. . . . . . . . . . . . . . 30 4.2. P ime a solución pa a el sis ema de adquisición de señales (Mon oya, 2013). 32 4.3. Segunda solución pa a el sis ema de adquisición de señales u ilizando un mues eo secuencial (Mon oya, 2013). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.4. Segunda solución del sis ema de adquisición de señales u ilizando un mues- eo simul áneo (Mon oya, 2013). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.5. Ejemplo de elec odos húmedos (a) y secos (b). . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.6. Modelo de caja neg a de es e sis ema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.7. Modelo de caja neg a desa ollado de es e sis ema. . . . . . . . . . . . . . . 35 4.8. Modelo de caja neg a desa ollado de es e sis ema. . . . . . . . . . . . . . . 36 4.9. Diseño del esquemá ico del ECG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.10. Diseño de la PCB del sis ema de adquisición de po enciales de ECG. . . . 38 4.11. Ge be de la placa de PCB pa a su ab icación. . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.12. Diag ama de lujo de la sección so wa e del sis ema. . . . . . . . . . . . . 39 4.13. Diag ama de lujo del algo i mo de Pan Tompkin. . . . . . . . . . . . . . . 40 4.14. Señal o iginal de un pacien e con a i mia ca diaca ex aída de la base de da osPhysione . ................................ 42 4.15. Señal il ada po el il o pasa al as. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.16. Señal il ada po pasa bajas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.17. Señal il ada po el de i ado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.18. Señal ele ada al cuad ado y il ada po el in eg ado . . . . . . . . . . . . . 44 4.19. De ección de los complejos QRS de la señal. . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.20. Rep esen ación de la señal de ECG de un pacien e con ca diopa ía. . . . . 45 4.21. Rep esen ación de la señal de ECG ob enida a pa i de un simulado de ECG........................................ 47 4.22. Ensamblaje del sis ema del simulado de señales de ECG jun o al sis ema de adquisición de señales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.23. Va iación de la ecuencia de lpm aumen ando linealmen e desde 30 lpm has a120lpm................................... 48 4.24. Va iación de la ecuencia de lpm aumen ando linealmen e desde 30 lpm has a120lpmampliada............................. 49 4.25. Ca a an e io y pos e io de la en ol en e del sis ema diseñado. . . . . . . 50 4.26. Zona de inse ción de o nillos pa a la colocación de la placa. . . . . . . . . 51 5.1. Rep esen ación de la señal de ECG del pacien e de la p ime a p ueba. . . . 54 5.2. P ocesado de la señal de ECG del pacien e 1. . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3. Rep esen ación de la señal de ECG del pacien e de la segunda p ueba. . . . 56 5.4. Rep esen ación de la señal de ECG del pacien e de la e ce a p ueba. . . . 56 5.5. P ocesado de la señal de ECG del pacien e 2. . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.6. P ocesado de la señal de ECG del pacien e 3. . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.7. Rep esen ación de la señal de ECG del pacien e de la cua a p ueba. . . . . 59 5.8. P ocesado de la señal de ECG del pacien e 4. . . . . . . . . . . . . . . . . 60 8.1. Composición de la sang e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 8.2. Es uc u acapila . ............................... 71 mul iplicado los casos de al o iesgo de acciden es co ona ios (Moza a ian and Cla ke, 2009). Po úl imo, hay que sub aya que el empeo amien o de la salud ca dio ascula de un pacien e aca ea se ios p oblemas en el en o no amilia y una g an pé dida económica po pa e de és e y del sis ema sani a io. Los gas os pa a man ene o in e eni un co azón o sis ema ascula dis uncional es muy ele ado, po lo que la p e ención es hoy en día un ema muy in e esan e pa a maximiza la e iciencia del sis ema sani a io. 1.2. Mo i ación Del apa ado an e io se desp ende que el es udio de la ac i idad del co azón es á en auge, y exis en múl iples ins i uciones públicas y p i adas que es án desa ollando écnicas de moni o ización con el in de p e eni o con ola acciden es ca dio ascula es. Den o del ámbi o de la p e ención des aca la moni o ización del sis ema ca dio ascula con el in de de ec a pa ones pa ológicos. Pa a ello se ía de g an in e és un sis ema elec ónico capaz de es udia cie os pa áme os ca díacos que puedan esul a ele an es en una e aluación de la condición de salud del pacien e. La e olución de los apa a os de elec oca diog a ía (ECG) ha sido ápida desde que se desa olla on los p ime os en el siglo XIX. El p ime apa a o de ECG conocido ue desa- ollado po Alexande Mui head en 1872 en el hospi al de S Ba holomew’s y consis ía en unos cables suel os sin aislan e, que se colocaban sob e las muñecas de los pacien es con ieb e (Ronald M. Bi se, 1980). Sin emba go, Augus Walle es conside ado el p in- cipal pione o de es e ámbi o. Su ECG consis ía en un elec óme o de Lippmann que ue modi icado pa a consegui ampli ica lo con un p oyec o ( e Fig. 1.3). La señal en iempo eal del ECG de la pe sona se mos aba sob e una placa que es aba conec ada a un en de jugue e pa a pode mo e se. Figu a 1.3: Elec óme o de Lippmann u ilizado po Augus Walle pa a ealiza el p ime ECG (Scholz e al., 2010). 4 El p ime g an adelan o llegó con Willem Ein ho en en 1901. Es e desa olló un ECG basado en un gal anóme o de cue da ( e Fig. 1.4). Es e p ime ECG p ác ico ue lle ado a cong esos in e nacionales y su epe cusión ue bas an e amplia. Ein ho en asignó las le as P Q R S T a las di e en es de lexiones de la onda que p esen aba eó icamen e el ECG (Hu s , 1998). Después, u ilizando el elec oca dióg a o, empleaba esas de lexiones eó icas pa a analiza si la conexión de los cables e a co ec a. Consiguió además ecoge múl iples pa ologías ca diacas a pa i de la aplicación de es e apa a o. Es o le hizo ecoge el p emio Nobel de medicina en 1924 (Ri e a-Ruiz e al., 2009; Coope , 1986) Figu a 1.4: Gal anóme o de cue da desa ollado po Willem Ein ho en. En 1937 ue diseñado el p ime elec oca dióg a o po á il po Ta o Takemi. A pa i de es e pun o, las máquinas de elec oca diog ama se án undamen almen e po á iles debido a su ácil manejo. Ac ualmen e, como es lógico, las máquinas de ECG ienen una ecnología mucho más a anzada y obus a. Se u ilizan una ins umen ación asis ida po compu ado que aumen a el p ocesamien o de la señal y se consigue ambién a a la señal de múl iples o mas. Un ejemplo es el mos ado en la ilus ación 1.5. Figu a 1.5: Equipo come cial de elec oca dióg a o Nihon Kohden 1350A EKG. Todos es os sis emas es án en cons an e cambio añadiendo las nue as ecnologías que an apa eciendo. Po es e mo i o, conside amos de g an in e és pode inco po a ecnologías ac uales pa a el diseño académico de un ECG. En es e diseño se inclui án componen es de 5 bajo cos e como la pla a o ma de desa ollo A duino y se ab ica á el on -end analógico del disposi i o. 1.3. Obje i os El obje i o gene al del p esen e abajo in de g ado (TFG) consis e en el diseño e imple- men ación de un elec oca dióg a o académico con el in de aplica ecnologías ac uales del ámbi o de la elec ónica. Pa a cumpli es e obje i o se debe án lle a a cabo los siguien es obje i os especí icos: Diseña e implemen a el ci cui o de la e apa analógica del elec oca - dióg a o. Es e apa ado supond á un g an peso de es e abajo pues conlle a el análisis de las e apas iniciales de un ci cui o de elec oca dióg a o. Pa a ello se ha á uso de di e en es sui es de desa ollo como TinaIT, DesignSpa k, Eagle, e c. Comunica el ci cui o analógico y la placa de desa ollo A duino. En es e apa ado se implemen a á el código de A duino pa a la co ec a comunicación con el ci cui o analógico y la pos e io ansmisión de da os. El código se ealiza á en el IDE de A duino, el cual posee una g an comunidad y se ca ac e iza po su e sa ilidad. P ocesado de da os y almacenamien o de los da os ob enidos del ECG. En es e apa ado se ealiza á un p ocesado de los da os que se ob engan, además de un almacenamien o de és os pa a pode ealiza su análisis pos e io . Análisis de los da os ob enidos. Aquí se abaja á en un análisis cuali a i o de los da os pa a pode de e mina cie os pa áme os es adís icos. 1.4. Es uc u a de la memo ia La memo ia del p esen e abajo de in de g ado se encuen a di idida en 7 capí ulos, 5 anexos y las e e encias bibliog á icas. Todos los capí ulos, excep o es e p ime o y el úl imo, se inician con una in oducción que expone la p oblemá ica a esol e , a la que le sigue b e e desc ipción del con enido, y e minan con unas conclusiones que des acan los aspec os más impo an es del capí ulo. La o ganización del con enido de dicho abajo se desc ibe a con inuación: P ime Capí ulo: In oducción. En es e capí ulo se pone de elie e el es ado de los disposi i os elec omédicos de elec oca diog a ía que exis en ac ualmen e. Se exponen los da os ele an es de es udios o males que son la base de la mo i ación de es e p oyec o. 6 Segundo Capí ulo: Fundamen o isiológico. En es e capí ulo se ealiza una exposición de los undamen os isiológicos del sis ema biológico que se a a es udia , el sis ema ca dio ascula . Se ha á especial én asis en la explicación del sis ema de conducción eléc ica del co azón, así como su ciclo ca diaco y las ca ac e ís icas que puedan in e esa pa a el p oyec o. Te ce Capí ulo: Fundamen o elec ónico. En es e capí ulo se ealiza una ex- posición de los undamen os elec ónicos de los componen es y dis in as pa es de las que se compone el disposi i o inal del p oyec o. Se ealiza á una desc ipción de las ca ac e ís icas que más in e esan de ca a al uso de es os componen es, sin analiza en de alle los p incipios ísicos de su uncionamien o. Cua o Capí ulo: Fases del p oyec o. es e capí ulo es el más impo an e de ca a al p oyec o, pues en él se ealiza la explicación de allada de odas las ases del p oyec o. Se comen an odas las decisiones omadas, a eas ealizadas y diseños lle ados a cabo. Quin o Capí ulo: Resul ados. En es e capí ulo se lle an a cabo las p uebas pe inen es pa a la pues a en uncionamien o del disposi i o. Se lle an a cabo una se ie de expe imen os con pa icipan es eales omando da os y analizándolos. Sex o Capí ulo: Conclusiones. En es e capí ulo se de allan las conclusiones ge- ne ales del p oyec o, desa ollando aquellas que se conside an más impo an es. Sép imo Capí ulo: Líneas de desa ollo u u o. En es e capí ulo se p esen an algunas p opues as de mejo as pa a un desa ollo u u o del p oyec o. Anexo I. Concep os ana ómicos y isiológicos. En es e anexo se ealiza una explicación más de allada de las ca ac e ís icas del sis ema ca dio ascula , comen- ando cada una de sus pa es y sus unciones, pa áme os que in luyen y es uc u a. Anexo II. Código de A duino. En es e anexo se desa olla el p oceso de ab i- cación de la PCB del sis ema diseñado eó icamen e. Anexo III. Código de A duino. En es e anexo se expone odo el código ealizado pa a el uncionamien o de la placa de desa ollo A duino. Anexo IV. Código de MATLAB. En es e anexo se expone odo el código eali- zado pa a MATLAB con el que se ealiza el p ocesado de las señales. Anexo V. consen imien o in o mado. En es e anexo se expone un modelo de consen imien o in o mado ealizado pa a las p uebas en pacien es. Anexo VI. P esupues o. En es e anexo se exponen los da os del p esupues o ealizado pa a es e p oyec o. Anexo VII. Planos de la en ol en e. En es e anexo se el plano de la en ol en e diseñada g á icamen e pa a es e p oyec o. 7 8 Capí ulo 2 Fundamen o Fisiológico 2.1. In oducción El cue po humano es una es uc u a biológica de g an complejidad. Po ello es muy impo - an e comp ende cie os concep os biológicos, así como el uncionamien o de los di e en es ó ganos a la ho a de diseña un disposi i o que in e ac úe con és os. El sis ema ci cula o io es uno de los sis emas p incipales del cue po humano o mado po es pa es, el co azón, los asos sanguíneos y la sang e: El co azón bombea sang e a a és de los asos sanguíneos. La sang e anspo a oxígeno y nu ien es hacia las células del o ganismo y ecoge los desechos celula es como dióxido de ca bono (CO2), compues os ni ogenados de i ados del me abolismo celula , e c. La sang e egula el equilib io ácido base (pH), empe a u a y con enido de agua de los líquidos co po ales. Los componen es sanguíneos ayudan a de ende al cue po con a posibles agen es pa ógenos y epa a los asos sanguíneos dañados En odo p oyec o ecnológico aplicado a la salud, es de g an impo ancia dispone de la in o mación su icien e y los conocimien os necesa ios pa a pode ealiza el sis ema de o ma adecuada. Si no ue a así, no se pod ían comp ende cie os concep os como el o igen de las señales ca diacas, el gas o ca diaco debido a la p esión en el sis ema ascula y la ecuencia ca diaca que conlle a un mayo es ue zo en el co azón, que se aduce a un pa ón de elec oca diog ama di e en e. Es e ejemplo da una isión gene al de la impo ancia del conocimien o de dis in as pa es en los p oyec os mul idisciplina es. Si no se u ie a la in o mación su icien e, el sis ema inal se ía de ec uoso 9 2.2. Sis ema de conducción eléc ica del co azón El co azón es un ó gano capaz de p oduci una co ien e eléc ica po sí mismo y de o ma í mica. Es a ca ac e ís ica es impo an ísima pues le pe mi e la i de o ma au ónoma y man ene el uncionamien o del sis ema ci cula o io. La uen e de es a ac i idad eléc ica es una ed de ib as muscula es ca diacas especializadas denominadas ib as au omá icas, cuya p incipal ca ac e ís ica es se au oexci able (To o a and De ickson, 2007). En el co azón, solo un 1 % de las células son au oexci ables. Es as células son ealmen e impo an es pa a el uncionamien o del co azón. La p ime a unción que p esen an es la de ma capasos, es deci , p o oca la exci ación eléc ica í mica que causa la con acción de los músculos ca diacos. La o a unción es la de sis ema de conducción, es deci , que p o ee un camino pa a que cada ciclo de exci ación ca diaca p og ese a a és del co azón, ansmi iéndose de o ma g adual y pau ada a a és del co azón. El po encial de acción de las células ca diacas es di e en e a los que se p oducen en el es o de las células del cue po. Pa a en ende es a di e encia es p eciso de ini lo que es un po encial de acción. El po encial de acción es un impulso eléc ico u onda de desca ga eléc ica que se p oduce cuando un es ímulo eléc ico, po encima del umb al de exci ación de la célula, consigue desencadena una eacción de in e cambio de iones en e el medio ex acelula e in acelula . És e es á egido po la ley de "Todo o Nada", es deci , que és e no se da á nunca si el es ímulo no es lo su icien emen e in enso como pa a alcanza el umb al de exci ación. Sin emba go, una ez que se consigue exci a la célula, y se ac i a el po encial de acción, se p oduce un in e cambio de iones en e el medio ex e no a la célula, o ex acelula , y el medio in e no, in acelula . Es e in e cambio de iones de sodio (Na+), po asio (K+), calcio (Ca2+) y en meno p opo ción clo o (Cl-), in oluc a a la maquina ia de anspo e ansmemb anal de la célula p o ocando un lujo dinámico e ines able de po encial. El po encial de acción ha sido es udiado po di e sos au o es, siendo el más signi ica- i o el es udio cuan i a i o de las co ien es de iones in e memb anales ealizado po A. L. Hodgkin y A. F. Huxley. En sus es udios con axones de g an amaño de calama ob- u ie on la g á ica de po encial de acción y su explicación química (Hodgkin and Huxley, 1952a,b). Con el es udio de es e po encial se ex apoló el modelo eléc ico de la memb a- na celula . Su implicación pa a es e abajo es que el po encial de acción de las células muscula es ca diacas es el enómeno ísico que se puede ecoge median e el disposi i o elec omédico que se a a diseña . El es udio como modelo eléc ico del po encial de ac- ción de las células se ealiza á más adelan e. Las ases del po encial de acción son: despola ización, mese a en el caso de las células ca diacas y epola ización ( e Fig. 2.1): Despola ización: cuando la célula es lle ada al po encial umb al po medio de 10 po enciales de acción de células ecinas, se p oduce una ape u a de los canales de Na+, que desemboca en una ápida en ada de sodio (Na+) a a és de ellos. Es a en ada de Na+p oduce una despola ización de la memb ana disminuyendo la di e encia de po encial, debido al lujo de iones en e el medio in acelula y ex acelula , has a llega a se posi i a du an e un co o pe iodo de iempo. Mese a: pos e io men e se p oduce un pe iodo de despola ización sos enida debido a la ape u a de canales de Ca2+ egulados de ol aje len os mien as que los de K+ se man ienen ambién abie os. El Ca2+ en a de o ma len a en el medio in acelula mien as que el K+sale de la célula. Repola ización: después de un e a do (que es pa icula men e p olongado en el músculo ca diaco espec o a los que se p oducen en o as células como las neu onas), los canales de K+dependien es de ol aje se ab en, p oduciendo la salida de K+ es ableciendo el po encial de memb ana de eposo, nega i o (-90 mV). Al mismo iempo, los canales de calcio del sa colema y del e ículo sa coplásmico se cie an, lo cual ambién con ibuye a la epola ización. Figu a 2.1: G á ico del po encial de acción de las células ca diacas (To o a and De ick- son, 2007). En condiciones no males, los po enciales de acción ca diacos se p opagan a lo la go del sis ema de conducción con la siguien e secuencia: 1. No malmen e, la exci ación ca diaca comienza en el nodo sinoau icula o sinoa- ial (SA). En es e luga , las células no ienen un po encial de eposo es able sino que se despola izan de o ma í mica y alcanzan de o ma espon ánea el po encial umb al. Es a despola ización ins an ánea es un po encial ma capasos. 2. Median e la conducción a lo la go de las ib as muscula es au icula es, el po encial de acción llega al nodo au iculo en icula a io en icula (AV), localizado 11 en el abique in e au icula , jus o delan e del o i icio de desembocadu a del seno co ona io. 3. En el nodo AV, se p oduce un e a do, necesa io pa a que pase comple amen e la sang e desde las au ículas a los en ículos. T as es o, el po encial de acción se di ige al ascículo au iculo en icula o a io en icula (haz de His). Es e es el único si io po donde los po enciales de acción se pueden p opaga desde las au ículas a los en ículos (en el es o del co azón, el esquele o ib oso del co azón aísla eléc icamen e la au ícula de los en ículos). 4. T as p opaga se a lo la go del haz de His, el po encial de acción llega a las amas de echa e izquie da, las que se ex ienden a a és del abique in e en icula hacia el é ice ca diaco. 5. Finalmen e, las anchas ib as de Pu kinje conducen ápidamen e el po encial de acción desde el é ice ca diaco hacia el es o del mioca dio en icula , p o ocando la con acción de los en ículos y empujando la sang e hacia las ál ulas semiluna- es. Todos los elemen os ana ómicos comen ados en la secuencia se pueden obse a en las igu as 2.2 y 2.3. Figu a 2.2: Vis a an e io de una sección on al del co azón, isualizando el sis ema de conducción del co azón (To o a and De ickson, 2007). 12 Figu a 2.3: Secuencia de allada de exci ación eléc ica en el co azón (To o a and De ick- son, 2007). 2.3. Elec oca diog ama Como se comen ó en el apa ado an e io , en el co azón se p oduce una co ien e eléc- ica que ci cula a a és de él y median e la cual puede ealiza su unción. Cuando se p oduce un impulso eléc ico sob e el co azón, la co ien e ambién se de i a a los eji- dos adyacen es conduciéndose has a la supe icie co po al, donde es de ec able median e elec odos, que con un co ec o a amien o de señal se puede moni o iza y analiza de o ma ex e na. Es e enómeno es el que da pie a la exis encia de los elec oca dióg a os como apa a os de cap u a y moni o ización del uncionamien o del co azón. A con inua- ción se analiza án de alladamen e las ca ac e ís icas del elec oca diog ama a pa i del Compendio de isiología médica de J. E. Hall (Hall, 2012). Un elec oca diog ama no mal o ípico se compone de es ondas: Onda P: p oducida po los po enciales eléc icos que se gene an en la despola i- zación de las au ículas an es de la con acción muscula . Es a onda se da un poco después de que se p oduzca la despola ización en el nodo sinoau icula . Complejo QRS: po encial p oducido po la despola ización de los en ículos an es de su con acción. Onda T: p oducida po los po enciales que se gene an en la epola ización de los en ículos. Onda U: onda de o igen incie o que ocu e en cie as si uaciones as la onda T, como una epola ización a día del sis ema de conducción in a en icula o las 13 cambio, en la ca a del elec oli o sucede al con a io, los ca iones se mue en en di ección y mismo sen ido que la co ien e del elec odo. Es o se debe a que las ca gas en el elec oli o son undamen almen e posi i as mien as que los elec odos ienen ca ga ne a nega i a. ( e igu a 3.1). Figu a 3.1: In e az elec odo-elec oli o some ida a una co ien e (Webs e , 2009). Cuando una co ien e eléc ica a a iesa la in e az elec odo-elec oli o, se p oducen unas eacciones e e sibles de óxido- educción dependiendo del sen ido de la co ien e. Es e enómeno p o oca que a la ho a de coloca elec odos se ha de ene especial cuidado con el e o que se p oduce en la medida as un la go pe iodo de iempo de exposición debido a la impedancia que se gene a sob e el elec odo. Las eacciones de oxido- educción que se p oducen en la in e az elec odo-elec oli o siguen la siguien e ecuación. C⇐⇒ Cn+ +ne-(3.1) Am- ⇐⇒ Cn+ +ne-(3.2) Donde nes la alencia de Cymes la alencia de A. En la ecuación (3.1) se conside a que el elec odo es á ab icado de algunos á omos del mismo ma e ial que los ca iones,y que es e ma e ial en la in e az elec odo-elec oli o puede se oxidado pa a o ma un ca ión y uno o más elec ones lib es . La eacción que in oluc a a los aniones de es e p oceso es la ecuación (3.2). En es a ecuación se mues a como cuando un anión llega a la in e az elec odo-elec oli o se neu aliza y libe a uno o más elec ones lib es al elec odo (Webs e , 2009). Ambas eacciones, la de oxidacion y educción, son a menudo e e sibles y pueden p o- duci se incluso cuando no es á ci culando co ien e a a és de la in e az elec odo- elec oli o. No obs an e, cuando es o ocu e el balance en e las eacciones de oxidación y las de educción es ce o, lo que quie e deci que ap oximadamen e las eacciones de oxidación y las de educción se p oducen en la misma p opo ción. Es impo an e ene 20 en cuen a que cuando la co ien e eléc ica iaja desde el elec odo al elec oli o dominan las eacciones de oxidación, mien as que cuando la co ien e eléc ica iaja desde el elec- oli o al elec odo dominan las eacciones de educción. A la ho a de ab ica un elec odo se pueden oma di e en es ma e iales. Sin emba go, dependiendo del ma e ial seleccionado se end án unas ca ac e ís icas eléc icas di e en- es. No malmen e in e esa que el ma e ial me álico empleado sea es able y con una g an can idad de elec ones lib es en la úl ima o bi al a ómico del á omo me álico ( e Fig. 3.2). Pa a ello se es udia el po encial de media-celda química del ma e ial. Es e po encial se de ine po John Webs e como La di e encia de po encial conocida como po encial de "media celda"se de e mina a pa i del me al in oluc ado, la concen ación de sus iones en la solución, y la em- pe a u a, así como de o os ac o es secunda ios. [A po en ial di e ence known as he hal -cell po en ial is de e mined by he me al in ol ed, he concen a ion o i s ions in solu ion, and he empe a u e, as well as o he second-o de ac o s] (Webs e , 2009,p. 211) Es a de inición es á plan eada pa a el caso en el que no exis e co ien e de paso a a és de la media-celda elec olí ica. En cambio, si hay co ien e, el compo amien o es di e en e. Es a di e encia en e el po encial de media-celda obse ado y el po encial de media-celda no malizado pa a una co ien e nula, se debe a la pola ización del elec odo y se denomina como sob e ensión. Es e sob epo encial puede se p o ocado po es elemen os: ac o de ipo ohmico, ac o de concen ación y la ac i ación de sob epo enciales (Webs e , 2009). En la igu a 3.2 se pueden e los me ales más empleados pa a los elec odos, así como sus eacciones de oxidación y el po encial. Como puede e se en dicha igu a, el ma e ial más u ilizado pa a ab ica elec odos es el de Pla a/Clo u o de pla a (Ag/AgCl). Es e ma e ial es muy in e esan e pues o que hace que el elec odo sea pe ec amen e no pola- izable y puede se ab icado ácilmen e en labo a o io. A pa i de es os da os omados en la igu a 3.2, es e iden e que la mejo elección a oma se á la de elec odos de Ag/AgCl que i á acompañado además de un gel conduc o que acili a á el paso de la co ien e eléc ica en e la piel y el elec odo en sí. 21 Figu a 3.2: Me ales más u ilizados pa a los elec odos con sus eacciones de oxidación y el po encial de media celda gene ado a 25oC espec o al hid ógeno. (Webs e , 2009). 3.3. F on -End Analógico El on -end de un ci cui o elec ónico co esponde a aquella pa e que en a en p ime con ac o con la señal de medida as su cap u a, ealizando el p ocesamien o básico ade- cuado de es a señal pa a pos e io men e a a la sa is ac o iamen e. No malmen e, un on -end incluye las a eas de ampli icación y educción de cie as componen es de uido. Uno de los on -end más u ilizados ac ualmen e son los de la se ie ADS119x de Te- xas Ins umen s. Es a se ie se ca ac e iza po se una e apa de ampli icación y educción de uido inco po ando además los con e so es analógico-digi ales pa a su p ocesamien o digi al pos e io (Ins umen s, 2015), sin emba go, en el p esen e p oyec o, se ha oma- do como on -end el AD8232 de la casa come cial Analog po ene unas ca ac e ís icas bas an e buenas pa a adqui i la señal ca diaca que lo con e i á a señal digi al y así se pod á ealiza la comunicación con A duino , y además p esen a un p ecio mucho mejo que o as opciones, como las ci adas ADS119x. Las ca ac e ís icas de es e on -end se mues an en la abla 3.1. Pa a pode selecciona co ec amen e qué on -end se u iliza, se debe ealiza una compa a i a de cie as ca ac e ís icas como se ealiza a con inuación. 22 Tabla 3.1: Tabla de ca ac e ís icas p incipales del F on End ad8232. Ca ac e ís ica AD8232 AD1198 AD1293 Tensión de alimen ación (V) 3.6 5.25 5.5 CMRR (dB) 80 97 100 Ganancia de señal 100 p og amable has a 12 3.5 P ecio (e) 3.23 25.41 10.54 En la abla 3.1 se ealiza la compa a i a de cie as ca ac e ís icas que se han conside ado in e esan es pa a es e p oyec o. Se debe deci que el AD8232 iene unas ca ac e ís icas po encima de las o as opciones pa a se elegido como el on end de es e p oyec o. En p ime luga , iene una baja alimen ación lo que pe mi e se alimen ado po la placa de desa ollo A duino que se a a u iliza sin supone p oblemas de po encia pa a ella. En se- gundo luga , la ampli icación de es e on -end es bas an e al a y pe mi e ealza bas an e la señal, aunque ambién el uido, pe o se puede il a pos e io men e pa a elimina esos e ec os. No obs an e, el ac o de e minan e ha sido el p ecio. El ad8232 iene un p ecio bas an e asequible y, como se ha comen ado a lo la go de la memo ia, lo impo an e en el desa ollo de es e disposi i o es su bajo p ecio. Po lo an o, se ha elegido es e on -end AD8232 pa a el diseño de la pa e analógica de es e p oyec o. Exis en en el me cado placas que ya inco po an es os on -end, como son las de spa k un, que se p esen a en la igu a 3.3. Es as placas usan es os on -end que hemos p esen ando an e io men e e implemen an odo el ci cui o ex e io pa a el co ec o uncionamien o de es e on -end, incluyendo las esis encias de pull-up, e c. (a) Ca a TOP (b) Ca a BOTTOM Figu a 3.3: Diseño de la PCB del sis ema de adquisición de po enciales de ECG de la emp esa spa k un. 23 3.4. Pla a o ma de desa ollo: A duino Pa a ealiza el p oceso de comunicación, ecopilación de da os y posible isualización, se u iliza una pla a o ma de desa ollo digi al que pe mi a ealiza es as a eas. La pla- a o ma de desa ollo elegida pa a es e p oyec o es A duino, debido a su bajo cos e y la exis encia de una g an comunidad, desa ollando nume osos p oyec os de dis in os ám- bi os, incluyendo el sani a io. Es a úl ima ca ac e ís ica es muy impo an e pues exis en una g an a iedad de p oyec os ealizados po di e sos desa ollado es de los que se puede ex ae bas an e in o mación especí ica sob e di e sos aspec os. Es a pla a o ma de ha dwa e de código abie o, basada en una sencilla placa con en adas y salidas, analógicas y digi ales, cuen a con un en o no de desa ollo que es á basado en el lenguaje de p og amación P ocessing (Hodges e al., 2012). Se a a de un disposi i o que conec a el en o no analógico con el digi al. A duino se basa en un mic ocon olado A mel AVR de 8 bi s, exis iendo de di e en es ipos dependiendo del modelo de placa que se adquie a. Po ejemplo, pa a la e sión de A duino Robo se usa una placa basada en un ATmega32u4, pa a la e sión A duino Uno se usa un mic ocon olado ATmega 328P. En el p esen e p oyec o, se emplea la e sión A duino MEGA, con un mic ocon olado ATmega2560 (Banzi and Shiloh, 2014). Figu a 3.4: En o no A duino in e p e ado como in e media io E/S(C espo, 2016). 24 Como se ha comen ado, la e sión que a a se u ilizada en es e p oyec o es la A duino MEGA. La Tabla 3.2 esume las p incipales ca ac e ís icas del A duino MEGA. Tabla 3.2: Especi icaciones écnicas de la placa A duino MEGA Especi icación Valo Mic ocon olado ATmega2560 Tensión de T abajo 5V Tensión de en ada ( ecomendada) 7-12V Tensión de en ada (limi es) 6-20V Pines de E/S digi ales 54 (de los cula es 15 son salidas PWM) Pines de en ada analógica 16 Co ien e con inua po cada pin E/S 40 mA Co ien e con inua po cada 3.3V Pin 50 mA Memo ia Flash 256 KB de los cuales 4KB son usados po boo loade SRAM 8 KB EEPROM 4 KB F ecuencia eloj 16 MHz Como se puede obse a en la abla 3.2, la ensión de uncionamien o de es e disposi i o es de 5V, alimen ado po una uen e ex e na de en e 6 y 20 V o ía USB. El p oblema de la alimen ación de es e disposi i o es que si se alimen a po debajo de los 7V se puede ene una ensión ines able en los pines de salida de la placa. La memo ia de almacenamien o de es e mic ocon olado es de 256KB pa a la memo- ia lash, donde se almacena á odo el código del p og ama que se aya a ejecu a ; 4KB pa a la EEPROM, una memo ia no- olá il pa a almacena pequeñas can idades de da os, pe o que es libe ada y ep og amada cada ela i amen e poco iempo espec o a la eje- cución del p og ama p incipal; y 8KB de SRAM, una memo ia pa a almacena da os de ejecución. Es a úl ima es olá il, es deci , cuando se deja de alimen a es a memo ia se bo a oda la in o mación almacenada. La placa de A duino MEGA u iliza 54 pines digi ales y 16 pines analógicos. En los pines digi ales se u iliza una ensión de salida de 5V y cada pin puede ecibi o apo a 40mA, p o egido po una esis encia pull-up de 20-50 kΩ(pe o po de ec o es án desac i adas, son solo de p o ección). En cuan o a la comunicación del mic ocon olado ATmega2560, posee cua o salidas que pe mi en al mic ocon olado comunica se con una compu ado a, o o mic ocon olado u o a placa A duino. Es e mic ocon olado p o ee cua o UARTs Ha dwa e pa a comuni- cación TTL (5V) se ial. La comunicación TTL se ial consis e en un ipo de comunicación en la que exis en dos líneas unidi eccionales de lec u a y esc i u a. Cada una es gobe nada 25 po el emiso de cada caso. La comunicación se es ablece median e una ac i ación, colo- cando el bi a alo 1 (VCC), o desac i ación, colocando el bi a "0"(0 V) que es el alo de 0 ol ios. Además, el mic ocon olado puede in e ac ua con la compu ado a median e una conexión USB y se pueden isualiza da os del mic ocon olado en un moni o se ial. Un esquema bas an e ce cano a la es uc u a de un mic ocon olado como el que se u iliza en es a placa de desa ollo se ía como el mos ado en la igu a 3.5. Figu a 3.5: Esquema de un mic ocon olado con odos sus componen es (C espo, 2016). O o de los p incipales mo i os po el que se ha elegido la pla a o ma de desa ollo de A duino pa a es e p oyec o es el p ecio. Mien as que o as pla a o mas de desa ollo o ecen poca a iedad de a ículos con di e en es ca ac e ís icas, A duino p esen a una g an a iedad de placas con dis in as uncionalidades. Exis en algunas con posibilidad de módulo de conexión WIFI ya inco po ado, aunque siemp e se puede conec a uno ex e no, o as con mayo elocidad de p ocesamien o de da os y o as con menos, y muchas o as unciones. A con inuación se mues a en la abla 3.3, una compa a i a de pla a o mas de desa ollo p esen e en el me cado y sus p ecios. Debe des aca se además algunas de las ca ac e ís icas que se han enido en cuen a pa a elegi A duino. En p ime luga , aspbe y pi es una compu ado a comple a con sis ema ope a i o y una g an capacidad pa a di e sas a eas, pe o iene el p oblema de que su un- cionamien o pueda alen iza se, no se segu o y pe de elocidad de mues eo. A duino, po o a pa e, es una placa de desa ollo con un mic ocon olado , que ejecu a el código in oducido in e p e ado po el i mwa e. Con a duino puede consegui se una unción más especí ica y una conexión con los o os disposi i os elec ónicos de o ma más sencilla y ápida. Además, iene una g an acilidad de mon aje de los ci cui os, pe mi iendo la co- locación ápida y sencilla de senso es, ac uado es, y demás de o ma que el p o o ipado del sis ema es sencillo de c ea y modi ica . Además, iene una g an comunidad en o no 26 a ella que desa ollan cons an emen e nume osos p oyec os, odo de o ma muy accesible median e o os o iciales. Es e ma e ial es de g an u ilidad cuando se es án desa ollando p oyec os pues o que se pueden analiza algunas decisiones que o os g upos de abajo han omado pa a un p oblema en conc e o y a anza más ápido en el p oyec o p opio, e i ando e o es u ob eniendo soluciones más e icaces. Tabla 3.3: Tabla compa a i a de p ecios de placas de desa ollo. Pla a o ma P ecio (e) A duino UNO 22.19 A duino MEGA 35.18 Elegoo 8.99 3.5. Conclusiones En es e capí ulo se han es udiado los disposi i os elec ónicos más ele an es que se an a emplea en es e p oyec o pa a ene cla o el uncionamien o de cada uno de ellos y a pa i de eso, ob ene los equisi os del diseño (no se han explicado cie os componen es básicos del diseño de disposi i os elec ónicos como son los cables de conexión, uen es de alimen ación, componen es elec ónicos, e c, dado que son elemen os básicos de odo diseño elec ónico). Es a e apa, al igual que el es udio de la ana omía del sis ema que se a a es udia , es de g an impo ancia de ca a a la educción de equisi os y pos e io diseño del sis ema pues hay que ene muy p esen e qué c i e ios de diseño se deben oma a pa i de los equisi os ob enidos. 27 28 Capí ulo 4 Fases del p oyec o 4.1. In oducción En es e capí ulo se especi ica án odos los pasos del diseño de es e sis ema y se ha á una guía desde el p oceso de educción de equisi os has a el eó ico p o o ipo inal. P ime o se ealiza á la educción de equisi os, que consis e en ob ene la hoja de equisi os uncionales y no uncionales pa a el diseño del disposi i o a pa i de unas especi icacio- nes écnicas y ana ómicas. Es e p oceso es muy impo an e de ca a al diseño de cualquie p oyec o en gene al pues o que de és os dependen los ma e iales que se ayan a usa , las écnicas de ab icación, los c i e ios de diseño, e c. Pos e io men e se comen an las dis in as ases del p oyec o a segui pa a consegui ob ene el eó ico disposi i o inal. 4.2. Plani icación El p ime paso que hay que ealiza en un p oyec o de desa ollo de un p oduc o, es la plani icación de las e apas que se an a segui . A menudo, las e apas se exponen median e un diag ama g á ico en el que se mues en las a eas que se an a ealiza y el iempo empleado en cada una de ellas. Exis en di e sas o mas de expone es a in o mación, en e ellas, el diag ama de Gan . El diag ama de Gan se pod ía de ini como una he amien a g á ica, cuyo obje i o es p esen a el iempo dedicado p e is o pa a cada a ea o ac i idad a lo la go de un iempo o al de e minado. A pesa de es o, el diag ama de Gan no indica las elaciones exis- en es en e ac i idades. El diag ama de Gan del p esen e p oyec o es el que se mues a en la igu a 4.1. 29 Ma lab: es a sección se enca ga de ealiza un segundo il ado de la señal pa a elimina cie os a e ac os in oducido en el p oceso de lec u a de la señal eléc ica del co azón y ejecu a un algo i mo de de ección de complejo QRS. Figu a 4.8: Modelo de caja neg a desa ollado de es e sis ema. 4.6. Diseño de esquemá icos y PCB Pa a el diseño de los esquemá icos y de la PCB se ha u ilizado el so wa e EAGLE siguien- do la p opues a de diseño ’Single Lead Hea Ra e Moni o ’ de Spa k un (Spa k un, 2014) como pila pa a el análisis y el pos e io diseño de la PCB. El uncionamien o del esquemá- ico de es e p oyec o cumple los equisi os del sis ema y es el adecuado pa a es e p oyec o. El esquemá ico de la pa e analógica de es e sis ema gi a en o no al F on End AD8232. En la igu a 4.9 se mues a el diseño del esquemá ico que se ha desa ollado pa a es e sis ema. 36 Figu a 4.9: Diseño del esquemá ico del ECG. Es e esquemá ico es á p esen ado de o ma que cumpla las especi icaciones del F on End AD8232, cuyos equisi os ienen p esen ados en el da ashee p opo cionado po su em- p esa ab ican e. A pa i de és a se ealiza el diseño de la PCB. El diseño de la PCB que se ha ealizado pa a es e p oyec o ha sido guiado po eglas que pe mi en su implemen ación inal en placas es ánda de baqueli a. En la igu a 4.10, se mues a el diseño y azado de las pis as de la PCB a imp imi pos e io men e. Pa a el diseño de la PCB de un sis ema hay que segui una se ie de c i e ios de diseño se selec- cionan componen es y sus co espondien es oo p in s, y se p ocede a su ubicación en la placa. Pos e io men e se ealizó el azado de pis as en e los oo p in s de los dis in os componen es del diseño. Se debe ene especial cuidado en aza las pis as de la o ma más e icien e, p ocu ando no c ea ías en e las ca as Top y Bo om y e i ando los án- gulos ec os pa a e i a los e ec os de e lexión de elec ones en la pis a. Pa a consegui un mejo conexionado puede se necesa io mo e algún componen e. Se e i a á mo e los conec o es ,ubicados pa a su pos e io conexión sob e la A duino MEGA, y ambién el on -end, ubicado en el cen o de la placa. T as el azado de pis as en e odos los componen es, se p ocedió a la c eación de los a chi os ge be que se en ían a áb ica ( e Fig. 4.11). Den o de los ge be hay que inclui las con igu aciones de cada ca a jun o con la másca a an isoldadu a, la capa de se ig a ía y el a chi o de alad os. 37 Figu a 4.10: Diseño de la PCB del sis ema de adquisición de po enciales de ECG. Figu a 4.11: Ge be de la placa de PCB pa a su ab icación. 38 4.7. Comunicación con A duino La comunicación en e la sección analógica del sis ema con la sección digi al se ealiza median e A duino. El sis ema de adquisición de da os se basa en la lec u a de la señal de ECG, p ocesada analógicamen e median e el sis ema que se desa olló en el apa ado an e io , y en iado a la pla a o ma de A duino en o ma de una señal analógica. Los da os ecogidos de ensión eléc ica se gua dan en un iche o de da os ipo TXT pa a se en iado al p ocesamien o de señal en MATLAB. Es e iche o se gua da á en un sis ema de almacenamien o de da os que, pa a es e p oyec o es una a je a mic oSD. El diag ama de lujo del sis ema sigue la siguien e es uc u a ( e Fig. 4.12). P ime o debe comp oba se que los elec odos es án co ec amen e conec ados, es deci , que no se ha p oducido una desconexión en alguno de los elec odos del sis ema. Pos e io men e, debe ealiza se la lec u a y gua da se en una a iable auxilia pa a después se esc i a en el iche o x sepa ado po un espacio, o ma o del que puede lee MATLAB pa a el análisis de da os. Figu a 4.12: Diag ama de lujo de la sección so wa e del sis ema. La comunicación en e A duino y el sis ema analógico se ealiza de o ma inin e umpida has a que se ex aiga la a je a mic oSD. De es a o ma, desde que se alimen a el dispo- si i o, la lec u a de da os es con inua. El código ealizado pa a la comunicación en e A duino y el sis ema analógico se p e- sen an en el Anexo III. 4.8. P ocesamien o de la señal Pese a que en el p opio on end AD8232 ealiza una e apa de p ep ocesado de la señal, median e il os no ch y ampli icado es de señal, hay muchos e ec os pe judiciales que pueden de e io a la calidad de la señal. Es as son las siguien es: 39 Pe u baciones elec omagné icas, debido a p oblemas de compa ibilidad elec o- magné ica en e dis in os apa a os que se encuen e en el en o no. P oblemas de an ena debido a que los elec odos ienen una longi ud de cable con- side able, espec o a las dimensiones del sis ema, y pueden p oduci un e ec o de an ena de señales que ci culen po el ambien e. O o allo que se puede p oduci es la in oducción de uido en el sis ema de A duino. Po es os mo i os, se e necesa io ealiza un p ocesamien o de la señal, educiendo cie as ecuencias de uido, así como e ec os de la línea base. En p ime luga , es necesa io educi ese e ec o del uido pa a pode ob ene una señal con de inición y en segundo luga , lo que más in e esa a la ho a de es udia un elec oca diog ama es en nume osas ocasiones el complejo QRS. Pa a ello se iene que ealiza un il ado en ecuencia educiendo aquellas que no in e esen y ampli icando o man eniendo aquellas que sí in e esan, en el ango de los 5-15 Hz como se obse a en la igu a 2.5 del capí ulo 2. Pa a la ampli icación y de ección de es os complejos QRS exis en di e sas écnicas, siendo una de las más u ilizadas el algo i mo de de ección de Pan-Tompkin. Algo i mo de Pan-Tompkin El algo i mo de de ección de complejos QRS de Pan- ompkin ue desa ollado en 1985 con el in de c ea un mé odo au omá ico de de ección de dichos complejos y pode de ec a cie as pa ologías como la a i mia, la idos ec ópicos o ex asís ole. Es e algo i mo es á basado en la aplicación de una se ie de il os en el dominio de la ans o mada Z que ealizan las a eas de educción de uido y de ampli icación del complejo QRS. En la igu a 4.13 se mues a un diag ama de lujo del uncionamien o de dicho algo i mo en el que se mues a la secuencia de aplicación de es e algo i mo. Figu a 4.13: Diag ama de lujo del algo i mo de Pan Tompkin. Como se puede obse a , p ime o se aplican un il o pasa baja y un il o pasa al a, lo que compone un il o pasa banda, cuya unción es la de elimina la ecuencia supe io a 20 Hz y la in e io a 10 Hz ap oximadamen e. Pos e io men e, con la señal ya il ada, se aplica 40 un de i ado que busca esal a las zonas del complejo QRS donde su cambio de pendien e es muy ab up a. T as des aca es as zonas se ele a la señal al cuad ado ampli icando los picos y se aplica un in eg ado con un iempo de en ana adecuado, po de ec o 150 ms, y se ob ienen los picos de señal o almen e esal ados (Ahls om and Tompkins, 1985). Llegados a es e pun o es cuando comienza a aplica se la de ección de los complejos QRS. Se conside a á complejo QRS odo pico que supe e un de e minado umb al calculado en el iempo de en enamien o, po de ec o 1 segundo. Es e umb al i á adap ándose cada ez que se localice un pico y se conside e un complejo (spki) o un uido (npki). Se u ilizan dos a iables auxilia es, spki y npki cuya unción es la de pe mi i que el umb al se adap e con o me a anza el algo i mo. Puede da se el caso de que se encuen e un pico pe o no alcance el umb al y se conside a á uido. En ese caso se ac ualiza á la a iable npki, asociada al ni el de uido y con ello el umb al. Todo el código desa ollado en MATLAB se p esen a en el Anexo IV, donde se encuen a o almen e comen ado. A con inuación se p esen a un pseudocódigo del algo i mo pa a explica cual es el uncionamien o de es e de o ma más de allada. //Inicializamos las a iables del algo i mo en el iempo de en enamien o spki = MÁXIMO ECG INTEGRADO EN TIEMPO DE ENTRENAMIENTO/ 3; npki = MEDIA ECG INTEGRADO EN TIEMPO DE ENTRENAMIENTO / 2; UMBRAL = npki +0.25*(spki-npki); FOR CADA PICO IF PICO > UMBRAL spki = 0.125*PICO ACTUAL+0.875*spki; GUARDAMOS POSICIÓN DEL PICO; ELSE //SI ENTRA EN ESTA CLÁUSULA, ES UN RUIDO npki = 0.125*PICOACTUAL+0.875*npki; END; END; Pa a la ealización de los algo i mos de p ocesamien o de señal se suele op a po el uso de señales ya de inidas en bases de da os como la de Physione , en la que se pueden encon a señales de ECG de pacien es con cie as pa ologías o sanos. No malmen e, se oman señales "limpias", a las que se les añade uido y, a pa i de ella, se c ean los il os pe inen es pa a el p ocesado de la señal. Se oma una señal de ECG de un pacien e con a i mia ca diaca pa a mos a odos los pasos desc i os an e io men e. En p ime luga , se mues a la señal o iginal del pacien e ( e Fig. 4.14) donde se obse a con en cie os la idos se c ean unas impe ecciones que suponen un cambio del po encial en el ci cui o eléc ico del co azón. Pos e io men e, se le aplica un il o pasa al as pa a 41 elimina las ecuencias bajas ( e Fig. 4.15) y después un il o pasa bajas pa a elimina las ecuencias al as ( e Fig. 4.16). Una ez que se aplica el il o, se ealizan odos los p ocesos que se desc iben en el diag ama de lujo. Es o es, aplicación del il o de i ado ( e ig. 4.17) y la ele ación al cuad ado y el in eg ado ( e Fig. 4.18) y, inalmen e, la de ección de complejos QRS que en es e caso es del 100%. En la Figu a 4.19 se mues an las a iables que moni o izan los ni eles de señal (spki) y uido (npki). Se obse a como es as a iables se an adap ando con o me se cap u a el ECG. Figu a 4.14: Señal o iginal de un pacien e con a i mia ca diaca ex aída de la base de da os Physione . Figu a 4.15: Señal il ada po el il o pasa al as. 42 Figu a 4.16: Señal il ada po pasa bajas. Figu a 4.17: Señal il ada po el de i ado . 43 Figu a 4.18: Señal ele ada al cuad ado y il ada po el in eg ado . Figu a 4.19: De ección de los complejos QRS de la señal. Median e es e algo i mo no se pueden de ec a algunas de las pa ologías que en un ECG di ec amen e ex aído de un pacien e y con un pequeño ni el de p ocesado se pod ía ea- liza . No obs an e, en el caso del ECG del pacien e mos ado en la igu a 4.19, se puede de ec a la a i mia como una mayo ampli ud del complejo QRS, en e los segundos 4 y 6, espec o a los o os complejos que se p oducen, pe o no es nada signi ica i o. Es e algo i mo, se u iliza undamen almen e pa a la de ección de los complejos QRS que se 44 p oducen en un pacien e y pos e io men e, ob ene in o mación signi ica i a de és e. A con inuación, se mues a el p ocesado de una señal de ECG de un pacien e con una posible pa ada ca diaca o una desconexión de los elec odos ( e Fig. 4.20). Median e el uso de señales p opo cionadas po las bases de da os que se comen a on en es e apa ado, se puede e i ica el uncionamien o del algo i mo pa a un g an núme o de señales. Es e p ocedimien o es de g an impo ancia pues o que pe mi e puli el algo i - mo y e las si uaciones en las que alla an es de pone lo en uncionamien o en el sis ema eal. Figu a 4.20: Rep esen ación de la señal de ECG de un pacien e con ca diopa ía. 4.9. Validación del sis ema Pa a la alidación de un disposi i o elec ónico hay que asegu a que odos los equisi os que se p opusie on inicialmen e se cumplen. Además, en la alidación de los disposi i os de cap u a de ECG se u ilizan no malmen e simulado es de señales de ECG con la inalidad de consegui puli la señal, e alua si hay iesgos pa a el pacien e y u iliza una señal con ca ac e ís icas conocidas pa a comp oba que el disposi i o cumple las especi icaciones que se p opusie on en los equisi os. A al a de un simulado come cial de ECG en el labo a o io, se ha empleado el simulado de ECG ac ualmen e en desa ollo como TFG po un compañe o de i ulación. Es e simulado consis e en un ci cui o analógico que simula la señal de ECG a una ecuencia de la idos po minu o de e minada. Es a ecuencia puede a ia se median e un po encióme o (Hu ado, 2017).A pa i de es e simulado se ealiza án las p uebas pe inen es de alidación del sis ema pa a comp oba que su uncionamien o es co ec o. no malmen e, pa a la alidación de disposi i os se deben 45 52 Capí ulo 5 Resul ados 5.1. In oducción Pa a la elabo ación de las p uebas de es e p oyec o, se omó una pequeña mues a de pe sonas a las que se le ealizó una oma de ECG. Es a oma de da os se ealiza de o ma o almen e olun a ia, en pe sonas sin ningún ipo de pa ología ca diaca y ningún en o no de iesgo. Al pacien e al que se le some a a un es udio con es e sis ema, se le debe da un consen imien o in o mado que debe á cumplimen a co ec amen e. Dicho consen imien o in o mado se adjun a en los anexos del p esen e p oyec o. Es e debe ealiza se con o me a Ley 41/2002, de 14 de no iemb e, básica egulado a de la au onomía del pacien e y de de echos y obligaciones en ma e ia de in o mación y documen ación clínica. En el a ículo 8 de dicha ley se especi ica que “el consen imien o se á e bal po egla gene al”, pe o que “se p es a á po esc i o en los casos siguien es: in e ención qui ú gica, p ocedimien os diagnós icos y e apéu icos in aso es y, en gene al, aplicación de p ocedimien os que su- ponen iesgos o incon enien es de no o ia y p e isible epe cusión nega i a sob e la salud del pacien e”. La in o mación al pacien e iene a cons i ui el eje undamen al en el que a icula un e dade o consen imien o. El consen imien o in o mado se ía el úl imo eslabón de ese de echo a la in o mación de los usua ios, p es a el consen imien o después de habe ob- enido la in o mación p ecisa y su icien e. El i ula del de echo a la in o mación es el p opio pacien e, único legi imado, en p incipio, pa a consen i . 53 5.1.1. P ime a P ueba La p ime a p ueba se ealiza a un pa icipan e de 22 años. Como se comen ó an e io men e, la p ueba se ealiza en eposo ( e Fig. 5.1). Figu a 5.1: Rep esen ación de la señal de ECG del pacien e de la p ime a p ueba. T as ecoge es a señal, se puede obse a cie o uido como de la línea eléc ica gene al y de alguna línea base, se a a ealiza el il ado de la señal. A con inuación, se mues an en las imagen 5.2 el uncionamien o del p ocesado de es a señal. Pa a es a p ueba, la e iciencia del sis ema es del 100 %, cap u ando odos los complejos QRS de la señal p esen ada. Se puede obse a en la igu a 5.2 la secuencia de il ados que se ealiza a la señal al y como se desc ibió en el apa ado de p ocesado de señal del capí ulo an e io . En es e p oceso de aplicación de il os se puede obse a como an desapa eciendo las ecuencias que se han il ado. Po ejemplo, pa a la p ime a imagen en la que se ealiza un il ado pasa al as, se puede obse a como desapa ece p ác icamen e las ondas P y T espec o a la igu a 5.1. 54 Figu a 5.2: P ocesado de la señal de ECG del pacien e 1. 55 5.1.2. Segunda P ueba La segunda p ueba se ealiza a un pa icipan e de 84 años al que se le oma una b e e mues a de ECG en un in e alo de 12 segundos ap oximadamen e pa a pode ob ene una señal de ECG bien de inida en un ango de iempo co o. Se puede obse a en es a oma de da os ( e Fig. 5.5, que la señal se ob iene con una buena esolución pudiendo dis ingui co ec amen e las ondas P, QRS y T. Además se obse a el e ec o de la in e e encia de la ed eléc ica con una ecuencia de 50Hz. Se puede obse a en la igu a 5.5 como el il ado unciona pe ec amen e des acando los complejos QRS de o ma muy cla a y su e iciencia es del 100 %. Figu a 5.3: Rep esen ación de la señal de ECG del pacien e de la segunda p ueba. 5.1.3. Te ce a P ueba La e ce a p ueba se ealiza a un pa icipan e de 57 años ( e Fig. 5.4). En es a ocasión, se ha p e endido mos a algunas de las in e e encias que se pueden p oduci en una señal de ECG como es la desconexión de elec odos, en e los segundos 8 y 10 donde se obse a un po encial muy a ian e aunque se man iene el complejo QRS. En la igu a 5.5 se mues a odo el il ado ealizado a es a señal. En es e caso la e iciencia es meno , del 85 %. Figu a 5.4: Rep esen ación de la señal de ECG del pacien e de la e ce a p ueba. 56 Figu a 5.5: P ocesado de la señal de ECG del pacien e 2. 57 Figu a 5.6: P ocesado de la señal de ECG del pacien e 3. 58 5.1.4. Cua a P ueba La cua a p ueba se ealiza a un pa icipan e de 59 años ( e Fig. 5.7 ). En es a ocasión se puede obse a que la conexión de los elec odos se ealizó un poco ue a de la zona que debía es a po lo que la onda R no ampli icó lo su icien e. Todo el p ocesado de la señal ob enida en es a p ueba se mues a en la igu a 5.8. Es a p ueba si e pa a indica que el sis ema es capaz de abaja bien pese a ene un p oblema como el comen ado. La e icacia de de ección de complejos QRS en es e caso es del 95% pues o que exis en algunos complejos con una ampli ud muy baja. Figu a 5.7: Rep esen ación de la señal de ECG del pacien e de la cua a p ueba. 5.2. Conclusiones En las p uebas que se han ealizado sob e es a pequeña mues a de suje os se pueden obse a cie os aspec os muy signi ica i os. En p ime luga el e ec o an ena que se p o- duce sob e los elec odos y los cables de conexión. Se pod ía educi es e uido pegándolos más al cue po de la pe sona y al disposi i o, disminuyendo la longi ud. No obs an e, es e uido pod ía elimina se en cie a medida, sal o que se incluya en el ango de ecuencias signi ica i as. Si es o ocu e, la señal se empeo a á bas an e pe diendo in o mación. Sin emba go, lo que más nos in e esa en es e p oyec o es la de ección del complejo QRS po lo que, al se es e de bas an e mayo ampli ud que el uido que se incluye, el algo i mo segui á uncionando co ec amen e. Se debe ene en cuen a ambién o os allos que se p oducen en la lec u a de da os como la a iación de la línea base como consecuencia de la espi ación y posible mo i- mien o de los elec odos en la piel del pacien e. Es e uido puede se eliminado median e el p ocesamien o digi al en MATLAB po lo que no hay p oblema con ello. 59 Figu a 5.8: P ocesado de la señal de ECG del pacien e 4. 60 Capí ulo 6 Conclusiones La elabo ación de es e p oyec o ha seguido una es uc u a cla a, iniciado con una e isión bibliog á ica, es udiando las ca ac e ís icas del sis ema biológico que se a a medi y de los componen es elec ónicos del sis ema. Pos e io men e, se comen a on las di e en es ases del p oyec o de allando qué c i e ios se es ablecie on pa a la decisión de cie os aspec os y cómo se p ocedió al diseño y ab icación del disposi i o. Finalmen e se ealiza on las p uebas de alidación pe inen es jun o con una se ie de expe imen os. Se concluye es e abajo con las siguien es conclusiones. A la ho a de elabo a un p oyec o de diseño y ab icación de un disposi i o elec omédico es i al ene cla a la base biológi- ca con la que se abaja. Sin ene una base de es udio de cómo se p oducen las a iables ísicas que se ecogen, no se ía posible comp ende muchas de las decisiones que se oman a lo la go del diseño. Es po es o po lo que se ha hecho an o én asis al comienzo del p oyec o con un e isión de la pa e biológica. También es de g an impo ancia conoce el uncionamien o ísico de los dis in os componen es elec ónicos que se u ilizan pa a el disposi i o. Es o es un cla o ejemplo de un p oyec o mul idisciplina donde se necesi a un amplio conocimien o que, coo dinado en e odas las pe sonas que colabo en en el p oyec- o, consiguen desa olla un apa a o elec omédico con un obje i o especí ico y o almen e uncional, es deci , no cae en p oblemas de i ados de la al a de conocimien o de uno u o o ámbi o. Con el desa ollo del p esen e p oyec o a lo la go de odo el iempo dedicado a ello se han ex aído las siguien es conclusiones. Se ha conseguido desa olla e implemen a el ci cui o analógico del elec oca dió- g a o, ob eniendo como obje i o inal la PCB. Se ha es ablecido una comunicación e icaz y iable en e el ci cui o analógico y la placa de desa ollo A duino añadiendo la unción de gua da los da os en una a je a SD ex e na de o ma que se puedan anspo a los da os has a un compu ado a donde ealiza el p ocesado de los da os. Se ha añadido además la uncionalidad de que el sis ema sea emo o añadiendo una ba e ía a és e. 61 68 Anexo I. Concep os ana ómicos y isiológicos In oducción En es e anexo se ealizan las explicaciones e e en es a las dis in as pa es del sis ema ci cula o io del cue po humano. Pa a ello se oman como pila es undamen ales las ob as de To o a y De ickson, con el compendio P incipios de Ana omía y Fisiología (To o a and De ickson, 2007), el Compendio de Fisiología humana Guy on de John E. Hall (Hall, 2012) y uno de diseño de apa a os elec omédicos, Medical ins umen a ion: Applica ion and Design de John Webs e (Webs e , 2009). Ana omía de la sang e La mayo ía de las células de un o ganismo mul icelula , como el cue po humano, no pue- den mo e se den o del o ganismo pa a ob ene los nu ien es y oxígeno necesa ios pa a pode man ene sus unciones i ales, y elimina los p oduc os de desecho de i ados de la espi ación celula como el dióxido de ca bono y compues os ni ogenados. Po ello exis e un sis ema de ci culación de luidos co po ales que p o een a las células de odo el o ganis- mo los nu ien es necesa ios. Es os luidos co po ales son la sang e y el líquido in e s icial. La sang e es un ejido conec i o compues o po una ma iz ex acelula de un líquido llamado plasma sanguíneo en el cual se disuel en di e sas sus ancias y se encuen an mu- chos ipos de células y agmen os celula es en suspensión. A a és de la sang e ci culan un g an núme o de células con di e sas unciones. La sang e se enca ga de anspo a oxígeno desde los pulmones y los nu ien es des- de el ac o gas oin es inal has a el es o del cue po. Los desechos de los o os sis emas celula es se ceden a la sang e en di ección opues a a la llegada de nu ien es y se en ían a los iñones, pulmones y piel pa a su eliminación. Las unciones de la sang e son las de: T anspo e: lle a a cabo el mo imien o de la ma e ia p ima celula , nu ien es y oxígeno, desde los ó ganos donde se ob ienen has a las células obje i o, y ecoge los 69 desechos pa a elimina los. Regulación: la sang e ci culan e ayuda a man ene la homeos asis, equilib io quí- mico celula , de odos los líquidos celula es. También con ibuye a egula la acidez de la sang e, pH, y la empe a u a de la sang e. P o ección: la sang e anspo a células del sis ema inmuni a io a a és de ella pa a pode p o ege el cue po humano de posibles en adas de pa ógenos. Además iene cie as es uc u as, como las plaque as, de p o ección an e he idas de g an amaño. Den o de es e sis ema se debe añadi ambién el líquido in e s icial que unciona como in e media io en e la sang e y las células de un ejido des ino. La sang e iene una composición a iable de células y o os componen es como nu ien es, desechos celula es, y o os. El plasma compone la pa e no celula de la sang e y es á com- pues a p incipalmen e po agua y algunas sus ancias como nu ien es celula es, desechos p oceden es del me abolismo celula , sus ancias de anspo e como ho monas, e c. Los elemen os co puscula es componen la pa e celula de la sang e. És e es á o mado po es componen es p incipales: glóbulos ojos (GR), glóbulos blancos (GB) y plaque as. Los glóbulos ojos y glóbulos blancos son células comple as mien as que las plaque as son agmen os celula es que se expulsan a la sang e pa a cumpli una unción p o ec o a. Figu a 8.1: Composición de la sang e. Ana omía de los asos sanguíneos La ed de asos sanguíneos del cue po humano se dis ibuye en cinco ipos. Cada ipo se di e encia en su diáme o, es uc u a de las pa edes, y o os pa áme os como elas icidad, esis encia, e c. Los cincos ipos p incipales de asos sanguíneos son las a e ias, a e io- las, capila es, énulas y enas. 70 Las a e ias son los conduc os que lle an sang e desde el co azón has a el es o del cue po. Es as p esen an una es uc u a de g an amaño, ubula y o mada po capas. Su es uc- u a de es capas le con ie e elas icidad pa a el paso de la sang e median e bombeo del co azón. La elas icidad de las a e ias es muy impo an e pues o que en cada bombeo del co azón, el luido sanguíneo aumen a de p esión y la a e ia iene que adap a se a es os cambios pa a no su i o u as ni p esiones excesi as en las pa edes. El paso de sang e a a és de las a e ias es un enómeno de mac oci culación debido al g an diáme o del conduc o. Las a e iolas son las ami icaciones de las a e ias en asos de meno diáme o. Es as p esen an una es uc u a simila a las a e ias pe o de meno amaño, debido ambién a una meno p esión sob e las pa edes del conduc o. Los capila es son asos mic oscópicos que conec an las a e iolas con las énulas de un diáme o en e 4 y 10 mic óme os. El lujo de sang e a a és de es os capila es puede con- side a se como un lujo lamina debido a su poco diáme o. Se denomina mic oci culación al enómeno de paso de sang e a a és de los capila es. Figu a 8.2: Es uc u a capila . Las énulas son conduc os que se o man as los capila es y an ecogiendo la sang e de los ejidos po los que han pasado los capila es. Las énulas ienen un diáme o en e 10 y 100 mic óme os. Es e ipo de conduc os no p esen a es capas como las a e ias o a e iolas pues o que la p esión que sopo a es mucho meno que en es as úl imas. En su luga , iene dos capas, una in e na de endo elio y o a ex e na muscula . Las enas son los conduc os sanguíneos que de uel en la sang e al co azón. Su diáme o a ía en e 0.1 y 1 mm. Son po an o conduc os de g an diáme o. Las enas poseen es capas, pa ecidas a las a e ias pe o de meno g oso (Fig. 8.3). 71 Figu a 8.3: Es uc u a de sis ema ascula . La di e encia es uc u al en e las enas y las a e ias in luye en la p esión de sang e, además de o os pa áme os, a a és de los asos sanguíneos. En la igu a 8.4 se obse a la di e encia es uc u al en e ambas. Figu a 8.4: Es uc u a de las capas de las a e ias y las enas. Ana omía del co azón El co azón es el ó gano de es udio más impo an e pa a es e abajo pues no solo es el ó gano más impo an e del sis ema ca dio ascula sino que ambién es al cual se le an a oma las medidas de los po enciales gene ados. El co azón es un ó gano ela i amen e pequeño, compa ado con el es o de ó ganos, con unas dimensiones de ap oximadamen e 12 cm de la go, 9 cm de ancho y 6 cm de espeso . También iene un peso medio de 250g pa a muje es adul as y 300g pa a homb es adul os. En cuan o a la posición ela i a del co azón, es e descansa sob e el dia agma, ce ca de la línea media de la ca idad o ácica. Se localiza den o del medias ino, una masa de e- jido que se ex iende desde el es e nón has a la columna e eb al en el plano ans e sal. Además se encuen an dos e cios del co azón a la izquie da de la línea media del cue - po. Todos es os da os son impo an es de ca a al diseño de un disposi i o elec omédico po que da án la in o mación necesa ia pa a la oma de equisi os del diseño y pa a es a- 72 blece las dimensiones del sis ema. Las posiciones que se han comen ado an e io men e se mues an en las igu as 8.5 y 8.6. Figu a 8.5: Posición del co azón en el plano ans e sal del cue po humano (To o a and De ickson, 2007). Figu a 8.6: Posición del co azón en el plano on al o co onal del cue po humano (To o a and De ickson, 2007). El co azón se di ide en cua o cáma as p incipales (Fig. 8.7): au ículas izquie da y de echa, y en ículos izquie do y de echo. Las au ículas son las cáma as de en ada de sang e mien as que los en ículos son las salidas de sang e. Po es e mo i o, la muscula u a de los en ículos es á más desa ollada que en las au ículas, en especial en el en ículo izquie do. El co azón se puede di idi ambién en dos pa es, a endiendo al ci cui o del sis ema ascula que abajen. Po ejemplo, la au ícula de echa es la en ada de sang e de la ci culación sis émica y el en ículo de echo eyec a sang e a la ci culación pulmona . La au ícula izquie da ecibe sang e de la ci culación pulmona y el en ículo izquie do la eyec a a la ci culación sis émica. 73 Figu a 8.7: Es uc u a gene al del co azón. Los ci cui os sis émicos o gene al y el pulmona son dos ci cui os dispues os en se ie, es deci , la salida de uno es la en ada del o o. El lado izquie do del co azón es la bomba de ci culación sis émica, ecibe sang e oxigenada de los pulmones y la eyec a al ci cui o sis émico a a és de la ao a. El lado de echo del co azón es la bomba del ci cui o pul- mona , ecibe la sang e desoxigenada po la au ícula de echa, a a és de las enas ca a supe io e in e io , y la eyec a al ci cui o pulmona median e el en ículo de echo. Se de- be conside a ambién un e ce ci cui o que es el co ona io. Es e es el que alimen a a las células del p opio co azón. La sang e en a po la a e ia co ona ia, colocada al comienzo de la a e ia ao a, y sale po la ena co ona ia. En cuan o al es udio del ejido del co azón, se puede conside a que es á undamen almen- e o mado po músculo ca díaco (99%). Las ib as muscula es ca diacas son más co as y menos ci cula es en sección ans e sa que las ib as muscula es esquelé icas. Además p esen an un g an núme o de ami icaciones. Una de las ca ac e ís icas más impo an es de es e músculo es su g an núme o de mi ocond ias que se localizan odeando el haz de ilamen os muscula es de la célula ca diaca. Es o se debe a la g an can idad de ene gé ica qu necesi a cons an emen e es e ó gano pa a unciona . Además de músculo ca diaco, la pa ed del co azón ambién con iene ejido conec i o denso que o ma el esquele o ib oso del co azón. La es uc u a de es e esquele o es á o mada po cua o anillos de ejido que odean a las ál ulas ca diacas usionándolas en e sí y uniéndolas al abique in e en icula . La unción de es e anillo es an o de sopo e como de p o ección pues o que pe mi e que en casos de sob ees i amien o de las ál ulas al pasa la sang e a a és de ellas, no se ompan. Como unción de sopo e, si e como pun o de inse ción a los haces de ib as muscula es ca diacas y como aislan e eléc ico en e las au ículas y los en ículos, una ca ac e ís ica muy impo an e pa a la conducción. 74 Anexo II. Fab icación de la PCB In oducción Es e anexo supone un pun o adicional añadido al p esen e p oyec o en el que se expond á el p oceso de ab icación de la PCB del p o o ipo diseñado eó icamen e en el capí ulo de las ases del p oyec o. Desa ollo de la ab icación de la PCB En el capí ulo de las ases del p oyec o de la p esen e memo ia se ealizó odo el p oce- so eó ico de diseño de los ci cui os eléc icos, esquemá icos, y de la PCB del sis ema. La in ención del p oyec o no es la de diseña un sis ema, ab ica lo y que sea o almen e uncional pues pa a las p uebas y alidación de la memo ia se u iliza la placa de Spa k un. El diseño que se ealizó en EAGLE y del que se elabo a on los a chi os ge be ue on en iados pos e io men e a la emp esa Oshpa k donde se ealizó la p oducción y el en ío de las placas. La placa inal ob enida es la mos ada en la igu a 8.8. T as ecibi la placa, se u o que ealiza el p oceso de soldadu a de es as añadiendo los componen es SMD. Pa a la soldadu a de odos los componen es, excep o el on -end, se ealiza on median e un soldado de es año ípico. En el caso de la soldadu a del on -end, se u o que op a po usa un soldado de pis ola de calo . El esul ado inal de la placa ya soldada es la que se mues a en la igu a 8.9. Cab ía comen a cie as di e encias en algunas ca ac e ís icas en e es a placa diseña- da y una come cial como la de spa k un comen ada en el capí ulo 3 de es a memo ia ( e Fig. 3.3). La p incipal di e encia en e la placa ab icada y la come cial es el amaño, debido en g an pa e a la disposición de los componen es y el azado de pis as elegido. Pod ía habe se conseguido un amaño meno si se hubie a seguido el mismo pa ón de diseño de spa k un y componen es más pequeños, de un amaño de 0.1mm, pe o eque i ía una ecnología de soldadu a mucho más p ecisa y au omá ica de la que no se disponía en labo a o io. El amaño de los componen es que se usa on es de 0.6mm. 75 Figu a 8.8: Resul ado de la ab icación de la PCB diseñada. Figu a 8.9: Resul ado de la soldadu a de la PCB de ini i a. 76 Anexo III. Código de A duino /****************************************************************************** P oyec o: ECG a duino Au o : Gab iel Galeo e Checa ******************************************************************************/ #include <SPI.h> #include <SD.h> cons in chipSelec = 53; in lec u a = 0; File da aFile; oid se up() { // ini ialize he se ial communica ion: Se ial.begin(9600); pinMode(10, INPUT); // Se up o leads o de ec ion LO + pinMode(11, INPUT); // Se up o leads o de ec ion LO - pinMode(chipSelec , OUTPUT); // Open se ial communica ions and wai o po o open: Se ial.begin(9600); while (!Se ial) { ; // wai o se ial po o connec . Needed o na i e USB po only } i (!SD.begin(chipSelec )) { Se ial.p in ln("Ca d ailed, o no p esen "); // don’ do any hing mo e: e u n; } Se ial.p in ln("ca d ini ialized."); 77 202 203 % Figu a 6, Rep esen ación de la señal ele ada al cuad ado. 204 igu e(6); 205 subplo (2,1,1); plo ( , eal(ECGIFFT4)); g id on; 206 i le(’ECG il ado en iempo po el il o H5 y ele ado al cuad ado’); 207 xlabel (’Tiempo (s)’); 208 ylabel (’Ampli ud (mV)’); 209 210 % -------------------------------------------- 211 % 9.- Aplica una en ana de in eg ación a la señal 212 % 213 % En es e apa ado se in eg a la señal den o de una en ana 214 % de in eg ación pa a ob ene los complejos QRS 215 % -------------------------------------------- 216 217 %Tiempo de en ana, po de ec o 150 ms 218 iempo_ en ana = 0.150; 219 220 % Node mues as de la en ana de in eg ación 221 mues as_ en = ceil(Fs* iempo_ en ana); 222 223 % Aplica la en ana de in eg ación. 224 a = 1; 225 c=ze os(1,mues as_ en ); 226 b = c+(1/mues as_ en ); 227 ECG_in eg = il e (b,a,ECGIFFT4); 228 229 % Figu a 6, subplo 2 230 % Rep esen amos g á icamen e la señal en el iempo 231 igu e (6); subplo (2,1,2); 232 plo ( , eal(ECG_in eg));g id on; 233 i le (’ECG il ado po el il o H5, ele ado al cuad ado e in eg ado’); 234 xlabel(’Tiempo(s)’); ylabel(’Ampli ud (mV)’); 235 236 % ----------------------------------------------------- 237 % 10.- Algo i mo de de ección del QRS 238 % ----------------------------------------------------- 239 % Inicializamos los alo es de "spki" y "npki" 240 241 % Tiempo de en enamien o 242 en en = 1; 243 84 244 ECG_in eg = eal(ECG_in eg); 245 246 % spki se á 1/3 del máximo de la señal in eg ada en ese pe iodo 247 spki = max (ECG_in eg(1:en en*Fs)) / 3; 248 249 % npki se á la mi ad de la media de la señal in eg ada en ese pe iodo 250 npki = mean (ECG_in eg(1:en en*Fs)) / 2; 251 252 % Inicialización el umb al " h i1" que nos indica á si el pico 253 % es de uido (<= h i1) o señal (> h i1) 254 h i1 = npki +0.25*(spki-npki); 255 256 % Buscamos los picos en la señal in eg ada (u iliza " indpeaks") 257 [pks,loc] = indpeaks(abs(ECG_in eg)); 258 259 % C eación de un ec o elleno de ce os que indica á si hay QRS en un 260 % pun o o no. Si hay 0, no hay QRS, si hay o o alo , sí lo hay. 261 QRS = ze os(1,mues as); 262 263 % Vec o pa a lle a el con ol de los " h i1", "npkis" y 264 % "spkis" que hay. En la e aluación de cada pico encon ado. 265 h s = ze os(1,mues as); 266 spks = ze os(1,mues as); 267 npks = ze os(1,mues as); 268 269 %bucle pa a iden i ica si cada pico es de señal o uido. 270 o i = 1:leng h(pks) 271 % Si el pico es mayo que h eshold lo conside amos señaly 272 % se ac ualiza el alo de spki y de h eshold pa a el 273 % es udio del siguien e pico. 274 i (pks(i)> h i1) 275 spki = 0.125*pks(i)+0.875*spki; 276 % El alo de maximo se á en unción del máximo del ECG. 277 QRS(loc(i))= 0.5*max(abs(ECG_in eg)); 278 279 else 280 %En caso con a io, el pico se conside a á uido y ac ualiza 281 % npki y a con inuación del h eshold. 282 npki = 0.125*pks(i)+0.875*npki; 283 end 284 h i1 = npki+0.25*(spki-npki); 285 h s(loc(i)) = h i1; 85 286 spks(loc(i)) = spki; 287 npks(loc(i)) = npki; 288 end; 289 290 % Figu a 7, subplo 1 291 % Dibujamos la ECG in eg ada y el ec o QRS en dos subplo s 292 QRS_posi i os = ind(QRS > 0); 293 294 igu e (7); subplo (2,1,1); 295 plo ( ,ECG_in eg); g id on;hold on; 296 297 plo ( (QRS_posi i os),QRS(QRS_posi i os),’m^’);hold on; 298 299 h s_posi i os = ind( h s > 0); 300 plo ( ( h s_posi i os), h s( h s_posi i os), ’* ’); hold on; 301 302 spks_posi i os = ind(spks > 0); 303 plo ( (spks_posi i os),spks(spks_posi i os), ’g+’);hold on; 304 305 npks_posi i os = ind(npks > 0); 306 plo ( (npks_posi i os),npks(npks_posi i os), ’k.’); hold on; 307 308 legend(’SEÑAL’,’QRS’,’THRESHOLD I1’,’SPKI’,’NPKI’); 309 i le(’ECG in eg ado + h i1 + spki + npki + QRS o iginal’); 310 xlabel(’Tiempo(s)’); ylabel(’Ampli ud (mV)’); 311 312 % Figu a 7, subplo 2 313 % Dibujamos la ECG sin DC pa a comp oba los si ios donde hay 314 % complejos QRS 315 igu e (7); subplo (2,1,2); plo ( ,ECG_1);g id on; 316 i le(’ECG sin DC’); 317 xlabel(’Tiempo(s)’); ylabel(’Ampli ud’); 318 319 %---------------------------------------------------- 320 % Mejo a del algo i mo 321 % --------------------------------------------------- 322 323 mues as_en e_picos = Fs*0.2; 324 325 % En la unción indpeaks se especi ica que la dis ancia en e 326 % picos debe se del 20% de la ecuencia de mues eo. Es un alo 327 % que se puede modi ica pa a i a inando el algo i mo. 86 328 [pks2,loc2] = indpeaks(ECG_in eg,’MINPEAKDISTANCE’,mues as_en e_picos); 329 330 maximos = ze os(1,mues as); 331 h s_2 = ze os(1,mues as); 332 spks_2 = ze os(1,mues as); 333 npks_2 = ze os(1,mues as); 334 335 o i = 1:leng h(pks2) 336 i (pks2(i)> h i1) 337 spki = 0.125*pks2(i)+0.875*spki; 338 % El alo máximo se á en unción del máximo del ECG. 339 maximos(loc2(i)) = 0.5*max(abs(ECG_in eg)); 340 else 341 npki = 0.125*pks2(i)+0.875*npki; 342 end 343 h i1 = npki+0.25*(spki-npki); 344 h s_2(loc2(i))= h i1; 345 spks_2(loc2(i)) = spki; 346 npks_2(loc2(i)) = npki; 347 end 348 % Figu a 8, subplo 1 349 % Dibujamos la ECG in eg ada, el ec o QRS, el ec o THRI1, 350 % el ec o SPKI y el ec o NPKI en un subplo median e hold on 351 maxs_posi= ind(maximos > 0); 352 353 igu e (8); subplo (2,1,1); 354 plo ( ,ECG_in eg); g id on; hold on; 355 plo ( (maxs_posi),maximos(maxs_posi),’m^’); hold on; 356 357 h s_posi i os_2 = ind( h s_2 > 0); 358 plo ( ( h s_posi i os_2), h s_2( h s_posi i os_2), ’* ’);hold on; 359 360 spks_posi i os = ind(spks_2 > 0); 361 plo ( (spks_posi i os),spks_2(spks_posi i os), ’g+’);hold on; 362 363 npks_posi i os = ind(npks_2 > 0); 364 plo ( (npks_posi i os),npks_2(npks_posi i os), ’k.’); hold on; 365 366 legend(’SEÑAL’,’QRS’,’THRESHOLD I1’,’SPKI’,’NPKI’); 367 i le(’ECG in eg ado + h i1 + spki + npki + QRS en la p ime a mejo a’); 368 xlabel(’Tiempo(s)’); 369 ylabel(’Ampli ud’); 87 370 371 % Figu a 8, subplo 2 372 % Rep esen ación g á ica de la ECG sin DC pa a comp oba los si ios 373 % donde se han encon ado complejos QRS 374 375 igu e (8);subplo (2,1,2); 376 plo ( ,ECG_1); g id on; 377 i le(’ECG sin DC’); 378 xlabel(’Tiempo(s)’); ylabel(’Ampli ud’); 379 380 % -------------------------------------- 381 % Apa ado es adís ico 382 % -------------------------------------- 383 384 QRSde ec ado = indpeaks(maximos); 385 386 n o alQRS = leng h(QRSde ec ado); 387 388 iempo=(longi ud/Fs); % En segundos 389 iempominu os = iempo / 60; % en minu os 390 391 ecuenciaca diaca = n o alQRS/( iempominu os); 88 Anexo V. Consen imien o in o mado En es e anexo, se mues a la hoja de consen imien o in o mado que deben cumplimen a los pacien es pa a la ealización de los es udios médicos al y como se es ablece en laLey 41/2002, de 14 de no iemb e, básica egulado a de la au onomía del pacien e y de de echos y obligaciones en ma e ia de in o mación y documen ación clínica. 89 CONSENTIMIENTO INFORMADO PARA PRUEBA DE ELECTROCARDIOGRAMA (ECG) Es e documen o si e pa a que us ed, o quien lo ep esen e, dé su consen imien o pa a es a in e ención. Eso signi ica que nos au o iza a ealiza la. Puede us ed e i a es e consen imien o cuando lo desee. Fi ma lo no le obliga a us ed a pa icipa en el es udio. De su echazo no se de i a á ninguna consecuencia ad e sa espec o a la calidad del es o de la a ención ecibida. An es de i ma , es impo an e que lea despacio la in o mación siguien e. EN QUÉ CONSISTE. PARA QUÉ SIRVE: La p ueba consis e en un es udio de Elec oCa dioG ama(ECG) median e el cual se p e ende ecoge y analiza la señal ca diaca del pa icipan e. El p ocedimien o se á usado de o ma o almen e académica sin ningún ipo de in e és come cial. CÓMO SE REALIZA: PROCEDIMIENTO El p ocedimien o de es a p ueba consis e en coloca al pacien e en una posición elajada sin ningún ipo de es ue zo ísico y en un en o no lib e de uido elec omagné ico. Se le coloca á unos elec odos en posición del iángulo de Ein ho en. Se ealiza á pos e io men e una oma de da os de 1 minu o. Pos e io men e, si se solici a, se some e á al pacien e a un le e es ue zo ísico, andando o sal ando, y se ol e án a oma medidas. QUÉ EFECTOS LE PRODUCIRÁ: Es e es udio no iene ningún e ec o sob e el pa icipan e. EN QUÉ LE BENEFICIARÁ: Es e es udio iene como come ido el diseño y pues a en uncionamien o de un disposi i o de adquisición de señal del co azón humano pa a se usado en dis in os ámbi os como pa a pe sonas ancianas, e c. QUÉ RIESGOS TIENE: Cualquie ac uación médica iene iesgos. La mayo pa e de las eces los iesgos no se ma e ializan, y la in e ención no p oduce daños o e ec os secunda ios indeseables. Pe o a eces no es así. Po eso es impo an e que us ed conozca los iesgos que pueden apa ece en es e p oceso o in e ención. LOS MÁS FRECUENTES: En gene al, son p oblemas le es como: - Pequeña de i ación eléc ica. LOS MÁS GRAVES: En gene al, son p oblemas poco ecuen es como: - Al e aciones g a es del i mo ca díaco. - Fib ilación ca díaca en caso de allo g a e del sis ema. LOS DERIVADOS DE SUS PROBLEMAS DE SALUD: SITUACIONES ESPECIALES QUE DEBEN SER TENIDAS EN CUENTA: Pueden exis i ci cuns ancias que aumen en la ecuencia y g a edad de iesgos y complicaciones a causa de en e medades que us ed ya padece. Es as ci cuns ancias deben se comunicadas a su médico, pa a que sean alo adas. Es impo an e conoce sus posibles ale gias a medicamen os, si iene al e aciones de la coagulación de la sang e y las en e medades que padezca. Comunique ambién los medicamen os que es é omando o cualquie o a ci cuns ancia. CONSENTIMIENTO INFORMADO PARA PRUEBA DE ELECTROCARDIOGRAMA (ECG) OTRAS INFORMACIONES DE INTERÉS (a conside a po el/la p o esional): ACEPTACIÓN/DENEGACIÓN DE CONSENTIMIENTO, FIRMAS Y POSIBILIDAD DE REVOCACIÓN FECHA:.........../ .........../ ............. D./Dña/....................................................................................................................................................... (NOMBRE Y APELLIDOS DEL PACIENTE) D.N.I.: …................................. D./Dña/....................................................................................................................................................... (NOMBRE Y APELLIDOS DEL REPRESENTANTE LEGAL/FAMILIAR/PERSONA CON OTRA VINCULACIÓN DE HECHO (incapacidad del pacien e pa a consen i o denega , ya sea po mino ía de edad, incapacidad legal o incompe encia, indicación del ca ác e con que in e iene (pad e, mad e, u o , e c.)) D.N.I.: ……........................ NOMBRE DEL PROFESIONAL SANITARIO QUE INFORMA: D./Dña/........................................................................................................... Nº COL: ........................... Decla o que:  He sido in o mado de o ma comp ensible de la na u aleza y los iesgos del p ocedimien o mencionado, así como de sus al e na i as.  Es oy sa is echo con la in o mación ecibida. He podido o mula odas las p egun as que he c eído con enien es y, me han sido acla adas odas mis dudas.  En consecuencia, doy mi consen imien o pa a su ealización sabiendo que puedo e oca lo en cualquie momen o i mando la denegación/ e ocación si llega a el caso.  Si su gie a alguna si uación u gen e, que equi iese algún p ocedimien o dis in o del que he sido in o mado, au o izo al equipo médico pa a ealiza lo sin p e io consen imien o. Fi ma del pacien e Fi ma Rep esen an e Legal Fi ma del P o esional DENEGACIÓN O REVOCACIÓN DE CONSENTIMIENTO Después de se in o mado de la na u aleza y iesgos del p ocedimien o p opues o, mani ies o de o ma lib e y conscien e mi DENEGACIÓN/REVOCACIÓN DE CONSENTIMIENTO pa a su ealización, haciéndome esponsable de las consecuencias que pueden de i a se de es a decisión. Fi ma del pacien e Fi ma Rep esen an e Legal Fi ma del P o esional 92 Anexo VI. P esupues o El p esupues o pa a el p esen e p oyec o es el mos ado a con inuación. 93