Diseño de un equipo de biofeedback para el tratamiento de la incontinencia urinaria

PROYECTO FINAL DE CARRERA Diseño de un equipo de biofeedback para el tratamiento de la incontinencia urinaria (Design of a biofeedback device for urinary incontinence treatment) Ingeniería de Telecomunicación Autor: Fran González Pla Director: Juan Ramos Castro Septiembre de 2011 Índice general 1. Introducción 9 1.1. Presentación ............................................. 9 1.2. Objetivos ............................................... 10 2. La incontinencia urinaria 11 2.1. Introducción.............................................. 11 2.2. El sistema urinario femenino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1. Fisiología de la micción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3. Tiposdeincontinencia........................................ 15 2.4. Prevalencia .............................................. 16 2.4.1. Impacto social y económico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.5. Diagnóstico.............................................. 18 2.6. Factoresderiesgo........................................... 19 2.7. Tratamiento de la incontinencia urinaria en la mujer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.7.1. Tratamiento de la incontinencia urinaria de esfuerzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.7.2. Tratamiento de la incontinencia urinaria de urgencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.8. Principios del biofeedback en la incontinencia urinaria de esfuerzo . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.9. Laseñaldeelectromiograma..................................... 25 2.9.1. Características ........................................ 25 2.9.2. Estimación de la amplitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1 ÍNDICE GENERAL 2 3. Descripción del sistema 30 3.1. Descripcióngeneral.......................................... 30 3.1.1. Etapadeadquisición..................................... 31 3.1.2. Etapa dispositivo biofeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.3. Etapa de software para el PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.2. Hardware ............................................... 32 4. Diseño del dispositivo 34 4.1. Requerimientos del biofeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.1. Requerimientos del personal sanitario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1.2. Requerimientos de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2. Entornodedesarrollo ........................................ 35 4.2.1. Archivosbásicos ....................................... 37 4.2.2. Interacción con la pantalla táctil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.3. Inicialización del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.1. Menúprincipal........................................ 47 4.4. Estructuradecarpetas........................................ 48 4.5. Menú1:Ejercicios .......................................... 50 4.5.1. Calibración.......................................... 50 4.5.2. Adquisición.......................................... 52 4.5.3. Procesado........................................... 53 4.5.4. Funcionamiento ....................................... 59 4.6. Menú 2: Visualización del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.7. Menú3:ConexiónconelPC .................................... 69 4.8. Menú4:Opciones........................................... 72 4.9. Menú5:Usuarios........................................... 73 ÍNDICE GENERAL 3 5. Resultados y conclusiones 77 5.1. Prueba del sistema completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.2. Conclusiones ............................................. 80 5.3. Futuraslíneasdetrabajo ...................................... 81 A. Estudio de mercado 85 B. Especicaciones etapa adquisición 93 Índice de guras 2.1. Sistemaurinario[11]......................................... 12 2.2. Lapelvisfemenina.......................................... 13 2.3. Fase de llenado de orina [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4. Fase de vaciado de orina [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5. Incontinencia urinaria de esfuerzo [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.6. Incontinencia urinaria de urgencia [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.7. Prevalencia según los tipos de incontinencia urinaria (fuente Abrams et al 2002) . . . . . . . 17 2.8. Prevalencia de la incontinencia urinaria en función de la gravedad y la edad (fuente: Hannestad etal.,2000).............................................. 20 2.9. Prevalencia de la incontinencia por edades y número de partos (fuente: Rortveit et al., 2001) 20 2.10. Porcentaje de incontinencia según deporte, durante la actividad física y en su vida diaria [13] 21 2.11. Sonda vaginal utilizada en el tratamiento con biofeedback y estimulación . . . . . . . . . . . . 23 2.12. Plantilla de entrenamiento de contracciones rápidas con la envolvente de la señal de EMG procesadayltrada ......................................... 26 2.13. Señal EMG del suelo pélvico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.1. Esquema de las etapas de diseño del biofeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2. Plataforma de desarrollo utilizada como biofeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.1. Conguración del LPC2378 en el entorno de Keil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4 ÍNDICE DE FIGURAS 5 4.2. Arquitectura de capas de diseño software según la complejidad del dispositivo . . . . . . . . . 37 4.3. Conectividad entre la pantalla táctil, el controlador de la pantalla y el microprocesador . . . 39 4.4. Dimensiones y numeración de los píxeles en la pantalla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.5. Proceso ejecución función main(void) ............................... 43 4.6. Diagrama de ujo iterativo del programa del biofeedback ..................... 46 4.7. Menú inicial del biofeedback : modo avanzado (izquierda) y modo básico (derecha) . . . . . . . 47 4.8. Menú inicial básico con un botón pulsado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.9. Conectividad de la etapa de adquisición con el biofeedback .................... 51 4.10. Esquema de procesado de la señal EMG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.11. Respuesta frecuencial del ltro paso bajo (izquierda) y paso alto (derecha) . . . . . . . . . . . 55 4.12. Comparación de la estimación RMS (izquierda) y AVR (derecha) con ventanas de 80 ms. También se muestra la señal de EMG adquirida a estimar (arriba) . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.13. Comparación de la estimación RMS en función del tamaño de la ventana . . . . . . . . . . . 57 4.14. Comparativa del valor estimado RMS con diferentes ltros de media móvil . . . . . . . . . . . 58 4.15. Comparación entre el valor RMS estimado y la señal ltrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.16. Esquema de lectura y dibujado de los ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.17. Máquina de estados que controla la realización de ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.18. Esquema de procesado en bloque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.19. Imagen de un ejercicio en modo plantilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.20. Imagen de un ejercicio en modo barras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.21. Biofeedback guardando el resultado de un ejercicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.22. Menú Programa para la previa visualización de los ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.23. Imagen de la pantalla cuando el biofeedback está sin conexión. Cuando se produce un intercambio de datos se muestra Conectado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.24. Esquema de conexión entre el biofeedback yelPC......................... 71 ÍNDICE DE FIGURAS 6 4.25.Imagendelmenúopciones...................................... 73 4.26.Imagendelmenúusarios....................................... 74 4.27. Menú de creación de usuarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.28. Imágenes del menú selección de usuario (izquierda) y eliminar usuario (derecha) . . . . . . . . 76 5.1. Panel frontal de la aplicación LabView para probar el biofeedback ................ 78 5.2. Biofeedback funcionando en tiempo real con ruido blanco a la entrada . . . . . . . . . . . . . 78 5.3. Estimación de la amplitud RMS mediante MATLAB de una contracción sostenida de una paciente................................................ 79 5.4. Representación de una contracción sostenida de una paciente en el biofeedback ......... 79 5.5. Estimación de la amplitud RMS mediante MATLAB de contracciones rápidas de una paciente 80 5.6. Representación de contracciones rápidas de una paciente en el biofeedback ........... 80 Resumen La incontinencia urinaria es una disfunción con una incidencia importante en la sociedad española. En las mujeres, el tipo más frecuente es la incontinencia urinaria de esfuerzo, causada principalmente por un debilitamiento de los músculos del suelo pélvico femenino. La opción más habitual de tratamiento consiste en que la mujer realice de forma regular ejercicios de rehabilitación del suelo pélvico pautados por el médico. En este Proyecto Final de Carrera, se propone diseñar un dispositivo de biofeedback , que ayude a las pacientes que padecen incontinencia urinaria a realizar correctamente el tratamiento pautado por el médico en el ámbito domiciliario. Gracias a esta técnica, las pacientes pueden ver al momento si están haciendo bien los ejercicios, y los médicos pueden supervisar la realización de los ejercicios prescritos. Para hacerlo, se ha programado una pequeña pantalla táctil portátil que incorpora un microprocesador programable, sobre la que se ha desarrollado una interfaz gráca que facilita a las pacientes su funcionamiento como biofeedback . Este dispositivo les mostrará continuamente la actividad de los músculos del suelo pélvico y de la cavidad abdominal. Los resultados experimentales realizados en tiempo real con señales de electromiograma sobre el dispositivo desarrollado, muestran un correcto funcionamiento del biofeedback , en el que es posible estimar la actividad muscular del suelo pélvico y abdominal en tiempo real. 7 Agradecimientos Me gustaría agradecer a mi director de proyecto Juan Ramos Castro por su implicación desde el primer día, así como sus aportaciones y guía que han sido de gran ayuda. Agradezco enormemente que haya tenido siempre abierta la puerta de su despacho para cualquier consulta. También quiero agradecer la conanza mostrada en mí por permitirme participar en un proyecto de estas características. La elaboración de un dispositivo de ámbito multidisciplinar requiere la colaboración de personas de diferentes ámbitos. Por un lado me gustaría destacar la ayuda de miembros del Centre de Recerca en Enginyeria Biomèdica (CREB), especialmente la del profesor Miquel Àngel Mañanas por sus opiniones sobre el diseño del dispositivo y sus conocimientos en señales biomédicas. Debido a la dimensión médica del proyecto, ha sido necesaria la colaboración de personal sanitario que trabaje diariamente con pacientes que padecen incontinencia urinaria. En este aspecto me gustaría destacar la contribución periódica de miembros del Institut Clínic de Ginecologia i Neonatologia del Hospital Clínic de Barcelona , concretamente a la Jefa de la Unidad de Uroginecología Montserrat Espuña Pons y a la enfermera Amelia Pérez González. Por otro lado, también me gustaría agradecer la contribución de la matrona Ainoa Biurrun por sus comentarios y ayuda en el ámbito de las pacientes que sufren incontinencia urinaria debida al embarazo y al parto. Durante la realización de este proyecto he trabajado conjuntamente con los compañeros del laboratorio de instrumentación y bioingeniería, que desde el primer día me han ayudado y han compartido de forma desinteresada sus conocimientos y experiencia. Me gustaría agradecer expresamente a Giuseppe, Francesc, Hadis, Benjamín, Federico, Adolfo, Raúl y a otros que han pasado por durante este tiempo como Erick, Ruth y Giovanni. Tampoco puedo olvidarme de todos los grandes amigos que he hecho durante estos magnícos años que he pasado en esta escuela. Espero que podamos seguir compartiendo momentos juntos. Posiblemente, no habría sido posible llegar hasta aquí sin la educación, cariño y apoyo incondicional que me ha dado mi familia, es especial mis padres Francisco y Puricación, y mi hermano Óscar. 8 CAPÍTULO 2. LA INCONTINENCIA URINARIA 15 sólo ante un escape de orina se pondrá en marcha el sistema nervioso somático 4 y voluntario para contraer el esfínter externo y evitar la incontinencia. 2.3. Tipos de incontinencia La incontinencia urinaria puede ser debida por diferentes causas, con una sintomatología diferenciada entre ellas. A continuación se presenta una descripción de los tipos más frecuentes de incontinencia urinaria: Incontinencia urinaria de esfuerzo : Son escapes involuntarios de orina que se desencadenan con el esfuerzo físico que provoca un aumento de la presión abdominal, como por ejemplo toser, reír caminar, correr.... Los músculos de alrededor de la uretra evitan que la orina se escape, pero cuando estos se debilitan o se relajan (por ejemplo por obesidad, mujeres que han dado a luz o en la menopausia), la presión de la vejiga sobrepasa la presión de cierre de la uretra produciéndose el escape (gura 2.5). En resumen, se produce por un debilitamiento de los músculos y tejidos que mantienen la uretra en su sitio (suelo pélvico) y/o debido a una disfunción intrínseca del esfínter. Este tipo de incontinencia urinaria puede ser causada por dos mecanismos diferentes y pueden darse por separado o juntos en una misma paciente:  Hipermovilidad uretral: Esta incontinencia se produce porque durante los esfuerzos físicos, la uretra desciende de su correcta posición anatómica.  Disfunción uretral intrínseca: Es la falta de resistencia de la uretra a la salida de la orina durante un esfuerzo, no se debe a un fallo de los mecanismos de sujeción sino a una insuciente coaptación de sus paredes. Figura 2.5: Incontinencia urinaria de esfuerzo [12] sin que seamos conscientes de ello 4 Su nervio es el pudendo, responsable del control voluntario del esfínter externo de la uretra y del esfínter anal CAPÍTULO 2. LA INCONTINENCIA URINARIA 16 Incontinencia urinaria de urgencia : Se caracteriza por presentar de forma brusca una emisión involuntaria de orina acompañada o precedida de un intenso deseo de orinar imposible de controlar. Además, clínicamente suele acompañarse de un aumento de frecuencia miccional diurna o nocturna. Esta sensación de urgencia es debida a una contracción involuntaria del músculo detrusor (puede ser causada por alguna enfermedad neurológica), tal y como puede observarse en la gura 2.6. Figura 2.6: Incontinencia urinaria de urgencia [12] Incontinencia urinaria de tipo mixto . Resultado de la combinación de los dos anteriores, ya que el paciente presenta síntomas de incontinencia de esfuerzo y de urgencia. También hay otros tipos de incontinencia menos frecuentes que los anteriores: Incontinencia urinaria continua : Se trata de una pérdida involuntaria y continua de orina. Puede ser debida a una fístula urogenital/vesicovaginal o una lesión grave del sistema esnteriano. Incontinencia por rebosamiento : Esta pérdida involuntaria de orina se produce asociada a una obstrucción mecánica o funcional, cuando la vejiga es incapaz de vaciarse y la orina se acumula en su interior hasta que la presión intravesical vence la resistencia uretral, y se produce una pérdida de orina en forma de goteo constante. 2.4. Prevalencia A pesar del gran impacto tanto social como económico que supone la incontinencia urinaria, su prevalencia no está bien establecida. En función de los estudios realizados, la prevalencia varía desde el 3% al 40% en relación con la edad y el sexo. Esta variabilidad de los resultados en los estudios realizados hasta la actualidad es debida a la denición de incontinencia urinaria, la selección de las muestras estudiadas en función de la edad, sexo o nivel cultural, la severidad, el tipo de incontinencia y su baja noticación. También hay que CAPÍTULO 2. LA INCONTINENCIA URINARIA 17 tener en cuenta que se trata de un problema que no se suele comentar a los médicos, a causa de sentimientos de vergüenza, o al hecho de asociarse erróneamente con la creencia de que la incontinencia urinaria es un proceso natural unido al envejecimiento. Un estudio reciente realizado en cuatro países europeos (Francia, Alemania, Reino Unido y España) llevado a cabo sobre las respuestas de una encuesta por correo a 17.080 mujeres de más de 18 años, demostró que el 35% de ellas referían pérdidas involuntarias de orina en los 30 días previos. La tasa de prevalencia fue muy similar en todos los países (entre un 41-44%), excepto en España, cuya tasa resultó sorprendentemente menor, un 23% [10]. La prevalencia que consideraremos en este trabajo es la publicada en el 2010 por el Grupo Observatorio Nacional de Incontinencia (ONI), el cual calcula que el 23,6% de las mujeres españolas y el 9,6% de los hombres mayores de 18 años sufren incontinencia urinaria [7] 5 . No obstante, en un reciente estudio realizado por el Hospital Clínic de Barcelona se obtuvieron unos resultados notablemente menores. Según el estudio realizado en el año 2009 sobre 18.126 6 individuos en la población de Cataluña [2], se obtuvo que el 7,9% de la población declara tener incontinencia urinaria (el 12,2% de las mujeres y el 3,6% de los varones), lo que supone que más de 500.000 personas en esta comunidad tienen pérdidas involuntarias de orina, de las cuales el 77% son mujeres. Finalmente, es importante destacar que dos tercios de las personas que reconocieron sufrir incontinencia urinaria tienen síntomas moderados, graves o muy graves. En cambio, en otro estudio realizado durante febrero y marzo de 2010 en dos centros de salud urbanos de Zaragoza y publicado en enero de 2011 7 , se obtuvo una prevalencia global de la incontinencia urinaria del 33%, de los cuales en el 62% el diagnóstico no era conocido por el médico de atención primaria y en el 60% rerió limitaciones en su calidad de vida [3]. Por lo que se reere a la prevalencia según los tipos de incontinencia urinaria, la más frecuente es la incontinencia urinaria de esfuerzo y la mixta. Como vemos en la gura 2.7, el 87% de los casos corresponde a estos tipos de incontinencia. Figura 2.7: Prevalencia según los tipos de incontinencia urinaria (fuente Abrams et al 2002) 5 Con un intervalo de conanza del 95% obtendríamos en mujeres (21,0% - 26,4%) y en hombres (7,5%-12,4%)% 6 Sobre el total de la población, de los cuales 15.926 eran mayores de 18 años. 7 Muestra total sobre 356 pacientes, mediante un muestreo aleatorio simple entre hombres y mujeres mayores de 14 años. CAPÍTULO 2. LA INCONTINENCIA URINARIA 18 2.4.1. Impacto social y económico Esta enfermedad supone un problema de salud importante para el paciente con un impacto psicológico y social. Por ejemplo, son frecuentes las urgencias miccionales, la percepción del mal olor, el aislamiento social progresivo, la pérdida de la autoestima y favorece la demanda por parte de la familia de ingresos en instituciones sociosanitarias. Varios estudios han intentado medir la calidad de vida relacionada con la salud en las mujeres incontinentes. A pesar de que estos estudios varían en su diseño, metodología, criterios de diagnóstico de la incontinencia e incluso de la denición de calidad de vida, en todos ellos se expone que la incontinencia urinaria tiene un impacto negativo notable sobre múltiples aspectos de la vida diaria en el entorno social (menor interacción social, aislamiento...), físico (limitación en la práctica deportiva), sexual (pérdida de actividad sexual y evitación de la pareja), psicológico (pérdida de autoestima, apatía...), laboral (absentismo) y doméstico (precauciones especiales con la ropa, protección de la cama) [10]. Además, las mujeres suelen cambiar sus hábitos de comportamiento para reducir el problema en parte, como con la reducción de la ingesta de líquidos, aislamiento y retracción social, el uso de absorbentes... La incontinencia urinaria también favorece las infecciones urinarias, los problemas dermatológicos y las alteraciones del sueño que, de alguna forma, restringen la vida social de los pacientes y aumentan la dependencia en las actividades de la vida. Además varios estudios sitúan a la incontinencia urinaria en la gente joven, como el problema que causa el mayor efecto sobre la calidad de vida junto con la artritis/reumatismo. Tampoco podemos obviar el gasto sanitario que está directamente relacionado con la incontinencia urinaria, ya que según dos estudios realizados hace unos años esta enfermedad tiene un impacto económico importante: En el año 2001, supuso un 3,2% del total de la prestación farmacéutica de España, 210 millones de euros. [3] En el año 2003, el ICS (Institut Català de la Salut) 8 gastó en Cataluña 50 millones de euros en el tratamiento de la incontinencia, lo que supone un 4,4% del total de la factura farmacéutica. De este gasto, 42 millones de euros corresponden a los absorbentes de incontinencia [6]. 2.5. Diagnóstico La distinción entre los principales tipos de incontinencia suele ser realizada con una correcta historia clínica, aunque en ocasiones los pacientes con incontinencia de urgencia pueden presentar síntomas muy similares a aquellos con incontinencia de esfuerzo siendo su tratamiento totalmente distinto. Las principales diferencias las podemos ver en la tabla 2.1. La recomendación es que el profesional sanitario aproveche las visitas de los 8 El ICS da servicio al 88% de la población de Cataluña CAPÍTULO 2. LA INCONTINENCIA URINARIA 19 usuarios para cumplimentar una buena anamnesis y realice preguntas sobre incontinencia urinaria, ya que muchas veces no es un motivo de consulta del paciente. Síntomas Incontinencia de urgencia Incontinencia de esfuerzo Urgencia (deseo repentino por orinar) SI NO Aumento de la frecuencia miccional SI NO Capacidad de llegar al baño para orinar NO SI Despertarse para ir al baño durante la noche SI Generalmente NO Escape durante la actividad física NO SI Cantidad de orina escapada en cada episodio Abundante si se produce Generalmente escasa Cuadro 2.1: Diagnóstico diferencial clínico de la incontinencia urinaria femenina [9] Para realizar un correcto diagnóstico se debe prestar especial atención a la historia clínica y profundizar en la búsqueda de factores de riesgo o desencadenantes conocidos (ingesta abundante de líquidos, diuréticos, té, café, alcohol...) que en ocasiones pueden agravar los síntomas. Además, una analítica de orina es fundamental en el diagnóstico para descartar la posibilidad de infección urinaria. Una ayuda al diagnóstico es la elaboración de un diario miccional a n de recoger las peculiaridades sintomáticas de la incontinencia. Finalmente, el diagnóstico suele completarse con una exploración física, neurológica y ginecológica para valorar si existen prolapsos de órganos pélvicos, correcto tono de la musculatura pélvica y descartar la presencia de masas pelvianas. Procedimientos más avanzados no suelen ser necesarios y se suelen emplear en los casos más complicados. 2.6. Factores de riesgo Las mujeres están más expuestas a padecer incontinencia urinaria que los hombres. La longitud uretral, las diferencias anatómicas en el suelo pélvico y efectos del parto justican que las mujeres tengan un mayor riesgo de desarrollar incontinencia urinaria. De todas formas, este riesgo varía con la edad: en menores de 60 años, las mujeres tienen cuatro veces más probabilidades que los hombres de padecer incontinencia, pero en mayores de 60 años sólo dos veces más [10]. Un factor muy importante de la incontinencia urinaria es la edad de los pacientes, ya que con el paso del tiempo los músculos del suelo pélvico se debilitan. En la gura 2.8 podemos ver una gráca de prevalencia y severidad de la enfermedad en la población femenina [1]. En ella podemos comprobar que la mayor incidencia se da en mujeres de unos 50 años (generalmente multíparas postmenopáusicas) y en mujeres de edad avanzada. CAPÍTULO 2. LA INCONTINENCIA URINARIA 20 Figura 2.8: Prevalencia de la incontinencia urinaria en función de la gravedad y la edad (fuente: Hannestad et al., 2000) El principal factor de riesgo de incontinencia urinaria de esfuerzo y mixta en las mujeres jóvenes y de mediana edad es el embarazo y el parto. Tanto el parto vaginal como el embarazo por sí mismo, presentan un riesgo para el suelo pélvico. Durante el embarazo, el aumento del peso del bebé debilita la musculatura del suelo pélvico. Además, durante el trabajo de parto también pueden producirse daños, ya que el suelo pélvico es un tejido muscular donde una elongación excesiva puede generar la rotura de bras elásticas provocando disfunciones 9 . Se ha comprobado que las mujeres con partos por cesárea tienen un riesgo mayor de incontinencia urinaria que las nulíparas, pero en cambio tiene un riesgo notablemente menor que en un parto vaginal [10]. En la gura 2.9 se muestra la relación directa con los episodios de incontinencia urinaria y el número de partos. Figura 2.9: Prevalencia de la incontinencia por edades y número de partos (fuente: Rortveit et al., 2001) Otro factor a tener en cuenta es la obesidad. Un índice de masa corporal alto se correlaciona con una mayor incidencia de incontinencia urinaria de esfuerzo y mixta, así como con la severidad de la incontinencia. En 9 Puede llegar a producirse un prolapso, es decir, un descenso total o parcial de órganos pélvicos CAPÍTULO 2. LA INCONTINENCIA URINARIA 21 este caso, la obesidad produce un aumento de la presión sobre la vejiga y los músculos del suelo pélvico. De todas formas, se conoce poco sobre la pérdida de peso como tratamiento de la incontinencia [10]. Diferentes estudios han demostrado que la raza es un factor de riesgo en la incontinencia urinaria. Las mujeres blancas tienen una prevalencia de incontinencia urinaria de esfuerzo tres veces mayor que las mujeres negras, atribuyéndose a diferencias raciales en el tejido conjuntivo o en los músculos. La incontinencia urinaria femenina es muy frecuente en trabajos que suponen grandes esfuerzos y en las deportistas, ya que los impactos sobre el suelo pélvico aumentan la presión sobre la vejiga, venciendo en ocasiones la presión uretral. En un estudio realizado sobre mujeres nulíparas de 21,5 años de edad media y en que la única diferencia entre ellas era la práctica deportiva, reveló que las que practicaban deporte padecían incontinencia urinaria de esfuerzo durante la práctica deportiva un 62,8% y en un 60% de forma diaria. Sin embargo las que no realizaban deporte presentaron incontinencia en un 34% de los pacientes. Además, el porcentaje de mujeres incontinentes depende del tipo de deporte practicado, siendo superior en aquellos en los que se producen saltos e impactos sobre el suelo pélvico (como la gimnasia, baloncesto o tenis) Figura 2.10: Porcentaje de incontinencia según deporte, durante la actividad física y en su vida diaria [13] Finalmente, también existen otras causas que son independientes del funcionamiento del suelo pélvico, se trata de enfermedades que afectan al sistema nervioso central como la enfermedad de Parkinson y los accidentes cerebrovasculares. También hay que tener en cuenta que las cardiopatías, algunos fármacos, el tabaquismo o el abuso del alcohol pueden ser factores de riesgo de la incontinencia urinaria. 2.7. Tratamiento de la incontinencia urinaria en la mujer Es importante un diagnóstico a tiempo de la incontinencia urinaria, ya que existen tratamientos ecaces en muchos casos, y a pesar de tener un buen pronóstico es una enfermedad infradiagnosticada: se estima que CAPÍTULO 2. LA INCONTINENCIA URINARIA 22 más del 50% de las pacientes no consultan a los profesionales sanitarios. Existen diversas alternativas en cuanto a los tratamientos de la incontinencia sin que sean excluyentes entre ellos, que pueden ser usados de forma complementaria para mejorar los resultados. Dado que el objetivo principal es mejorar la calidad de vida de las pacientes, es importante conocer las preferencias de la paciente, el tipo de vida que realiza y sus circunstancias personales. Para seleccionar el tratamiento adecuado, es imprescindible conocer el tipo de incontinencia que sufre la paciente. Es conveniente tener en cuenta la situación personal de la usuaria, y analizar conjuntamente con la mujer las ventajas e inconvenientes de los distintos tratamientos. El tratamiento de los síntomas de incontinencia en mujeres de edad avanzada mejora claramente la calidad de vida (en ocasiones la continencia total es imposible). 2.7.1. Tratamiento de la incontinencia urinaria de esfuerzo El tratamiento de la incontinencia urinaria de esfuerzo está orientado a aumentar la resistencia uretral para así evitar que la presión intravesical supere a la intrauretral durante la actividad física. Suele realizarse mediante la rehabilitación de los músculos del suelo pélvico, aunque para grados más avanzados el tratamiento suele ser quirúrgico mediante la colocación de unas bandas suburetrales. Tratamiento conservador: Tiene la nalidad de fortalecer la musculatura del suelo pélvico aumentando con ello el soporte sobre el que se apoya la uretra. La tasa de curación varía mucho de unos estudios a otros. Sumando a las mujeres curadas, aquellas que experimentan una notable mejoría, la tasa de éxito del tratamiento de rehabilitación de los músculos del suelo pélvico puede exceder el 70% a corto plazo. A continuación se presentan las diferentes opciones de tratamiento orientadas a fortalecer esta musculatura [9]:  Ejercicios de Kegel: Se trata de unos ejercicios que ayudan a fortalecer los músculos del suelo pélvico con el objetivo de mejorar la función del esfínter uretral o rectal. La paciente aprende a identicar el músculo con el cual se hacen los ejercicios que le ayudan a mantener la uretra cerrada. De las pacientes con incontinencia urinaria de esfuerzo que practican los ejercicios de Kegel, mejoran entre un 54-95% y entre un 12-16% solucionan el problema.  Dispositivos mecánicos: Son los conocidos como conos vaginales. Se trata de unos conos que se introducen en la vagina de la paciente, y ésta intenta que los conos no caigan mediante contracciones vaginales.  Estimulación eléctrica: Se utilizan sondas vaginales o rectales con potenciales de baja intensidad que estimulan la musculatura del suelo pélvico.  Biofeedback: Técnica de especial utilidad cuando la paciente tiene serios problemas para realizar los ejercicios del suelo pélvico, ya que no identican correctamente la musculatura. Se introduce una sonda vaginal de tal forma que a la contracción de la musculatura le sigue una señal sonora o visual acorde a la intensidad de la contracción. En la gura 2.11 se puede observar una de las sondas habitualmente utilizadas. CAPÍTULO 2. LA INCONTINENCIA URINARIA 23 Figura 2.11: Sonda vaginal utilizada en el tratamiento con biofeedback y estimulación Cirugía: Cuando el tratamiento conservador no obtiene resultados satisfactorios, se hace necesario su empleo. Al ser una técnica invasiva y con cierto riesgo se reserva para casos con una gravedad moderada o severa. Aun así, en los últimos años han aparecido tratamientos quirúrgicos poco invasivos pero muy efectivos para el tratamiento de la incontinencia urinaria por esfuerzo, como es el caso de las cintas libres de tensión. Su nalidad es dar un soporte a la uretra para que ésta no descienda al realizar un esfuerzo. En manos expertas, la cirugía permite ofrecer entre un 80-90% de curación o mejoría a un año de la intervención, aunque hay que destacar que la tasa de curación tiende a disminuir con el paso del tiempo y que en las pacientes reintervenidas ésta es signicativamente inferior. Además, el tratamiento quirúrgico no está exento de complicaciones intra y postoperatorias que aunque en general no son graves, no son fáciles de solucionar [12]. En la actualidad se están desarrollando tratamientos farmacológicos para este tipo de incontinencia y que podrían llegar a ser una alternativa a la cirugía. Con este tratamiento basado en acciones sobre neurotransmisores, se están realizando ensayos clínicos con resultados prometedores. No obstante, las posibilidades terapéuticas actuales para el tratamiento de la incontinencia urinaria de esfuerzo son la rehabilitación muscular del suelo pélvico y la cirugía [8, 12]. 2.7.2. Tratamiento de la incontinencia urinaria de urgencia El tratamiento de este tipo de incontinencia está orientado a aliviar los síntomas de aumento de frecuencia miccional, urgencia y de incontinencia de urgencia, frenando las contracciones involuntarias del músculo detrusor. Esto se lleva a cabo mediante una correcta reeducación vesical unida al empleo de fármacos que bloquean receptores involucrados en la contracción vesical [8, 9]: Reeducación vesical: Consiste en un reentrenamiento de la vejiga urinaria. Se elabora un calendario miccional donde los pacientes anotan la cantidad de líquidos ingerida, la frecuencia miccional y los episodios de incontinencia, con el objetivo de hacer una fotografía de los síntomas. Posteriormente, el profesional sanitario pauta las micciones antes de que el paciente sienta urgencia, siendo éstas progresivamente espaciadas. El objetivo es que el paciente recupere la normalidad en los intervalos de micción. Fármacos: Se trata de fármacos anticolinérgicos que relajan el músculo detrusor y disminuyen la presión intravesical. Así facilitan el almacenamiento de la orina reduciendo la frecuencia de las contracciones. CAPÍTULO 2. LA INCONTINENCIA URINARIA 24 Cirugía: Existen diversas técnicas que pueden ser útiles en el caso de falta de respuesta de los tratamientos anteriores. También se utiliza la electroestimulación como forma alternativa para el tratamiento de la incontinencia urinaria de urgencia provocado por vejiga hiperactiva, cuyo objetivo es inhibir las contracciones del detrusor. 2.8. Principios del biofeedback en la incontinencia urinaria de esfuerzo Gracias al uso de un dispositivo de biofeedback para el tratamiento de rehabilitación muscular del suelo pélvico, las pacientes pueden ver al momento cómo están haciendo los ejercicios, y cómo responde el dispositivo ante contracciones de su musculatura. Numerosos estudios demuestran que los ejercicios musculares del suelo pélvico son efectivos para las mujeres, pero no existe un único programa que haya sido adoptado como estándar. Incluso, con el paso del tiempo, algunos programas han sido desacreditados como causa de otros riesgos para la salud (por ejemplo los ejercicios que incluyen la interrupción del ujo de orina). Por ejemplo, el National Institute for Health and Clinical Excellence (NICE), recomienda 8 contracciones tres veces al día, aunque la duración de la contracción no está especicada (tan sólo comenta que deben durar entre 3 y 8 segundos). Según las referencias de los profesionales sanitarios que participan en este proyecto, cuando a una paciente se le diagnostica incontinencia urinaria por esfuerzo y se le pauta la rehabilitación del suelo pélvico, muchas de ellas no saben qué es el suelo pélvico y por tanto no saben qué musculatura deben ejercitar. Siguiendo el protocolo actual, en la consulta se le enseña a las mujeres dónde tienen y qué es el suelo pélvico, y gracias a un dispositivo de biofeedback pueden ver que esa musculatura responde a un determinado estímulo. Sin embargo, cuando las pacientes van a casa y han de hacer los ejercicios pautados por el médico, no están seguras de utilizar la musculatura adecuada, o por ejemplo si se están ayudando del abdomen (ejercicio perjudicial). Además, el médico no puede estar seguro de que la paciente haya hecho los ejercicios las veces que se le han pautado. El tratamiento de biofeedback deberá adquirir las señales necesarias procedentes directamente de la actividad muscular. En este proyecto se registrarán las señales de electromiograma del suelo pélvico y de la musculatura abdominal. Posteriormente serán adquiridas y procesadas, de forma que la paciente pueda ver con precisión y con bajo retardo su actividad muscular. Antes de comenzar el desarrollo del biofeedback , se realizó un estudio de mercado de dispositivos orientados al tratamiento de la incontinencia mediante la rehabilitación del suelo pélvico. Se han analizado 8 características (como el número de canales EMG, el tipo de biofeedback ...) de un total de 15 dispositivos (el estudio de mercado está disponible en el Apéndice A). Las principales conclusiones del estudio son las siguientes: CAPÍTULO 3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 31 3.1.1. Etapa de adquisición El diseño y vericación de esta etapa, es de vital importancia para que, posteriormente, los datos que se manejen sean correctos. La etapa de adquisición consta de dos canales de EMG, uno para el suelo pélvico adquirido mediante una sonda vaginal, y un segundo canal para monitorizar la fuerza abdominal. Debido a que esta señal es demasiado pequeña, es necesario amplicarla primero con una ganancia ja (escogida de 100) y después con una segunda ganancia programable desde el puerto serie (factor de 1 a 50), con el objetivo de ajustar la señal al margen dinámico del conversor A/D. Una vez las muestras están digitalizadas, un microcontrolador las envía por puerto serie o por Bluetooth. 3.1.2. Etapa dispositivo biofeedback Como se ha comentado, es la etapa que se diseña en este proyecto nal de carrera. Para hacerlo, se programa una pequeña pantalla táctil portátil (que incorpora un microprocesador programable) sobre la que se ha desarrollado una interfaz gráca simple y fácil de usar que debe permitir a las usuarias el acceso a las funciones del dispositivo. Cuando una usuaria inicie una tanda de ejercicios, el dispositivo leerá los archivos donde se encuentra la plantilla a seguir, los datos de calibración... Una vez se calibre la ganancia programable, la paciente verá que en la pantalla se dibuja una plantilla que deberá intentar seguir con su musculatura. Al pulsar el botón Start empezará el proceso de recepción continuo de datos por el puerto serie, y a su vez, el microprocesador deberá procesar los datos de ambos canales y mostrarlos en la pantalla en el menor tiempo posible. Además, se ha desarrollado una interfaz gráca lo más simple posible que permite a los usuarios una serie de funcionalidades, como ver los ejercicios pautados, conectarse con el ordenador, opciones de idioma... En la gura 3.1 podemos ver un esquema general de las tres etapas de diseño, así como la interacción con el dispositivo de biofeedback. Figura 3.1: Esquema de las etapas de diseño del biofeedback CAPÍTULO 3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 32 3.1.3. Etapa de software para el PC Una vez la etapa de adquisición y el dispositivo de biofeedback estén totalmente validados y se inicie su producción, deberían integrarse en un mismo dispositivo. De esta forma, la paciente se llevaría a casa un único equipo que es capaz de funcionar de forma autónoma. No obstante, la intervención del médico es fundamental, y la aplicación del PC debería permitirle interaccionar con el dispositivo de biofeedback para: Pautar el tratamiento (los ejercicios necesarios, repeticiones, frecuencia...). Comprobar si la paciente ha hecho los ejercicios. Visualizar cómo se han hecho los ejercicios. Calibrar de forma supervisada la ganancia programable en la etapa de adquisición. Aunque esta etapa está todavía en fase de desarrollo, en el dispositivo de biofeedback de este proyecto nal de carrera se ha denido un protocolo de comunicación que permite entre otras, las acciones mencionadas anteriormente. 3.2. Hardware Para implementar el dispositivo de biofeedback se ha adquirido una plataforma de desarrollo que cuenta con un pantalla táctil, conocida comercialmente como BlueScreen (gura 3.2) y está fabricada por el integrador taiwanés ThaiEasyElec. Los motivos de esta elección son diversos, pero su pantalla táctil la hacen ideal para implementar un feedback visual (con posibilidad de hacerlo auditivo), además de contar con módulo de almacenamiento SD y de las dos interfaces de puerto serie necesarias (cumple con los requerimientos técnicos). Otro aspecto relevante es su bajo precio de comercialización, ya que tiene un precio de venta al público de 116 $. A continuación se muestran las características técnicas de BlueScreen : Pantalla táctil resistiva TFT LCD de 240x320 píxeles Microprocesador NXP ARM7 LPC2378 Oscilador a 20 MHz Módulo para tarjeta SD conectado por interfaz SPI (No soporta tarjetas SD superiores a 2 GB) Memoria EEPROM externa de 8 kB Dispone dos puertos para la UART y 16 puertos GPIO CAPÍTULO 3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 33 Figura 3.2: Plataforma de desarrollo utilizada como biofeedback Programación y debug por JTAG En cuanto al microprocesador utilizado, esta pantalla táctil utiliza un microcontrolador de la familia ARM7, concretamente el procesador NXP LPC2378. Los procesadores ARM son de tipo RISC (tienen un juego de instrucciones reducido) y se basan en buscar la eciencia con una arquitectura de diseño sencilla y relativamente pocos componentes en el dispositivo. Habitualmente estos procesadores tienen menos transistores dedicados a la lógica principal, hecho que permite dar a los diseñadores más exibilidad y dedicarlos a dotar el microcontrolador de más funcionalidades. Además tienen un consumo de energía notablemente menor que los de tipo CISC ( Complex Instruction Set Computing ). El microcontrolador LPC2378 funciona con arquitectura ARM7TDMI-S y es capaz de trabajar hasta 72 MHz, aunque en nuestro caso funcionará a 20 MHz. El tamaño del programa estará limitado por las regiones de memoria disponibles, un total de 512 kB de memoria ash (tipo ROM, solo de lectura) y 56 kB de memoria RAM (área de lectura y escritura). Este procesador también dispone de controlador MAC para Ethernet 10/100, cuatro UARTs, dos canales CAN, interfaz SPI, etc. Capítulo 4 Diseño del dispositivo Este capítulo está orientado a explicar paso a paso la programación del software del biofeedback. Inicialmente se explicarán los requerimientos, tanto médicos como de las pacientes, que condicionarán y especicarán el software, y a continuación se presentará y justicará con mayor profundidad el diseño del software del microcontrolador. 4.1. Requerimientos del biofeedback Antes de diseñar la pantalla táctil, hemos seguido las indicaciones y opiniones de profesionales sanitarios (enfermeras y médicos) acostumbrados a trabajar día a día con instrumentos que ayudan a entrenar el suelo pélvico. También se ha tenido en cuenta la repercusión de la etapa de adquisición en el diseño del dispositivo, así como la opinión de las pacientes que participaron en las pruebas anteriores del dispositivo de amplicación. En resumen, debemos tener en cuenta a las pacientes a quienes que va dirigido este dispositivo: mujeres de edad media o avanzada, que pueden tener problemas de familiarización con la aplicación. En los siguientes apartados se muestran los requerimientos de diseño más importantes. 4.1.1. Requerimientos del personal sanitario Sencillo y fácil de usar: Tanto la interfaz como el biofeedback deben ser sencillos de entender por los pacientes. Los menús deben tener pocas opciones de conguración y poca profundidad. Además, la realización de los ejercicios debe ser muy guiada. Monitorización de señal abdominal y vaginal: Para poder realizar el biofeedback correctamente y sin presionar la cavidad abdominal, es necesario registrar las dos señales de forma que la paciente pueda aprender cuando hace los ejercicios correctamente. 34 CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 35 Facilidad de conexión con el PC: La descarga de los ejercicios realizados por los pacientes o el envío de ejercicios debe ser muy sencillo. Congurable: El doctor debe poder congurar los ejercicios a cada paciente de forma personalizada: nivel, tiempo duración y frecuencia de la actividad... El médico debe poder vericar exactamente qué días la paciente ha hecho los ejercicios y cuántas veces los ha hecho. 4.1.2. Requerimientos de diseño Portabilidad: La paciente debe poder utilizar el biofeedback tanto en el Hospital como en su casa. Esto implica que la unidad sea ligera y de reducidas dimensiones. Autonomía: La unidad de biofeedback debe poder utilizarse sin necesidad de estar conectada a la toma de corriente, además de tener la mejor autonomía posible. Análisis posterior: El biofeedback debe guardar los datos con sus estadísticas de al menos un mes, para que posteriormente el médico pueda analizar la actividad del paciente en casa. Sencillo y fácil de usar: Tanto la interfaz como el biofeedback deben ser sencillos de entender por los pacientes. Los menús deben tener pocas opciones de conguración. Los pacientes a los que va dirigido pueden tener poca familiarización con los componentes electrónicos. Claridad: La interfaz gráca debe ser descriptiva y por ejemplo permitir modos de alto contraste para pacientes con problemas visuales. Fiabilidad: La medida debe ser lo más able posible, intentando evitar interferencias (especialmente de la corriente eléctrica), ruido y asegurando compatibilidad electromagnética. La paciente debe aprender: El objetivo del biofeedback es que la paciente realmente aprenda a hacer correctamente el tratamiento. Comercial-Universal: Debería contemplar la posibilidad de incluir varios idiomas, al menos castellano e inglés. Usuarios: Un mismo aparato podría ser utilizado por diferentes personas, con lo que debería permitir la gestión de distintos usuarios. 4.2. Entorno de desarrollo La aplicación creada en este proyecto de biofeedback para el entrenamiento de los músculos del suelo pélvico sobre la plataforma de desarrollo que incluye una pantalla táctil se ha hecho mediante el lenguaje de programación C. El entorno de programación utilizado ha sido Keil Uvision4; al ser un producto desarrollado por CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 36 ARM, contiene por defecto archivos de la familia de microprocesadores, librerías y el algoritmo de grabación del código. Otra ventaja de utilizar el entorno de Keil, es la facilidad de uso del debugger , aunque para ello ha sido necesario adquirir un JTAG compatible con el programa Keil (se ha utilizado el ULINK2 Debug Adapter ). Este adaptador permite conectar al PC el hardware por una interfaz USB-JTAG, y permite programar la memoria Flash y hacer un debug on-chip del software desarrollado. Al crear un nuevo proyecto de software para el LPC2378 con Keil, debemos especicar el hardware tal y como se puede ver en la gura 4.1. La frecuencia a la que funcionará el microcontrolador será de 20 MHz, ya que el kit BlueScreen lleva integrado un oscilador de esta frecuencia. Este parámetro es muy importante ponerlo correctamente, ya que si grabamos el código vía JTAG con este parámetro incorrecto la placa podría no ser programable nunca más. Figura 4.1: Conguración del LPC2378 en el entorno de Keil En cuanto a las regiones de memoria, se han denido los 512 kB de la memoria Flash y dos regiones de 32 kB y 16 kB de memoria RAM. Esta última región está destinada a usarse por defecto como interfaz Ethernet, pero puede ser utilizada también como memoria RAM de propósito general. El código puede ser generado en modo ARM o Thumb. La diferencia entre estos dos modos es el conjunto de instrucciones que utilizan. En el modo ARM las instrucciones son de 32 bits, en cambio, el modo Thumb está formado por un subconjunto de instrucciones del ARM en el que se trabaja con instrucciones de 16 bits con las que se pueden lograr velocidades de acceso mayores a memorias de 16 bits, así como disminuir la cantidad y densidad de código escrito. Este modo presenta algunas limitaciones, por ejemplo, no se puede utilizar para el tratamiento de excepciones. Este proyecto se ha realizado en el modo ARM , ya que el modo CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 37 Thumb da menos exibilidad al programador y de momento no hay problemas de espacio en la memoria que justiquen su uso. Los microcontroladores tienen un bootloader guardado en la ROM, un programa especíco de arranque ejecutado sobre el procesador que permite inicializar el arranque del sistema operativo u otro software de control, y cederles el control del sistema. En los sistemas embedded de menor complejidad, como es el caso del biofeedback , el bootloader se encuentra acompañado o substituido por el rmware , una capa destinada a evitar el uso del sistema operativo. [16]. En la gura 4.2 vemos la arquitectura de diseño en función de la complejidad del dispositivo a programar. Aplicación Aplicación S.O. S.O. Aplicación/ Firmware Firmware Firmware Hardware Hardware Hardware Sistema PC Embedded complejo Embedded sencillo Figura 4.2: Arquitectura de capas de diseño software según la complejidad del dispositivo El bootloader del LPC2378 controla las operaciones iniciales después de un reset y proporciona los medios para llevar a cabo la programación de la memoria Flash [17]. En el caso de la aplicación desarrollada en este proyecto no se utilizará ningún sistema operativo, ya que el código se grabará en la memoria Flash del microcontrolador y se ejecutará instrucción a instrucción desde el main() . 4.2.1. Archivos básicos Cuando creamos un nuevo proyecto de diseño de software embedded , hay una serie de archivos fundamentales proporcionados por los fabricantes que son imprescindibles para el funcionamiento del mismo. Son archivos complejos programados a muy bajo nivel (ensamblador o c), que aunque no suele ser necesario modicarlos es importante conocer qué contiene cada uno de ellos. Los principales archivos utilizados en este proyecto son los siguientes: LPC23XX.h : Archivo de cabecera en el que se dene el hardware que contiene esta familia de microprocesadores (interrupciones, periféricos...) junto con sus correspondientes direcciones de memoria. LPC2300.s : Se trata de un conjunto de instrucciones en ensamblador para la familia de procesadores LPC2300 para un determinado compilador que se ejecutan después del reset y del bootloader . Este código, que se inicializa antes de ejecutar el programa principal, prepara el hardware para la ejecución de software escrito y compilado por lenguaje de alto nivel. En el caso de la arquitectura ARM7, el algoritmo del código es el siguiente 1 : 1 http://www.keil.com/support/man/docs/gsac/gsac_strtupcodearm7.htm CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 38 1. Dene los vectores de interrupción y de excepción. 2. Congura el reloj principal. 3. Inicializa el controlador del bus externo. 4. Copia los vectores de excepción de la ROM a la RAM. 5. Inicializa otros periféricos de bajo nivel si es necesario. 6. Reserva e inicializa las zonas de memoria dinámica ( stack y heap ) 7. Pasa el control a la función main . hw_blue_screen.h : Archivo propio de la plataforma de desarrollo, en el que se dene a qué pin del microprocesador están conectados cada uno de los periféricos. De esta forma añadir nuevos periféricos es sencillo, ya que tan sólo necesitamos saber el número de pin al que se conecta y asociar sus direcciones a las denidas en el archivo LPC23XX.h. 4.2.2. Interacción con la pantalla táctil Antes de empezar a programar el código del biofeedback es importante conocer las funciones relacionadas con la pantalla táctil. Esta interacción será denida en dos ámbitos principales: cómo pintar píxeles en la pantalla táctil y cómo detectar que la pantalla ha sido pulsada. Además, se explicará el uso de unas librerías grácas que nos facilitarán la relación entre estas dos características. Detección de pantalla pulsada La pantalla táctil está conectada directamente al procesador LPC2378. No obstante, cuatro de sus salidas van a un controlador de la pantalla táctil conectado entre la pantalla y el microprocesador. Cuando pulsamos la pantalla táctil, se produce una variación en dos resistencias del eje X y otras dos resistencias del eje Y (por ese motivo se llaman pantallas táctiles resistivas). El controlador de la pantalla (modelo AD7843) detecta la posición pulsada mediante una medida en el dominio analógico, la codica al dominio digital mediante 12 bits y nalmente la envía al microprocesador (gura 4.3). Es importante destacar que el controlador de la pantalla táctil sólo nos proporciona la medida digitalizada, con lo que será necesario calibrar la pantalla para disponer de una tabla de conversión que nos traduzca la medida. El fabricante de la plataforma de desarrollo nos proporciona el chero controlador tc_ad7843_v1_00.c con el que obtener las medidas y las funciones necesarias para calibrar y traducir la medida. La calibración de la pantalla debe hacerse la primera vez que la ejecutemos. Los datos de la calibración se guardan en los últimos 128 bytes de la EEPROM. CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 39 Figura 4.3: Conectividad entre la pantalla táctil, el controlador de la pantalla y el microprocesador En el código del biofeedback se ha programado la rutina de interrupción del Timer (que se ejecuta cada milisegundo). Cada 10 ms el programa llama a la función AppScanPen() , encargada de comprobar si en ese instante se ha pulsado alguna parte de la pantalla, que puede estar en uno de los siguientes estados según el tipo de dato denido: typedef enum{ PST_NOTFOUND, //No se ha pulsado la pantalla PST_DOWN, //Se ha pulsado la pantalla PST_HOLD, //Se mantiene pulsada la pantalla PST_UP, //Se deja de pulsar la pantalla }pstatus_t; En el caso de que se haya pulsado la pantalla, esta función también nos proporcionará información de dónde se ha pulsado (previa calibración de la pantalla). El proceso de calibración no es más que calcular unos parámetros de un sistema de ecuaciones lineal dadas unas medidas. Por ejemplo, el valor de la variable del eje X es x=(TCGetX()−ccx)·cm1x cm2x+TS _ SIZE _ X 2 , donde ccx, cm1x, cm2x son las variables que dependen de la calibración, TCGetX() es el valor leído por el controlador de la pantalla táctil y TS _ SIZE _ X es el tamaño de la pantalla táctil en píxeles (320 píxeles en el caso del eje X). Mostrar/Dibujar en la pantalla La pantalla LCD tiene denidos 320x280 píxeles. La plataforma de desarrollo incluye las funciones necesarias para el manejo de los píxeles de la pantalla. Por ejemplo se proporcionan las funciones necesarias para dibujar CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 40 imágenes guardadas en memoria, dibujar imágenes de la SD o para pintar píxeles, rectángulos, círculos o un string de caracteres. Como vemos en la gura 4.4, hay que tener en cuenta la numeración horizontal y vertical de los píxeles, ya que sólo podremos dibujar en el sentido creciente de ambos ejes. Por ejemplo, la siguiente instrucción nos dibuja un rectángulo negro (color 0x0000) que ocupa toda la pantalla: #define TS_SIZE_X 320 #define TS_SIZE_Y 240 #define TS_COL_BLACK 0x0000 TSLCDFillRect(0,TS_SIZE_X-1,0,TS_SIZE_Y-1,TS_COL_BLACK,TS_MODE_NORMAL); Los colores que pintamos en la pantalla táctil se representan con un tipo de dato short de 2 Bytes. Todos los colores se denen siguiendo la norma BGR y no el típico RGB: esto signica que los 5 bits de más peso se destinan al color azul, los 6 bits intermedios codican el color verde y los 5 bits de menos peso codican el color rojo, lo que nos hace capaces de representar 216 = 65,536 colores diferentes en cada píxel. Otro aspecto a tener en cuenta en el diseño es el uso de imágenes, ya que para mostrarlas por pantalla tenemos dos alternativas: Incluirlas en memoria: Esta opción consiste en denir un vector cuyo contenido sea el color de cada uno de los píxeles. Este vector se compilará con el código y se alojará en la memoria Flash del microprocesador. El acceso a esta memoria es muy rápido, provocando un retardo imperceptible por el usuario. Almacenarlas en la SD: En este caso la imagen se guarda como un archivo de texto, que de la misma forma que en el caso anterior, contiene el color de cada uno de los píxeles. Tarda más tiempo en mostrarse que una imagen almacenada en la memoria del microprocesador. La solución adoptada ha sido guardar las imágenes más habituales como los iconos del menú en la memoria Flash, y las imágenes más prescindibles como la imagen de inicio guardarla en la SD. Hay que tener en cuenta que si cada uno de los píxeles se codica con 2 bytes, una imagen que ocupe toda la pantalla ocupará (240 ·320 pix)·2Bytes = 153,600 Bytes , es decir más de una cuarta parte de toda la memoria Flash disponible. Es por ello que la cantidad de imágenes a alojar en memoria es muy limitada y se reservará a aquellas imágenes más habituales que formen parte del menú del sistema. CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 47 void MenuButton_do(so_pos_t lhpos,so_pos_t lvpos,so_pos_t ghpos,so_pos_t gvpos,pstatus_t p_stat){ switch (p_stat) { case PST_DOWN : so_obj[SO_BUTTON_HOLD].draw(); break; case PST_UP : ScrObjInit(MenuButtonInit); break; default : break; } } 4.3.1. Menú principal En el diseño del menú principal, se ha tenido en cuenta a las personas a que va destinado el biofeedback: principalmente mujeres de edad media o avanzada que pueden tener problemas de visión. Así se ha realizado un dispositivo sencillo e intuitivo en el que los menús tengan poca 'profundidad'. Cada vez que el usuario inicie la pantalla verá el menú de la gura 4.7. Por petición de los médicos, se han creado dos tipos de menú: uno más avanzado con 5 iconos y otro con sólo dos iconos 4 . Éste último está orientado a personas poco familiarizadas con dispositivos táctiles y donde los otros tres menús pueden causar confusión. Cuando el personal sanitario cree un usuario con la aplicación del PC indicará el modo de visualización, pero desde dentro de la aplicación no se puede cambiar del menú básico al menú avanzado (para evitar que usuarios cambien sin darse cuenta). Figura 4.7: Menú inicial del biofeedback : modo avanzado (izquierda) y modo básico (derecha) A continuación se describe la funcionalidad de cada uno de los submenús: Ejercicios: Este apartado es el núcleo del biofeedback y el de mayor complejidad. Permite que la paciente realice los ejercicios del suelo pélvico pautados por el médico en tiempo real. Incluye las etapas de calibración, dibujado de las plantillas, adquisición y procesado de datos y guardado de resultados. 4 Todos los iconos utilizados en el biofeedback son de la librería Crystal Clear (la cual forma parte de la Open Icon Library ), y están registrados bajo licencia GNU Lesser General Public License (LGPL) . Estos iconos han sido creados por Everaldo Coelho y están disponibles en http://commons.wikimedia.org/wiki/Crystal_Clear . CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 48 Programa: Menú en el que puede observarse el tratamiento que el médico ha prescrito al paciente sin necesidad de hacer los ejercicios. Conexión PC: Esta opción permite al usuario habilitar la conectividad entre el biofeedback y un ordenador. En el modo del usuario básico esta conexión está habilitada por defecto, pero no se puede ver cuando hay transferencia de información entre los dispositivos. Opciones: Este menú permite a los usuarios cambiar el idioma de los menús (castellano o inglés) y el modo de biofeedback (modo plantilla o barras) que se desea. Usuarios: Sección que permite la crear nuevos usuarios del biofeedback , seleccionar uno distinto o eliminar un usuario. Los elementos del menú se denen como screen objects , de hecho se han denido dos por cada uno de los iconos a representar (uno para el icono con fondo negro y otro para mostrar el fondo naranja cuando el usuario pulse encima, visible en la gura 4.8). La programación del menú es sencilla, pero resulta laboriosa al tener que denir las coordenadas y tamaños de todos los objetos denidos. Éstos tienen asociada la función .draw() que se encarga de dibujar la imagen almacenada en la memoria Flash . La función .do_() se encarga de dibujar el objeto con fondo naranja cuando el usuario pulsa encima e inicializa el menú que correspondiente una vez que se deja de pulsar la pantalla. Figura 4.8: Menú inicial básico con un botón pulsado 4.4. Estructura de carpetas La plataforma del biofeedback contiene una memoria SD para almacenar gran cantidad de datos como opciones de usuario, ejercicios o resultados. El hecho de utilizar una memoria SD en lugar de la memoria EEPROM, permite almacenar un volumen mucho mayor de datos (2 GB de la SD frente los 8 kB que tiene la EEPROM). Además nos permite disponer de un sistema de archivos (FAT32) que facilita estructurar la información en archivos y carpetas exibilizando su organización. El contenido de la memoria SD partiendo del directorio raíz es el siguiente: CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 49 /users/ /User1/ /templates/ /ej1.txt /ej2.txt /ej3.txt /recordings/ /ej1_01_01_2010_17h_06m_14s.txt /ej2_01_01_2010_17h_12m_33s.txt /ej3_01_01_2010_17h_20m_07s.txt /calibration.txt /config.txt /User2/ /images/ user.txt Users : En esta carpeta se guarda la información de cada uno de los usuarios, como por ejemplo la conguración o el resultado de sus ejercicios. Dentro de ella, hay una carpeta para cada uno de los usuarios que tiene el biofeedback, en la que el nombre del usuario coincide con el nombre de la carpeta.  Recordings : Carpeta que contiene el resultado de todos los ejercicios realizados por el usuario, de forma que el personal sanitario pueda hacer el seguimiento y ayude al paciente a mejorar.  Templates : Contiene los ejercicios, el tratamiento que el médico manda al paciente. Pueden introducirse hasta tres ejercicios distintos, denidos en los archivos ( ej1.txt , ej2.txt y ej3.txt ).  Calibrate.txt : Este archivo contiene los valores necesarios para calibrar la ganancia programable de la etapa de adquisición. Esta ganancia adapta los niveles de la señal de EMG para no saturar el convertidor A/D y tener suciente amplitud para estimar y procesar la señal.  Config.txt : Se trata del archivo de conguración donde se guarda la conguración para cada usuario (idioma, modo de biofeedback ...) Images : Esta carpeta contiene almacenadas en formato binario algunas de las imágenes que se utilizan en el dispositivo. Las imágenes también se pueden guardar en la memoria ROM interna del microprocesador, pero este espacio es muy limitado con lo que se aconseja guardar las imágenes menos habituales o más grandes en la memoria SD. user.txt : Es un archivo muy pequeño, que sólo guarda el nombre del usuario actual del biofeedback . Cada vez que lo encendamos, se leerá este archivo para que el usuario acceda a sus ejercicios y se cargue su conguración. CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 50 Los archivos de conguración son una parte fundamental para el funcionamiento. Cada archivo tiene una denición determinada con unos parámetros congurables, que mediante unas funciones desarrolladas pueden ser leídos y editados (un archivo con una etiqueta mal denida puede suponer que el dispositivo no funcione). Evidentemente, el programa no está pensado para que un médico cree los archivos de conguración y los guarde en la memoria SD. Éste debe ser un proceso automático enviando los archivos por el puerto serie, y creando los archivos mediante una interfaz gráca sencilla. A lo largo del documento se presenta la estructura de los archivos anteriores con el objetivo de introducirlos en el contexto adecuado: ejX.txt y resultados: Sección 4.5.4. Calibration.txt : Sección 4.5.1. Config.txt : Sección 4.8. 4.5. Menú 1: Ejercicios Este menú es el núcleo del funcionamiento del biofeedback . En él se procede a mostrar al paciente el ejercicio que debe realizar, para continuar con la adquisición, procesado y estimación de las señales de los dos canales de EMG en tiempo real. Finalmente se le mostrará al paciente cómo está haciendo el ejercicio respecto a cómo debería hacerlo. 4.5.1. Calibración Para poder hacer los ejercicios del suelo pélvico es necesario calibrar previamente el dispositivo, es decir, adecuar la señal de la etapa de adquisición para que podamos procesarla y mostrarla correctamente. No obstante, el biofeedback no calibrará directamente el dispositivo, sino que leerá los datos del archivo de calibración y los aplicará, enviando la conguración de la ganancia por el puerto serie. En la gura 4.9 podemos observar un esquema de la etapa de adquisición conectada al biofeedback , en la que tanto el canal abdominal como el canal vaginal tienen una ganancia programable. Esta ganancia es un multiplicador de la señal x1, x2, x5, x10, x20 y x50, por ejemplo, en el caso de las pacientes que tengan un valor de electromiograma bajo deberán utilizar valores altos de amplicación. CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 51 Figura 4.9: Conectividad de la etapa de adquisición con el biofeedback La señal de electromiograma amplicada para cada uno de los canales se encuentra en el dominio analógico entre los 0-5 V y centrada en 2,5 V. Al disponer de un conversor A/D de 12 bits, cuando tengamos ausencia de señal recibiremos la muestra 2048 (la mitad del CAD), y en una contracción podremos recibir valores de hasta 4095 y 0 (la señal es simétrica). En medidas reales con la etapa de adquisición, la señal de electromiograma de la paciente durante una contracción puede tener una amplitud normalizada de unas 300 cuentas (substrayendo la media), con lo que también será necesario que en el proceso de calibración se establezca la amplitud máxima del canal para ajustar los ejes en la representación de la medida. Si representáramos siempre entre la cuenta 0 y la cuenta 2047 (substrayendo la media), posiblemente la paciente no podría apreciar prácticamente en la pantalla una contracción suya con un valor ecaz de unas 300 cuentas. Por ese motivo, se procede a adaptar el margen dinámico de ambos canales en la representación gráca. Siguiendo las indicaciones de los profesionales sanitarios que participan en este proyecto, cuando la paciente acuda a la consulta, el médico calibrará con la ayuda del PC el biofeedback . Es decir, determinará para cada uno de los canales cuál es la ganancia programable adecuada teniendo en cuenta las contracciones que es capaz de realizar la paciente. Además, se determinará a cuántas cuentas del CAD corresponde la amplitud de una contracción y la señal en reposo para poder eliminar un posible oset . Este proceso deberá hacerse de forma automática, y por ese motivo en la etapa de conexión con el PC (sección 4.7), se ha implementado un modo de conexión en el que el biofeedback envía todas las muestras recibidas por la etapa de adquisición al PC y viceversa. De esta forma, en este modo de conexión se hace un bypass entre la etapa de adquisición y el PC para que éste último procese las muestras utilizando el mismo algoritmo que se ha implementado en el biofeedback . Una vez calibrado, el PC enviará por el puerto serie al dispositivo un archivo con todos los datos de la calibración generado automáticamente, y que seguirá el siguiente patrón: CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 52 calibration.txt //La primera línea se omite, puede escribirse cualquier cosa <GAIN_CH1> 2 <GAIN_CH2> 10 <MIN_VALUE_CH1> 0 <MAX_VALUE_CH1> 1000 <MIN_VALUE_CH2> 500 <MAX_VALUE_CH2> 1000 Cuando la paciente pulse en el menú la tecla ejercicios, el programa abrirá y leerá el archivo calibration.txt de un usuario concreto que contiene los datos de calibración. A continuación, el biofeedback enviará por el puerto serie SERIAL_EMG (por el que recibimos las señales EMG) un byte para cada canal indicando el valor de la ganancia programable. El byte a enviar tendrá la siguiente forma: Byte de calibración Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Canal V(0) A(1) Test electrodos Ganancia Indeterminado 0/1 1 0/1 0/1 0/1 X X X Como vemos en la tabla anterior, el bit 7 codica si la calibración afecta al canal vaginal (0) o al abdominal (1). El bit 6 afecta al test de electrodos de la etapa de adquisición que se jará a 1. Los tres siguientes bits del byte codican la ganancia programable, donde una ganancia de x1 se codica con 000, una ganancia de x2 se codica con 001 y así sucesivamente hasta codicar una ganancia de x50 con 101. Los tres últimos bits no tienen ningún uso denido hasta el momento. 4.5.2. Adquisición La etapa de adquisición nos envía continuamente las muestras de los dos canales por el puerto serie. Éstas son adquiridas con una frecuencia de muestreo de 1 kHz, por lo que según el teorema de Nyquist, con esta frecuencia de muestreo tendremos información hasta los 500 Hz, suciente para el procesado de señales EMG. Cada milisegundo la etapa de adquisición nos envía una trama con los datos de los dos canales de EMG con una longitud de 6 bytes. Los dos primeros bytes recibidos valen '1 ' ( 0xFFFF ), y están jados a un valor conocido para sincronizar correctamente la trama y detectar cuándo empezamos a recibir el primer canal. En los dos siguientes bytes recibimos el valor muestreado multiplicado por dos del canal del suelo pélvico, y en los dos últimos el valor muestreado multiplicado por dos del canal abdominal. En el siguiente cuadro puede verse la estructura de la trama: Trama de adquisición (cada 1 ms) 2 Bytes de sincronismo 2 Bytes CH1 2 Bytes CH2 0xFF 0xFF CAD_CH1 x 2 CAD_CH2 x 2 CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 53 4.5.3. Procesado El objetivo de la etapa de procesado de señal en el entorno del biofeedback consiste en obtener la mejor estimación de la actividad muscular a partir de las muestras recibidas en la adquisición. En el entorno de esta aplicación médica resulta imprescindible que la usuaria no perciba un retardo desde que ejerce una actividad muscular hasta que la pantalla dibuja el valor de la amplitud. Además, es deseable que la señal presente el mínimo rizado y la estimación sea buena (en términos de reducción de varianza). El procesado de las señales aleatorias (como es el caso de la señal de electromiograma) debe tratarse mediante el uso de técnicas estadísticas. Para ello, es necesario tener en cuenta periodos largos de análisis donde podremos estimar el valor RMS de la señal de EMG. Si deseamos obtener valores medios muy aproximados, es necesario utilizar grandes periodos de análisis, aunque por contra el sistema tendrá mayor retardo. En esta aplicación trabajaremos con ventanas de análisis de 80 ms, es decir, haremos estimaciones a partir de bloques de 80 muestras. Este valor se ha obtenido tanto experimentalmente como analíticamente, tal y como podrá comprobarse a continuación. Una vez recibido el bloque de 80 ms (ver gura 4.18), se hará una operación de ltrado paso bajo y paso alto con ltros digitales IIR, se estimará el valor RMS de la señal, y nalmente se aplicará un ltro FIR paso bajo de media móvil con el objetivo de alisar la señal y obtener un valor nal más estable. Figura 4.10: Esquema de procesado de la señal EMG Filtrado IIR Una vez se ha adquirido un bloque entero de muestras procedemos a hacer un ltrado IIR con el objetivo de eliminar parte del ruido que está fuera de la banda frecuencial de la señal de EMG. Aunque el canal de CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 54 información de la señal EMG va desde los 20 Hz hasta los 500 Hz, la mayor concentración de energía se da entre los 50 Hz y los 150 Hz [19]. En la implementación del biofeedback se han diseñado dos ltros Butterworth que funcionan en cascada como un ltro paso banda de 17 a 250 Hz (un ltro paso bajo con la banda de paso a 250 Hz y otro paso alto con la frecuencia de corte a 17 Hz). La implementación de este ltro permite eliminar ruido eléctrico que puede afectar considerablemente a las señales electromiográcas, como por ejemplo interferencias o ruido inherente a equipos electrónicos que se distribuye a lo largo del espectro frecuencial. Concretamente, el ltro paso alto permite eliminar una de las principales fuentes de ruido a baja frecuencia, los motion-artifacts . Este ruido de baja frecuencia (entre 0-10 Hz) está provocado por el movimiento entre la interfaz electrodo-piel: tanto en el electrodo como en la piel existe una distribución de cargas, y por lo tanto un potencial de equilibrio que variará si se produce movimiento entre ambos. El ltro paso bajo tiene la función de reducir componentes de ruido de alta frecuencia. Hay que tener en cuenta que una de las principales fuentes de ruido es la red eléctrica a 50 Hz, con lo que está justo en la banda de interés de la señal EMG. Aunque existe la posibilidad de utilizar un ltro notch (ltro muy estrecho de banda eliminada) no se aconseja su uso como norma general debido a la atenuación que introduce en las frecuencias cercanas [20]. En el ltrado digital de señales se puede optar entre ltros con respuesta impulsional nita (FIR) o respuesta impulsional innita (IIR). Como nuestro diseño parte de unas especicaciones concretas, la elección de utilizar ltros IIR suele resultar computacionalmente más barata 5 ya que tienen un orden mucho menor que el de un ltro FIR de características similares. La función de transferencia de un ltro IIR, depende de muestras de entradas actuales y pasadas, y de las salidas en instantes anteriores multiplicadas por unos coecientes. Con ayuda del programa MATLAB se han creado dos ltros de orden 3 con coecientes enteros para mejorar la velocidad de cálculo. Siguiendo una estructura directa tipo II, la función de transferencia del ltro de orden 3 utilizado se dene en la ecuación 4.2 con los siguientes coecientes: H(z) = b[0] + b[1] ·z−1+b[2] ·z−2 a[0] + a[1] ·z−1+a[2] ·z−2 (4.2) Filtro Paso bajo: b = [150, 300, 150] / a = [512, 0, 88] Filtro Paso alto: b = [468, -937, 468] / a = [512, -937, 429] Los ltros IIR diseñados son Butterworth con una respuesta maximalmente plana en la banda de paso que permite mantener inalterado el espectro de la señal en esa banda. En la gura 4.11 se muestra la respuesta frecuencial de ambos ltros. 5 Especialmente para especicaciones exigentes en cuanto a selectividad. CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 55 Figura 4.11: Respuesta frecuencial del ltro paso bajo (izquierda) y paso alto (derecha) Estimación de la amplitud EMG Una vez el bloque de muestras es ltrado digitalmente, procedemos a estimar el valor de la amplitud del bloque recibido. En la sección 2.9.2 se presentan distintos métodos para hacerlo: estimación RMS, estimación RMS con ltro blanqueador y estimación AVR. Para comprobar cuál es la más adecuada de implementar por software, se ha utilizado una señal real de una paciente que realiza una contracción sostenida adquirida por la etapa de adquisición a una frecuencia de 1 kHz. Posteriormente se han programado unas funciones para simular en MATLAB el algoritmo de estimación en tiempo real y comprobar su ecacia. La primera conclusión ha sido descartar la opción de estimar la señal RMS utilizando un ltro blanqueador. Esta opción nos crea un nuevo problema de estimación, ya que necesitamos estimar la matriz de correlación y calcular su inversa para poder obtener el valor RMS de la señal. Estimar la matriz de correlación de un vector de N muestras produce problemas de varianza, con lo que es necesario dividir la realización del proceso en segmentos solapados y promediar los estimadores [18]. El problema es que nuestra aplicación en tiempo real exige ventanas de análisis pequeñas (entre 50 y 100 muestras por venta) que no son sucientes para la estimación correcta de la matriz de correlación. Además, el cálculo de la matriz inversa tiene un coste computacional demasiado elevado que puede perjudicar la velocidad de la ejecución. CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 56 Figura 4.12: Comparación de la estimación RMS (izquierda) y AVR (derecha) con ventanas de 80 ms. También se muestra la señal de EMG adquirida a estimar (arriba) En la gura 4.12 se muestra la comparación en la estimación del valor AVR y el valor RMS junto con la señal original empleada. Tanto la estimación del valor AVR como RMS se han realizado estimando el valor de una ventana de 80 ms (80 muestras al utilizar 1 kHz como frecuencia de muestreo). Dados los resultados obtenidos se ha decidido utilizar el valor RMS debido a que la estimación de la amplitud RMS tiene menos varianza 6 , es decir las muestras están menos dispersas que en la estimación AVR. Además, el valor RMS está directamente relacionado con la potencia de la señal de EMG. Una vez decidimos estimar el valor RMS de la señal, debemos seleccionar el tamaño de la ventana utilizado en la estimación. Un tamaño de ventana pequeño tendrá una respuesta rápida del sistema, ya que el biofeedback dibujará en la pantalla el valor estimado en intervalos cortos de tiempo. En contra, al tratarse de una señal aleatoria, si queremos reducir la varianza en la estimación y que la señal sea lo menos 'nerviosa' posible debemos tomar decisiones con tamaños de ventana elevados. Una buena estimación requiere un número elevado de muestras para poder considerar que el proceso sea estacionario y mantenga sus propiedades constantes con el tiempo, sin embargo, esto puede provocar una respuesta demasiado lenta del sistema y 6 La varianza es uno de los criterios para valorar la calidad de un estimador. CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 63 Figura 4.17: Máquina de estados que controla la realización de ejercicios Cuando el usuario del biofeedback pulsa la tecla para entrar en el menú, se ejecuta la función Menu1Init() . Esta función hace todo lo explicado en el apartado anterior (lee el archivo, asigna valores RMS y dibuja la plantilla). Además, activa un ag de forma que mientras estamos en el Menú 1, cada vez que se llame a la función AppRun() 9 se ejecutará la máquina de estados de la gura 4.17. Inicialmente la máquina se ejecuta en el estado OFF (es el estado denido como default ), que se encarga de inicializar todas las variables que intervienen en los ejercicios y lleva la cuenta de los ejercicios que ya se han hecho: suponiendo que un paciente hace el ejercicio 1 y cuando va a empezar el segundo sale al menú principal, si este paciente volviera a empezar los ejercicios seguiría por el ejercicio 2 y no repetiría el 1. Automáticamente, la máquina de estados pasa al estado STOP, en el que permanece sin escuchar tramas hasta que se pulsa el botón START que mueve la máquina de estados al estado START. En este estado empieza la lectura de tramas y el procesado. Como se aprecia en la gura, los ejercicios que la paciente hace en el biofeedback pueden verse interrumpidos o reanudados pulsando dos botones que mueven la variable de estado entre los estados START y STOP . Además, es posible salir al menú principal pulsando el aspa en ambos estados. Principalmente, cuando la máquina está en el estado START se ejecuta una función que hace el procesado de un bloque. Es importante remarcar que cada vez que el proceso principal pasa por este estado, se procesa un sólo bloque de 80 muestras y se actualiza la pantalla dibujando el nuevo valor medido. La implementación de este estado es mucho más compleja, ya que controla las repeticiones de cada ejercicio, las pantallas que ocupan cada ejercicio y el guardado de los ejercicios. Cuando se acaba el ejercicio, la máquina se mueve al estado FIN en el que lo marca como acabado. Finalmente, la máquina se mueve al estado OFF para reinicializar 9 Esta función forma parte del bucle innito denido dentro del main() . En caso de duda consultar el diagrama de ujo de la gura 4.6 CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 64 las variables y se vuelve a ejecutar la función que carga y dibuja el siguiente ejercicio. En el caso de que se hayan hecho todos los ejercicios el programa sale al menú principal Menu1Init() . Procesado en tiempo real La implementación del biofeedback requiere de técnicas de procesado en tiempo real. La estructura elegida para esta aplicación (gura 4.18) consiste en utilizar dos buers para cada uno de los canales de EMG, lo que nos permite hacer en paralelo la lectura de muestras con el procesado del bloque anterior. Las funciones que controlan el procesado son llamadas siempre que la máquina de estados explicada en el apartado anterior esté en estado START . Figura 4.18: Esquema de procesado en bloque Siguiendo el código mostrado a continuación, inicialmente en la función wait_buffer_block() se adquiere y guardan de forma ordenada las muestras con el valor de los canales de EMG recibidas cada milisegundo. Esta función trabaja simultáneamente con dos bloques, de forma que mientras recibe la muestra i de un bloque, procesa la muestra i recibida en el bloque anterior. Supongamos que en el buer io_block tenemos las 80 muestras anteriores ltradas por el ltro IIR. Mientras recibimos un nuevo bloque de muestras que guardamos en io_buffer , tenemos un milisegundo entre cada una de las tramas recibidas. Estos ciclos de reloj los podemos aprovechar para ir procesando las muestras del bloque io_block y acumulando el valor RMS de cada uno de los canales. Si recordamos la expresión del cálculo del valor RMS yRMS =v u u u u u t 1 N N−1 P i=0 x(i)2 , cuando nalice el proceso de recepción de un bloque ya tendremos acumuladas todas las muestras al cuadrado (substrayendo el valor medio de 2048), con lo que sólo tendremos que dividir entre el número de muestras y hacer la raíz cuadrada. Una vez estimado el valor RMS de ese bloque, aplicaremos un ltro de media móvil con la función calculo_MA() (consiste en un pequeño buer de 8 muestras sobre el que se calcula la media) y representaremos el valor en la pantalla. CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 65 Para continuar con el esquema de procesado será necesario hacer un intercambio de punteros entre los bloques (función cambia_punteros() ): el buer recibido en io_buffer pasará a guardarse en io_block de forma que en el siguiente proceso de adquisición procesemos los nuevos datos. En cambio el contenido procesado almacenado anteriormente en io_block pasará a io_buffer pero será sobrescrito en la adquisición. Finalmente, antes de empezar a recibir el nuevo bloque de muestras es necesario aplicar los ltros IIR al bloque que contiene los nuevos datos (ahora io_block ) implementado con la función processIIR() . if(wait_buffer_block()==0){ //Esperamos a recibir el bloque de N if(window_rx>=MA){ pixel_time_delay=calculate_time(); valor_ch1=calculo_MA(0); valor_ch2=calculo_MA(1); if(pixel_time_delay>0){ dibuja_emg(); pixel=pixel+pixel_time_delay; current_index=current_index+pixel_time_delay; } } cambia_punteros(); processIIR(io_block_ch1,&hIIR_low,L_IIR,N); //Procesado canal 1 filtro paso bajo processIIR(io_block_ch1,&hIIR_high,L_IIR,N); //Procesado canal 1 filtro paso alto processIIR(io_block_ch2,&hIIR_low,L_IIR,N); //Procesado canal 2 filtro paso bajo processIIR(io_block_ch2,&hIIR_high,L_IIR,N); //Procesado canal 2 filtro paso alto window_rx++; } Tal y como se ha presentado hasta ahora el biofeedback no hay un control de la duración de los ejercicios, con lo que si estimamos un valor RMS aproximadamente 10 cada 80 ms y tenemos 296 o 592 que píxeles dibujar, los ejercicios siempre durarán unos 24 y 48 segundos respectivamente (en función de si el ejercicio se dene en una pantalla o en dos). Si nos jamos en el código del procesado y representación de la señal EMG, hay una función llamada calculate_time() que devuelve un valor llamado pixel_time_delay . Si este valor es menor que 1, los canales de EMG no se dibujan aunque el proceso de ltrado IIR, procesado y ltrado MA se sigue realizando. Esta función calcula, ayudada por la interrupción del timer , cuál es el tiempo en recibir, ltrar y procesar un bloque entero 11 . Con este dato y el tiempo que el médico introduce para hacer un ejercicio, podemos controlar cada cuántas muestras se deberá pintar en pantalla o si es necesario pintar más de un píxel del eje de tiempo. En la gura 4.19 se puede ver el ejemplo de un ejercicio en la pantalla táctil, donde se dibuja el esfuerzo estimado del suelo pélvico encima de la plantilla. 10 Sin tener en cuenta el tiempo de procesado. 11 Experimentalmente, se ha obtenido que el tiempo para recibir y procesar completamente un bloque es de entre 100-102 ms. CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 66 Figura 4.19: Imagen de un ejercicio en modo plantilla En la gura 4.20 se muestran dos imágenes del biofeedback haciendo un ejercicio en el modo barras. En este modo, se muestra con un indicador lateral y una barra azul claro, cuál es el nivel de esfuerzo que debe llegar la paciente. La fuerza que hace la paciente se muestra de color azul más oscuro, y en el caso que se pase del valor indicado se muestra de color verde. El parte inferior se muestra una barra de progreso que indica al usuario cuánto queda para nalizar el ejercicio. Figura 4.20: Imagen de un ejercicio en modo barras Archivo resultado del ejercicio Cada vez que la paciente acaba un ejercicio se crea un archivo con el resultado del ejercicio. Este archivo se guarda en la memoria SD con un nombre del tipo ejercicio_Dia_Mes_Año_Horas_Minutos_segundos).txt . La etapa de conexión con el PC se ha diseñado para poder enviar este tipo de archivos carácter a carácter. En la gura 4.21 se muestra una imagen del biofeedback en la que se activa un ag  GUARDANDO  para indicar al usuario que está ocupado almacenando el ejercicio en la SD. CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 67 Figura 4.21: Biofeedback guardando el resultado de un ejercicio ej1 <USER> Default <GAIN_CH1> 2 <MAX_VALUE_CH1> 1000 <MIN_VALUE_CH1> 0 <GAIN_CH2> 10 <MAX_VALUE_CH2> 1000 <MIN_VALUE_CH2> 500 <EXERCISE_DURATION> 15 <DATE> 24/7/2011 <TIME> 19:26:14 <CURRENT> 0 0, 37, 18 0, 19, 19 90, 19, 18 180, 19, 18 275, 19, 18 365, 18, 18 460, 18, 18 ... <CURRENT> 1 0, 19, 18 ... El contenido del archivo tiene tanto los parámetros de conguración con los que se ha hecho el ejercicio como el resultado. De esta forma, sólo con la lectura de este archivo el médico puede conocer exactamente cómo se han hecho los ejercicios independientemente del archivo de conguración o calibración. Al principio se guarda el tipo de ejercicio, el nombre del usuario que ha hecho el ejercicio, los parámetros de calibración de cada uno de los canales y la fecha y hora en la que se ha hecho el ejercicio. La variable <EXERCISE_DURATION> indica cuál es el tiempo total que dura el ejercicio y la variable <CURRENT> muestra a que iteración del ejercicio CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 68 corresponden los datos que se muestran a continuación. El resto del archivo muestra el resultado del ejercicio en forma de valores numéricos: el valor RMS que el médico exige al paciente corresponde al primer valor, el siguiente es el valor RMS estimado del canal 1 y el tercer valor es el valor RMS estimado del canal 2. 4.6. Menú 2: Visualización del programa Este menú permite a las pacientes que antes de empezar a hacer los ejercicios del suelo pélvico, puedan visualizar claramente qué se le pedirá en cada uno de los ejercicios. Además, para aquellas pacientes que consideren más claro hacer ejercicios en modo de barras, puede ser interesante que tengan la oportunidad de visualizarlo también en modo plantilla. La implementación de este menú es sencilla, ya que está fundamentada en lo explicado en la subsección Representación gráca de la sección 4.5.4. Inicialmente, es necesario leer el archivo para cargar un vector con los puntos de plantilla denidos mediante la función LoadTemplateSD() . Para poder visualizar la plantilla, se ha creado una nueva función llamada DrawSmallTemplate() . Esta función tiene un funcionamiento muy parecido a la presentada anteriormente ( DrawTemplateType1() ) con algunas diferencias: Se modica el espacio de visualización de la plantilla, ya que hay que adaptarlo al espacio disponible en el menú que es inferior al de los ejercicios. Supongamos que el médico ha denido la plantilla del ejercicio con la variable <SCREENS> 2 . Cuando la paciente realiza los ejercicios, primero hace la mitad de la plantilla en una pantalla, y a continuación hace la segunda pantalla. En cambio, en este modo de visualización, la paciente verá las dos pantallas como una pantalla, para así hacerse la idea de en qué consiste claramente el ejercicio. En la gura 4.22 se muestra una imagen del menú programa. En el lado izquierdo se denen tres botones (denidos como screen objects ) que al pulsar encima de ellos se cargará la plantilla adecuada. Si prestamos atención a los requerimientos de diseño, es posible que un paciente sólo tenga denido un ejercicio, con lo que en este caso sólo se le mostrará uno de los botones de la izquierda. En la imagen también se puede apreciar el diseño gráco que se utilizará en cada uno de los menús (excepto en el Menú1 de ejercicios), donde en la parte superior siempre se muestra el menú que se ha abierto. Además las pacientes siempre tendrán un aspa roja en la parte superior derecha en caso que quieran salir y volver al menú principal. CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 69 Figura 4.22: Menú Programa para la previa visualización de los ejercicios 4.7. Menú 3: Conexión con el PC La conexión del biofeedback con el PC, resulta un requisito imprescindible a tener en cuenta en la etapa de diseño. Aunque su funcionamiento está más orientado al paciente y al ámbito domiciliario, se ha desarrollado una interface que permite el intercambio de información con un ordenador por medio del puerto serie. Esta conexión hace posible que profesionales sanitarios envíen ejercicios al biofeedback , datos de la calibración supervisada, reciban en el ordenador el resultado del entrenamiento, creen nuevos usuarios, etc. Para posibilitar la conexión con una aplicación del PC, será necesario pulsar el botón  Conexión PC  del menú principal. Al pulsarlo, veremos un nuevo menú que muestra el mensaje Sin conexión. Siguiendo los requerimientos establecidos por médicos, esta conectividad funciona de forma totalmente transparente al usuario, ya que el biofeedback se comporta como un esclavo esperando una orden desde el PC. Una vez estemos en el menú de la conexión, el dispositivo permanecerá en un modo de escucha: en caso de que el ordenador requiera conexión, deberá pedirla enviando un determinado mensaje (mediante el carácter especial 0x80 ) por el puerto serie SERIAL_PC ( 0x00 ). En este momento, el biofeedback mediante la función SerialIsRxReady(SERIAL_PC) comprueba si hay un dato sin leer en el puerto serie SERIAL_PC : en caso armativo contesta mediante otro carácter especial para aceptar la conexión ( 0x8F ). CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 70 Figura 4.23: Imagen de la pantalla cuando el biofeedback está sin conexión. Cuando se produce un intercambio de datos se muestra Conectado Una vez que el biofeedback recibe la petición de conexión del PC y la acepta, dará 3 segundos para que el ordenador le envíe la orden que quiere realizar. En caso de no recibir ninguna, el biofeedback cerrará la conexión y el ordenador deberá pedir de nuevo conexión siguiendo lo establecido en el párrafo anterior. Las órdenes están codicadas mediante caracteres especiales según se muestra en la tabla 4.1: Orden Carácter Crea un nuevo usuario desde el PC 0xA0 Cambia el usuario actual desde el PC 0xA1 Envía al dispositivo los resultados de la calibración 0xA2 Envía al dispositivo una nueva conguración para un usuario 0xA3 Envía al dispositivo una plantilla de ejercicio tipo 1 0xA4 Envía al dispositivo una plantilla de ejercicio tipo 2 0xA5 Envía al dispositivo una plantilla de ejercicio tipo 3 0xA6 Envío del dispositivo al PC de los últimos ejercicios realizados 0xA7 Envío del dispositivo al PC de todos los ejercicios realizados 0xA8 Modo control en el PC 0xA9 Cuadro 4.1: Conjunto de órdenes posibles a hacer desde el PC con el carácter correspondiente codicado Una vez el dispositivo reciba la orden a realizar, hará un reenvío al PC para que sepa que la orden se ha aceptado. A continuación, en todas las órdenes (excepto en el  modo control en el PC ) será necesario enviar primero el identicador del usuario que se verá afectado por dicha orden 12 . Cuando el ordenador reciba la conrmación de envío de la orden, enviará al dispositivo cada uno de los dígitos del código de paciente siguiendo la codicación de la tabla ASCII (donde por ejemplo el número 0 corresponde en hexadecimal 12 Este paso previo es necesario en todas las órdenes excepto en el Modo Control en el PC, en el que directamente después de recibir conrmación de la orden enviada el PC tiene el control de la etapa de adquisición del biofeedback. CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 71 al número 0x30 ). Cada usuario está denido en el dispositivo por un id_paciente de hasta 14 dígitos. El dispositivo recibirá cada uno de los caracteres empezando por los de más peso y nalizando con el carácter de un espacio en blanco 13 . Además, cada uno de los caracteres recibidos por el biofeedback será reenviado al PC. En la imagen 4.24 se puede observar el proceso de intercambio de tramas comentado anteriormente. Figura 4.24: Esquema de conexión entre el biofeedback y el PC El puerto serie RS-232 es un buen canal de comunicación: se trata de un canal de transmisión con líneas dedicadas para el envío y la recepción que vamos a utilizar en un entorno de poca distancia. Por este motivo no se ha considerado implementar un mecanismo de corrección de errores (FEC) ni de reenvío de posibles tramas perdidas. Este reenvío constante del carácter tanto de caracteres recibidos como enviados, se hace con el propósito de sincronizar el envío del PC con la recepción del dispositivo: generalmente los procesadores de los ordenadores van mucho más rápido que un ARM (el utilizado en este proyecto funciona a 20 MHz frente a los procesadores del orden de los GHz que se comercializan hoy en día), y podría darse el caso que el dispositivo no sea lo suciente rápido como para atender los datos recibidos (de forma asíncrona). Una vez enviado el usuario, bien el PC o el dispositivo, según la orden enviada inician la transferencia de un chero. Ambos lo hacen enviando todos y cada uno de los caracteres ASCII que forman parte del chero de forma que se reconstruya igual en el destinatario. En el caso del envío de archivos desde el PC (como es el caso de las órdenes 0xA2, 0xA3, 0xA4, 0xA5 y 0xA6), cuando nalice la transferencia del chero, el PC enviará el carácter especial 0xDD (válido para el envío de archivos desde el PC). En cambio, cuando el dispositivo de biofeedback debe enviar los últimos ejercicios o todos (órdenes 0xA7 y 0xA8 respectivamente) hace una transmisión de muchos archivos a la vez. Para señalizar este aspecto, el biofeedback envía los siguientes caracteres: Carácter 0xE0 para indicar el inicio de un chero. 13 El espacio (' ') corresponde al carácter ASCII 0x20 CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL DISPOSITIVO 72 Carácter 0xEF para indicar el nal de un chero. Una vez se inicia el envío de ejercicios, se transmiten uno a uno los caracteres de los cheros, y esperamos que el ordenador retransmita el carácter correcto antes de enviar el siguiente. El Modo de control en el PC, permite la recepción de los valores a la salida del convertidor analógico/digital de ambos canales EMG antes de procesar las muestras. Este modo es de gran utilidad para permitir la calibración supervisada por personal sanitario desde el ordenador. A nivel de implementación, el biofeedback envía todos los datos recibidos por el puerto serie del PC al puerto serie de la etapa de adquisición y viceversa. La comunicación naliza cuando el PC envía el carácter especial 0xCC . Finalmente, el biofeedback indica al ordenador si la orden se ha realizado correctamente enviado el carácter 0xFA; su ausencia implica que la orden no se ha cursado correctamente. Para poder interconectar la UART1 con la interfaz RS-232 del PC, ha sido necesario utilizar un elemento intermedio ( driver ) que adapte los niveles lógicos del microprocesador a los del estándar. Concretamente, el microprocesador envía los bits en lógica TTL entre 0 y 5 V, y mediante un circuito integrado MAX-232 podemos obtener la señal bipolar requerida en RS-232, típicamente entre -7,5 V y +7,5 V. 4.8. Menú 4: Opciones El hardware utilizado para implementar el biofeedback , permite guardar datos en una memoria EEPROM de 8kB (utilizada por ejemplo para guardar la calibración de la pantalla táctil) y por medio de una conexión de tarjeta Micro-SD conectada al microprocesador por interfaz SPI. Aunque inicialmente se utilizó la memoria EEPROM para guardar parámetros de los usuarios (subdividiendo zonas de memoria asignadas a cada usuario), se ha optado por almacenar los datos en una memoria SD de 2GB. Esto nos permite una gran exibilidad para guardar archivos de conguración de usuarios, los entrenamientos del médico y los resultados del biofeedback en archivos independientes. Cada vez que el biofeedback se inicializa o se abre el menú principal, se llama a la función ReadUser() , que lee cuál es el usuario actual y el archivo de conguración de ese usuario, y guarda la información en variables globales. Esto nos permite que cada vez que salgamos de algún menú que implique un cambio en la conguración del usuario, ésta tenga un efecto inmediato, como puede ser en el cambio de idioma en el menú opciones, o el cambio del usuario actual desde el ordenador. El archivo de conguración de usuario está compuesto por tres funcionalidades, de las cuales dos de ellas pueden modicarse en el menú opciones: el cambio de idioma y el modo de biofeedback . El idioma se codica en el archivo siguiendo el número 0 (castellano) ó 1 (inglés) y puede ser cambiado en el menú pulsando sobre la bandera correspondiente. El modo de biofeedback también se codica con dos números, donde el 0 corresponde al modo plantilla y el 1 al modo de barras. CAPÍTULO 5. RESULTADOS Y CONCLUSIONES 79 en un chero. En la gura 5.3 se muestra la estimación del valor RMS de una contracción sostenida de una paciente. A continuación, en la gura 5.4 se muestra el valor representado en el biofeedback utilizando la contracción sostenida (en este caso no se ha dibujado una plantilla en el biofeedback ). En todos los resultados presentados se han empleando ventanas de análisis de 80 ms y un ltro de media móvil de 8 muestras. Figura 5.3: Estimación de la amplitud RMS mediante MATLAB de una contracción sostenida de una paciente Figura 5.4: Representación de una contracción sostenida de una paciente en el biofeedback Finalmente, se ha procedido a vericar el funcionamiento utilizando registros reales de contracciones rápidas. En las guras 5.5 y 5.6 se muestra la estimación teórica y el comportamiento del biofeedback donde la visualización es comparable a lo que verán las pacientes al hacer sus ejercicios. CAPÍTULO 5. RESULTADOS Y CONCLUSIONES 80 Figura 5.5: Estimación de la amplitud RMS mediante MATLAB de contracciones rápidas de una paciente Figura 5.6: Representación de contracciones rápidas de una paciente en el biofeedback 5.2. Conclusiones Después de las pruebas realizadas con el biofeedback funcionando en tiempo real y con registros hechos en pacientes, se considera que se han alcanzado correctamente los objetivos del proyecto: se ha conseguido diseñar un dispositivo para el uso en las pacientes con incontinencia urinaria que utiliza la técnica de biofeedback para la rehabilitación de los músculos de suelo pélvico en el ámbito domiciliario. El sistema de biofeedback desarrollado es capaz de obtener dos canales de EMG simultáneamente, procesarlos, ltrarlos y nalmente obtener el valor estimado de la actividad muscular en tiempo real: el dispositivo puede actualizar el trazo visual mostrado en la pantalla cada 100 ms, y con un retardo máximo desde el impulso CAPÍTULO 5. RESULTADOS Y CONCLUSIONES 81 muscular detectado hasta mostrarlo por pantalla de 180 ms. Para obtener estos resultados en el biofeedback , se ha realizado un procesado por bloques de 80 muestras para estimar el valor RMS de cada una de las señales adquiridas, junto con un ltrado de media móvil para alisar la señal mostrada a la paciente. A pesar de que el alcance nal de este proyecto está marcado por el hardware que contiene la placa de desarrollo de bajo coste elegida, ha sido posible crear un sistema muy completo en cuanto a las opciones que permite, como es el caso de crear una interfaz táctil, la comunicación con el ordenador o utilizar una estructura de usuarios en la memoria SD. Los menús que aparecen en el biofeedback han sido mostrados y validados previamente al personal sanitario que participa en el proyecto. Es cierto que en algunas fases del diseño del dispositivo se han producido indeniciones de algún requisito por parte del personal sanitario, ya que hasta que no se pruebe el dispositivo en pacientes y comprueben la mecánica de funcionamiento no quedarán claramente denidos. Para solucionar estos problemas se ha intentado que el biofeedback funcione de la forma más exible y congurable posible. Aunque el dispositivo de biofeedback es todavía un prototipo y falta acabar el programa de ordenador para obtener una primera versión del sistema completo, el proyecto realizado es capaz de funcionar de forma correcta autónoma una vez está conectado a la etapa de adquisición. 5.3. Futuras líneas de trabajo El dispositivo diseñado en este proyecto nal de carrera es un prototipo en fase de pruebas. Evidentemente, hay algunos aspectos a mejorar y nuevas funcionalidades que se pueden incorporar. A continuación se proponen ideas y sugerencias que podrían mejorar el biofeedback y ayudar a futuros estudiantes que continúen con este ámbito de investigación: Incorporar un feedback auditivo puede ser de gran interés: complementaría la información ya proporcionada en la pantalla táctil y permitiría el uso a personas con dicultades visuales. Incluir archivos de registro y estadísticas, de forma que las pacientes puedan comprobar sus progresos y evoluciones en largos periodos de tiempo. Crear programas preestablecidos para diferentes perles o grados de incontinencia: por ejemplo, mujeres de edad avanzada, mujeres de postparto vaginal... Uno de los problemas de esta técnica es el uso de sondas vaginales para rehabilitar la musculatura. Últimamente algunos fabricantes han diseñado sensores de presión para evitar el uso de las rígidas sondas EMG vaginales. El personal sanitario sugirió que a largo plazo sería interesante tener tres canales de EMG: dos para el suelo pélvico y uno para monitorizar el canal abdominal (esta modicación implica cambios en todas CAPÍTULO 5. RESULTADOS Y CONCLUSIONES 82 las etapas de diseño ya que afecta directamente a la etapa de adquisición). Los dos canales de EMG podrían permitir la detección de problemas en determinados músculos del suelo pélvico. Implementar algoritmos 'inteligentes' que en el caso que un paciente supere bien los ejercicios, se le exija una contracción de más intensidad, más tiempo sostenida o un mayor número de repeticiones. Añadir un proceso de calibración automático en el que no sea necesario calibrar el biofeedback de forma supervisada por el médico, con el objetivo de hacerlo funcionar a largo plazo de forma autónoma. Finalmente, indicar que hasta la fecha, el dispositivo no ha sido mostrado a pacientes. Sí se han realizado numerosas reuniones de seguimiento con el personal médico y otros grupos involucrados en el proyecto que han orientado el diseño del biofeedback . No obstante, la opinión de las pacientes que deban usar el dispositivo y de los médicos que deberán proponer su uso, será fundamental a la hora de modicar o añadir funcionalidades. Bibliografía [1] P. Caminal, M. A. García, M. A. Mañanas, J. Ramos. Viability study of a biofeedback device . Technical University of Catalonia (UPC), internal report. April 2003. [2] M. Espuña Pons, P Brugulat, D. Costa Sampere, A. Medina Bustos, A Mompart. Prevalencia de incontinencia urinaria en Cataluña. Medicina clínica . 2009. Vol 133, núm 18, pág 702-05. [3] M. I. Orna-Esteban, J. I. Artero-Muñoz, E. Caldentey-Isern, L. Usieto-López, P. Cuadra, C. IsantaPomar. Prevalencia de la incontinencia urinaria en dos centros de salud urbanos. Semergen . 2011. Vol 37, núm 07, pág 347-51. [4] Esther Gómez González. Sistema de Biofeedback para el estudio de la incontinencia urinaria . Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). Tesis de Máster. Septiembre 2010. [5] Victor W Nitti, The Prevalence of Urinary Incontinence. Reviews in urology . 2001. 3(Suppl 1):S2-S6. [6] Generalitat de Catalunya (Gencat). Incontinencia Urinaria . 2007. Disponible en www.gencat.cat/salut/depsalut/pdf/2007lb17.pdf [7] Salinas Casado, J., Díaz Rodríguez, A., Brenes Bermudez, F., Cancelo Hidalgo, M J., Cuenllas Díaz, A., Verdejo Bravo, C. Prevalencia de la incontinencia urinaria en España . Grupo Observatorio Nacional de Incontinencia (ONI). Enero 2010. [8] M. Espuña Pons. Incontinencia Urinaria en la mujer . Institut Clínic de Ginecologia, Obstetricia i Neonatologia. Hospital Clínic i Universitat de Barcelona. [9] Manual CTO de Medicin a. 6 ª edición. Editorial CTO. 2008. [10] J. E. Robles. La incontinencia urinaria . Clínica Universitaria de Navarra. 2006. [11] P. Palma, H. Dávila. Uroginecología . 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El Femiscan Clinic Set (para analizar los datos y programar ejercicios por conexión USB) cuesta 1465 ¿ . Alimentación 1 Pila AAA (unas 20h de uso). PVP 590 ¿ . Observaciones Destaca por su facilidad de uso hacia los pacientes y sólo puede ser usado por mujeres. Profesionales sanitarios consultados han comentado que la integración de la sonda en el propio dispositivo dicultaba al paciente la realización de los ejercicios. Web http://www.femiscan.com/index.jsp?pid=87 FemiScan MultiTrainer Canales 2 canales de EMG. Biofeedback Auditivo mediante auriculares. Sonda Sonda Periform o Anuform, y un electrodo de supercie (referencia) para la cavidad abdominal. Estimulador No tiene estimulador. 85 APÉNDICE A. ESTUDIO DE MERCADO 86 Conexión (PC) Sí, permite analizar los datos y programar ejercicios por conexión USB. Alimentación 2 Pilas AAA (unas 20h de uso). Precio 590 ¿ . El software Femiscan Clinic Set para conectar el dispositivo cuesta 1465 ¿ . Observaciones Tiene las mismas características que el Home trainer, pero puede ser usado por hombres y mujeres. Además, el sensor no viene integrado en el dispositivo, con lo que es posible cambiar la sonda para distintos pacientes. En algunos hospitales en colaboración Albyn Medical S.L. se alquila este modelo por unos 40 ¿ al mes. Web http://www.femiscan.com/index.jsp?pid=87 Vitacon BF-106 Canales Tiene un total de 3: 2 canales de EMG y 1 de presión. De éstos, sólo podemos monitorizar 2 canales combinados entre ellos Biofeedback Mediante un diagrama de barras o el seguimiento de una plantilla gráca. También es posible hacerlo por medio de un altavoz o por auriculares Sonda Sondas de presión, y sondas Anuform y Periform de presión, sondas SRS y una sonda propietaria de Vitacon. También permite utilizar electrodos de supercie. Estimulador No tiene estimulador. Por unos 150 ¿ más, se puede adquirir el modelo BF-107 que sí tiene estimulación. Conexión (PC) Sí, mediante cable RS-232. Pueden programarse plantillas para cada paciente Dimensiones y peso 210 mm x 100 mm x 48 mm, 410 g (con batería). Alimentación Batería de 9V. Precio 1.516 ¿ . Observaciones Permite guarda los resultados en una memoria para su posterior análisis por parte del médico. Web http://www.vitacon.com/index.php?p=53-67-15&url=www.vitacon.com Verity Medical Neurotrac MyoPlus 4 Canales 2 canales de EMG. Biofeedback A través de la pantalla LCD numérica Sonda Veriprobe y electrodos de supercie APÉNDICE A. ESTUDIO DE MERCADO 87 Estimulador Sí, tiene 4 canales de estimulación neuromuscular. Conexión (PC) Puede conectarse a un PC (USB): a través de él permite guardar los tratamientos y los resultados de cada paciente, realizar estadísticas de los tratamientos o revisar las grácas de las sesiones. Dimensiones y peso 150 mm x 96 mm x 36 mm, 200g (con batería). Alimentación Batería de 6V Ni-MH (recargable). Precio 550 ¿ . El software no viene incluido, tiene un coste adicional de 285 ¿ . Observaciones Es un producto preparado para trabajar en 3 campos clínicos: Incontinencia, Deporte y Rehabilitación. Cada uno de estos modos de trabajo tiene un programa pre-establecido en 5 fases. Cada fase puede ser de EMG o STIM o ETS. En total cuenta con 67 programas pre-establecidos. Web http://www.veritymedical.co.uk/s_product.html?idP=43 Verity Medical Neurotrac MyoPlus Canales Un sólo canal de EMG. Biofeedback Por medio de la pantalla LCD. Sonda Veriprobe. Estimulador Tiene un canal de estimulación, que incluye el modo de estimulación iniciada por EMG. Conexión (PC) Sí, mediante conexión USB. Peso 168 g (sin batería). Alimentación Pila de 9 V. Precio 322 ¿ . El software no viene incluido, tiene un coste adicional de 285 ¿ . Observaciones Cuenta con 67 programas preestablecidos. Web http://www.veritymedical.co.uk/s_product.html?idP=42 Verity Medical Neurotrac Simplex Canales Un canal de EMG. Biofeedback Por medio de las barras LED y de la pantalla LCD . Sonda Puede utilizar sonda Veriprobe o Anuform . Estimulador No disponible. APÉNDICE A. ESTUDIO DE MERCADO 88 Conexión (PC) Sí, permite conexión al PC. Dimensiones y peso128,5 mm x 64 mm x 28,3 mm, 150g. Alimentación Pila 9 V. Precio 170,48 ¿ . El software no viene incluido, tiene un coste adicional de 285 ¿ . Observaciones Utilizado tanto como entrenamiento EMG Biofeedback o como herramienta de diagnóstico. Web http://www.veritymedical.co.uk/s_product.html?idP=26 Verity Medical Neurotrac ETS Canales Dos canales de EMG. Biofeedback A través de la pantalla LCD, numérico y por diagrama de barras. Sonda Puede utilizar sonda Veriprobe, Anuform o electrodos de supercie. Estimulador Tiene dos canales de estimulación. Permite un ajuste automático y manual del umbral en el modo de estimulación iniciado por EMG (ETS). Conexión (PC) Sí, permite conexión al PC (no incluido). Dimensiones y peso 134 mm x 69 mm x 29,7 mm, 180 g. Alimentación Pila 9 V Precio 403,74 ¿ . El software no viene incluido, tiene un coste adicional de 285 ¿ . Observaciones Diseñado para un amplio rango de aplicaciones de sioterapia, como incontinencia, dolor de hombros y espalda, dolor patelofemoral... Web http://www.veritymedical.co.uk/s_product.html?idP=27 Neen Peritone Canales Un sólo canal de EMG. Biofeedback Mediante la escala luminosa de LEDs y la lectura numérica e indicaciones de la pantalla LCD. Sonda Periform, Anuform o electrodos de supercie. Estimulador No tiene estimulador. Conexión (PC) Sí es posible conectarlo.