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“VISOR DE SEÑALES BIOMÉDICAS PARA EL FISIÓGRAFO MK-III-P DE NARCO- SCIENTIFIC BIOSYSTEMS DIVISION” VIFIBIO Luis Carlos Suárez Trujillo Director : Sergio Mejía Muñetón, MD, BME Director (e) : Diego Cuartas Ramínez, IEO, MSc

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Page 1: VISOR DE SEÑALES BIOMÉDICAS PARA EL FISIÓGRAFO MK-III-P DE NARCO-SCIENTIFIC BIOSYSTEMS DIVISION VIFIBIO Luis Carlos Suárez Trujillo Director : Sergio Mejía

“VISOR DE SEÑALES BIOMÉDICAS PARA EL FISIÓGRAFO MK-III-P DE NARCO-SCIENTIFIC

BIOSYSTEMS DIVISION” VIFIBIO

Luis Carlos Suárez Trujillo

Director : Sergio Mejía Muñetón, MD, BMEDirector (e) : Diego Cuartas Ramínez, IEO, MSc

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1. INTRODUCCIÓN

Este proyecto nace ante la necesidad de digitalizar el fisiógrafo análogo que pertenece a la Facultad de Medicina de la Universidad Pontificia Bolivariana

Esta es la segunda fase del proyecto macro “DIGITALIZACIÓN DE UN FISIÓGRAFO TIPO MK-III-P NARCO SCIENTIFIC BIO-SYSTEM DIVISIONS”; se desarrolló un dispositivo que permite adquirir y procesar la señal ECG para su posterior visualización en una pantalla de cristal líquido sin necesidad de conectar el fisiógrafo a un computador.

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Diseñar e implementar una interfaz de visualización de señales electrocardiográficas de un fisiógrafo tipo MK-III-P de Narco Scientific Bio-Systems Divisions y a través de un software permitir su posterior procesamiento.

Objetivos Específicos:1. Realizar la búsqueda bibliográfica necesaria para la

selección de una pantalla de cristal líquido apropiada para los propósitos del proyecto.

2. Estudiar el principio de funcionamiento de las pantallas gráficas de cristal líquido y construir su hardware controlador.

3. Implementar una interfaz fisiógrafo – LCD, la cual permita el acondicionamiento de la señal para su posterior procesamiento.

2. OBJETIVOS

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4. Implementar herramientas de procesamiento de señales tales como transformada rápida de Fourier, zoom a ciertas regiones de la señal, cambio en escala de frecuencia y amplitud y congelamiento de imagen a partir de la señal capturada del módulo de electrocardiografía del fisiógrafo tipo MK-III-P de Narco Scientific Bio-Systems Division.

5. Realizar una correcta distribución de la información a ser mostrada en la pantalla para que ésta sea clara y de fácil lectura.

6. Desarrollar una página WEB del proyecto, donde se exponga la documentación del trabajo al igual que los avances que se realicen.

2. OBJETIVOS

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3. IMPORTANCIA DEL TRABAJO• Este proyecto macro busca propiciar un uso asiduo de este equipo tanto en la investigación como en la docencia, habilitando el equipo para su uso en investigaciones tanto del Centro de Bioingeniería como de los grupos de la Facultad de Medicina, lo que se verá reflejado en un gran aporte a nivel académico.

• La digitalización del módulo de ECG es un gran avance en la digitalización total del fisiógrafo. La implementación de un fisiógrafo digital utilizando uno análogo ya existente, sin necesidad de importar, se refleja en un beneficio económico y científico.

•Este trabajo es el primer paso hacia la portabilidad del fisiógrafo, con lo cual se eliminaría la necesidad de conectar el equipo a un computador, con la comodidad y practicidad que ésto implica.

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3. IMPORTANCIA DEL TRABAJO

• Al realizar un procesamiento posterior a las señales adquiridas se puede hacer un análisis exhaustivo de la misma, especialmente al observar el espectro en el dominio de la frecuencia.

• Importancia del monitor ECG:Investigaciones de señales

biomédicasMorfología del ECGPeriodicidad complejosIsquemiasArritmiasCrecimiento de cavidades

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4. LA SEÑAL ECG

• La Señal Electrocardiográfica (ECG) es un registro de la actividad eléctrica cardiaca.

• En ECG, las derivaciones corresponden a la medición de la actividad eléctrica del corazón desde determinadas regiones del cuerpo humano.

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4. LA SEÑAL ECG

• Las señales que se pueden observar en un registro ECG normal son la onda P, el complejo QRS y la onda T.

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5. EL ELECTROCARDIÓGRAFO

• Es un instrumento sensible a las pequeñas diferencias de potencial que genera el corazón y las grafica en papel electrocardiográfico.

• El electrocardiógrafo dispone de transductores, acopladores, filtros, estiletes y amplificadores que permiten dibujar el registro ECG.

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5. EL ELECTROCARDIÓGRAFO

• El fisiógrafo usado para la realización de este trabajo posee una salida de monitoreo de señal ECG, la cual fue conectada al dispositivo VIFIBIO, quien es el que se encarga del proceso de adquisición, procesado y graficación de la señal ECG.

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6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO• General

Microcontrolador 1 Microcontrolador 2

MemoriaEEPROM

Pantalla deCristal Líquido

1. Escritura deDatos en eldominio deltiempo

2. Lectura de los datospara iniciar el procesamiento

3. Procesamiento.Se halla el espectro

4. El resultadose almacenaen la memoria

5. Lectura de los datosya procesados

6. Visualización dela señal o espectrode la señal ECG

Adquiere y digitalizala señal ECG

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6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO

Hardware para los microcontroladores:

• Se utilizaron dos microcontroladores MOTOROLA HC08GP32. El primero tiene por función la adquisición y digitalización de datos, al igual que la graficación en la pantalla. El segundo se usó exclusivamente para realizar procesamiento.

• Se usaron estos microcontroladores por su rápida velocidad de reloj que es de 8 MHz y su capacidad de almacenamiento de variables

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6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO

Hardware para la memoria MICROCHIP 24LC256:

Ambos microcontroladores descritos anteriormente se comunican con una memoria EEPROM, en la cual se guardan los datos adquiridos en el dominio del tiempo, los resultados intermedios de la función de procesamiento y el resultado final del espectro de la señal.

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6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIOHardware para la Pantalla de cristal líquido:

• La visualización de la gráfica de la señal ECG y su espectro se realizó en una pantalla de cristal líquido (LCD) marca Hyundai referencia HG25504.

• Esta pantalla cuenta con el controlador SED1330F. Gracias a este controlador se dispone de una gama de instrucciones que permiten mostrar texto y gráficos simultáneamente.

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6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO

Hardware para el acondicionamiento de la señal:

La señal procedente de la salida de monitoreo del fisiógrafo presenta rangos de voltaje variados.

Se requiere de un circuito intermedio que acondicione la señal entre 0 voltios y 5 voltios, de tal forma que el microcontrolador que realiza el proceso de adquisición pueda realizarlo correctamente y no sufra daños.

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6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO

El circuito diseñado eleva el nivel de DC de la señal original, eliminando las partes negativas de la señal. Además de este circuito, también se incluye un filtro de para limitar el ancho de banda de la señal entre 0 y 150 Hz (señal ECG).

Salida espectro

Salida tiempo

9V

1k

1M 50%

1k

1kLF353

1M

1M

1nF

1M

-9V

9V

1M

1M 50%

Entrada Señal

1k

1kLF353 LM324

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6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIOSoftware Microcontrolador 1: Está programado en ASSEMBLER, lleva a cabo la adquisición de datos, la conversión A/D, la temporización por medio de TBM con el fin de validar el dato capturado y el reloj para el protocolo de comunicaciones I2C.

Inicialización de variables

Inicialización de módulosADC y TBM

Inicialización de LCD yborrado de pantalla

Dibujado de interfaz gráfica

Borrar pantalla de graficación

Menú inicial según elpulsador presionado

Una sola captura Conversión continuaEspectro de la señal ECG

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6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIO

Software microcontrolador 2: El microcontrolador 2 está programado en lenguaje C (CodeWarrior) y trabaja sólo bajo orden directa del microcontrolador 1. Su función es realizar el algoritmo de procesamiento que permite hallar el espectro de la señal ECG almacenada en la memoria.

I nicialización de variables, librerías y f unciones

Espera habilitación parainiciar el procesamiento

Algoritmo de ordenamientoen orden de bit inverso

Algoritmo de transformadade Hartley

Diagrama general

Avisar al microcontrolador#1 que ya terminó

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6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIOSoftware de la Pantalla de Cristal Líquido (LCD): en el microcontrolador 1 se encuentran las rutinas referentes a la escritura de datos en la pantalla. Se diseñaron rutinas de borrado, de dibujado de la señal al igual que un algoritmo para dibujar el espectro. El tiempo de inicialización de la pantalla es corto, al igual que el proceso para dibujar cada píxel en la pantalla.

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6. DESCRIPCIÓN DE VIFIBIOProtocolo I2C por Software: se implementó el protocolo de comunicaciones I2C para poder escribir y leer datos de la memoria EEPROM Microchip 24LC256. La memoria juega un papel muy importante en VIFIBIO, porque es donde se almacenan los resultados de la etapa de procesamiento.

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7. OPERACIÓN DE VIFIBIO• Funciones de operación:

Modo Captura Simple

Borrar pantalla

Modo Captura Continua

Pausa

Espectro

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7. OPERACIÓN DE VIFIBIO• Perillas:

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8. RESULTADOS

• VIFIBIO como un todo

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8. RESULTADOS

V1

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Senoidal de 1 Hz muestreada a 204 Hz

Senoidal de 1 Hz muestreada a 1024 Hz

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8. RESULTADOS

V3

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8. RESULTADOS

V2

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8. RESULTADOS

V4

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8. RESULTADOS

V5

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8. RESULTADOSVideos de VIFIBIO en Funcionamiento

Video 1: Descripción del Fisiógrafo, módulo ECG y salida MON-OUT

Video 2: Barrido de señal, circuito, conexiones.

Video 3: Señal senoidal

Video 4: Funcionamiento de selector de amplitud con señal senoidal

Video 5: Funciones PAUSA, PARAR, BORRAR y UNA CAPTURA POR PANTALLA

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8. RESULTADOSVideos de VIFIBIO en Funcionamiento

Video 6: Señal cuadrada, señal senoidal. Selector de frecuencia

Video 7: Señal ECG

Video 8: Señal ECG

Video 9: Señal ECG

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8. RESULTADOSPágina Web: www.geocities.com/vifibio

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9. PROBLEMAS Y SOLUCIONESProblemas en hardware

• Fuente de CD a -9V: El LCD necesita una fuente de voltaje negativo con el fin de manejar el contraste. Construir una fuente negativa a partir de una positiva fue una labor que involucró bastante investigación y pruebas.

• Protocolo de comunicación I2C: Hubo problemas en la implementación del protocolo I2C. El chequeo con el osciloscopio del diagrama de tiempos acarreó falsas señales de aknowledge. La rutina de interrupción para cambiar de flanco creaba bloqueos.

• Pantalla LCD: La resolución de la pantalla es limitada para presentar el espectro de la señal ECG. Este espectro se caracteriza por presentar líneas de pendiente abrupta, y la pantalla no es capaz de representarlas.

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9. PROBLEMAS Y SOLUCIONES

Inicialización del LCD: Problemas en la determinación de los parámetros de inicialización.

Velocidad del bus de datos en los microcontroladores: La velocidad de bus era muy lenta, lo que llevaba a una baja velocidad de graficación. Se incrementó esta velocidad y el proceso de graficación mejoró radicalmente.

Problemas en software

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•Se debe verificar que el voltaje de alimentación de VIFIBIO sea de 7.5 voltios. Este voltaje es importante porque de él depende el circuito de acondicionamiento de señal y los demás sistemas.

•Se deben garantizar condiciones de bajo ruido en el ambiente a la hora de tomar los registros ECG, para que el sistema no adquiera señales indeseadas.

•Verificar la firme adhesión de los electrodos al cuerpo con el fin de reducir los efectos del ruido inducido por malas conexiones.

10. RECOMENDACIONES

A nivel de usuario:

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10. RECOMENDACIONES

•Sería muy útil usar un DSP que incorpore la transformada de Fourier Discreta como parte del set de instrucciones. Esto ayudaría a reducir el tiempo de procesamiento dada la eficiencia de este tipo de dispositivos.

•Se recomienda utilizar un LCD de mayor resolución en etapas posteriores de este proyecto macro, con el fin de obtener la calidad de la señal deseada contenida en un mayor número de períodos por pantalla.

Futuras etapas del proyecto:

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11. CONCLUSIONES

• Al implementar un sistema de monitoreo embebido de señales ECG, es importante considerar tanto la frecuencia de muestreo como la resolución de la pantalla graficadora, con el fin de obtener la calidad deseada.

• Los microcontroladores MOTOROLA HC08GP32

usados permiten llevar a cabo la adquisición, digitalización y procesamiento de señales ECG, obteniendo resultados satisfactorios.

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11. CONCLUSIONES

• La resolución del LCD empleado es adecuada para visualizar un periodo de la señal ECG pero no es suficiente si se desean observar varios periodos a la vez, al igual que para observar una señal en el dominio de la frecuencia.

• El protocolo I2C es muy útil para comunicar dispositivos de diferente clase y función.

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11. CONCLUSIONES

La programación en CodeWarrior orientado a una plataforma embebida muestra una manera fácil y eficiente para elaborar programas en los cuales exista un alto nivel de cálculos y procesamiento.

• Lenguaje C/C++ es una vía adecuada para realizar el algoritmo de DFT y el cálculo del espectro del la señal ECG.

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11. CONCLUSIONES

• Las herramientas para variar amplitud y frecuencia de la señal ECG graficada son muy útiles.

• La etapa de acondicionamiento de la señal a graficar es muy importante, ya que de ésta depende la nitidez de la señal visualizada

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PREGUNTAS?

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¡MUCHAS GRACIAS!