Nuevo Método de Registro en Seres Humanos. Variabilidad de la

Revista de Tecnología - Journal of Technology • Volumen 7, No. 2, Julio - Diciembre 2008 • ISSN1692-1399 • P. 103-109
Nuevo Método de Registro en Seres
Humanos. Variabilidad de la Frecuencia
Cardiaca
A New Method of Registration in Human Beings. Heart Rate
Variability.
Juan Carlos Lizarazo*
Luis Eduardo Cruz Martínez**
Resumen
Abstract
Este trabajo estandariza una manera de obtener la medida de la
Variabilidad de la Frecuencia Cardiaca (VFC) en 34 hombres
jóvenes, consumidores de cigarrillo, se diseñó e implementó el
hardware y el software que finalizó en una aplicación en
LabVIEW™, que permitió obtener de manera confiable y a bajo
costo los índices indicadores de la VFC en un registro continuo,
válido, de 5 minutos de duración, denominado intervalo basal.
Para tal fin se dividió el estudio en 3 procedimientos. En primer
lugar, se diseño un electro-cardiógrafo portátil (mediante un
acondicionador de pequeña señal, APS), usando para su diseño e
implementación circuitos integrados (CI) de Analog Devices
(AD, fabricante de los CI más confiables para equipos
biomédicos), obteniendo así el registro análogo ECG nativo, con
corte en altas frecuencias (Low Pass Filter - LPF) de 150 Hz,
corte en bajas frecuencias (High Pass Filter - HPF) de 0.01 Hz y
una ganancia de 2000. En segundo lugar, se desarrolló una nueva
aplicación, no publicada, con el programa de computador
LabVIEW™, mediante la cual se digitalizó la señal análoga del
ECG nativo, con un muestreo de 10 KHz, filtros digitales en 60
Hz y pasabanda de 0.01-150 Hz, con ajuste de ganancia digital
de 1000. De esta manera, se generó una tabla de datos con los
periodos en ms. de los intervalos R-R adyacentes en tiempo real,
procedentes del registro ECG nativo de superficie en derivación
DII. La anterior tabla fue guardada en formato .lvm, generada
directamente por LabVIEW™. En tercer lugar, se usó el
programa de computador Software for Advanced VFC
Analysis® mediante el cual se obtuvieron los índices de medida
de la VFC. De esta manera, se obtuvieron los índices en el
dominio del tiempo: MEANRR, STDRR, RMSSD, NN50 y
pNN50, y en el dominio de la frecuencia: LF (0.04- 0.15 Hz), HF
(0.15-0.4 Hz) y LF/HF, mediante los cuales se obtuvo la medida
de la VFC en tiempo real para los 34 sujetos.
This work standarized the measure of the of heart rate
variability (HRV, Heart Rate Variability) in 34 young men from
smoking, was designed and implemented the hardware and
software that ended in a application in LabVIEW™ software
which resulted in reliably and inexpensively indices indicators of
VFC in a valid 5-minute continuous recording, interval called the
baseline. To this end the study was divided into 3 procedures.
First, it design a portable electrocardiograph (through a small
signal conditioner, APS), using for its design and implementation
of chips (IC) from Analog Devices (AD, a manufacturer of IC
more reliable for biomedical equipment), thereby ECG recording
analogue native, with filter at high frequencies (Low Pass Filter LPF) 150 Hz, filter at low-frequency (High Pass Filter - HPF) from
0.01 Hz and a gain of 2000. Secondly, a new application with the
computer program LabVIEW™, which digitize the analog signal
of ECG native, with a sampling of 10 kHz, digital filters at 60 Hz
and filter from 0.01-150 Hz, with digital gain setting of 1000. In
this way, it generated a data table with the periods in ms of the
R-R intervals adjacent in real time recording from the native
surface ECG in derivation DII. The previous table was saved in
.lvm generated directly by LabVIEW ™. Thirdly, we used the
computer program for Advanced Software VFC Analysis® by
which were obtained indices measure of VFC. In this way, the
indices were obtained in the time domain: MEANRR, STDRR,
RMSSD, NN50 and pNN50, and in the frequency domain: LF
(0.04-0.15 Hz), HF (0.15-0.4 Hz) and LF / HF, which was
obtained by the measure of VFC in real time for the 34 subjects.
Key words: heart rate variability, ECG, conditioner small signal,
digital signal processing, electronic filters, tachogram.
Palabras claves: Variabilidad de la Frecuencia Cardiaca, ECG,
acondicionador de pequeña señal, procesamiento digital de
señales, Filtros electrónicos, tacograma.
Recibido: 04/08/08. Evaluado: 04/11/08. Aceptado: 06/11/08.
* M.Sc.
** M.D.
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I. INTRODUCCIÓN
La Variabilidad de la Frecuencia Cardiaca (VFC) es una
variable fisiológica que se encuentra implícita a la
frecuencia cardiaca (FC) y conceptualmente brinda
información adicional a la que puede brindar la FC, dicha
información, se puede asociar directamente con la
fisiología de funcionamiento del sistema nervioso
autónomo[1-4] (SNA), de tal forma, que la VFC esta
íntimamente ligada con la modulación simpáticoparasimpático del corazón. Por lo anterior, se han
encontrado asociaciones de los diferentes índices de
medida de la VFC y la modulación del SNA, así, los índices
de la VFC se pueden analizar por diferentes modelos
matemáticos para obtener, una medida que nos brinde
información de la modulación simpático-parasimpático
[5]. Los modelos matemáticos que se analizan en estos
estudios, analizan la VFC tanto en el dominio del tiempo
como en el dominio de la frecuencia para obtener así,
información teórica de dos fuentes diferentes, lo cual
brinda una herramienta teórica más confiable en el
momento de analizar los resultados obtenidos en
diferentes investigaciones.
cuadro hemático) y anamnesis. Los anteriores exámenes
médicos y registros, permitieron cumplir con los criterios
de inclusión y exclusión, los cuales permitieron poner en
evidencia posibles patologías que alteraran el valor basal
de la VFC [11]. Luego se citaron para la toma del registro
de los índices de medida de la VFC en horas de la mañana y
ayuno en grupos de cinco voluntarios[10].
2.2. A DQUISICIÓN DE DATOS: DISEÑO DEL
ELECTROCARDIÓGRAFO
Se diseñó un ECG portátil, basado en tecnología de los
laboratorios de AD, con ganancia lineal de 2000, HPF en
0.01 Hz y LPF en 150Hz. Esto permitió tomar un registro
análogo en tiempo real del registro ECG nativo para cada
uno de los 34 voluntarios. Este registro ECG análogo, fue
convertida en lenguaje de máquina por medio de un
conversor análogo-digital (CAD), 6008 de National
Instruments™ a través del puerto serial universal (USB)
de un computador portátil de última generación. El
anterior procedimiento se encuentra sujeto a las
recomendaciones internacionales que estandarizan los
criterios de diseño para sistemas de registro de la VFC
[11]. En la Fig. 1, se aprecia el esquema de diseño [11].
Por otro lado, un predominio del sistema nervioso
simpático sobre el parasimpático, trae graves
consecuencias en la buena función circulatoria, debido a
que incrementa los riesgos cardiovasculares y puede ser
además de esto, promotor de patologías asociadas a la
muerte súbita, de la misma manera, es importante aclarar,
que la correcta modulación simpático-parasimpático, por
parte del SNA, permite alternancias de estos subsistemas
de tal forma que puede prevalecer uno sobre el otro,
dependiendo de variables externas, como por ejemplo,
situaciones que ponen al sujeto en condiciones de alerta o
calma [6-9].
El objetivo del presente trabajo es mostrar el diseño de un
sistema de registro y captura de los intervalos R-R para
obtener la V FC en sujetos hombres, jóvenes,
asintomáticos, pero fumadores regulares, y que puede ser
analizado con los estadísticos que trae el paquete
Software for VFC Analisys®.
Figura 1. Electrocardiógrafo portátil. Circuito
correspondiente al diseño del acondicionador de pequeña
señal (APS), el cual se implementó para registrar señales
electrocardiográficas (ECG) de superficie en humanos
ECG.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
2.3. ANÁLISIS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO
2.1. ELECCIÓN DE LOS VOLUNTARIOS
La medida de la VFC se puede realizar con estadísticos en
el dominio del tiempo, los cuales se conocen como índices
de medida de la VFC y corresponden a MRR (promedio de
los intervalos R-R, ms), STDRR (desviación estándar de
los intervalos R-R, ms), RMSSD (desviación estándar de la
raíz cuadrada de las diferencias de los promedios al
cuadrado de los intervalos R-R, ms), NN50 (cantidad de
intervalos R-R adyacentes mayores de 50 ms, conteo) y
pNN50 (NN50 dividido por el total de intervalos R-R, %).
Por medio de charlas informativas, se seleccionaron 34
voluntarios, hombres jóvenes consumidores de cigarrillo
entre los 18 y 25 años de edad. Una vez aprobado por el
Comité de Ética de la Facultad de Medicina y firmado el
consentimiento informado, los sujetos fueron citados en
grupos de cinco para la toma de un registro basal de ECG
completo, toma de exámenes de laboratorio (glicemia y
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2.4. ANÁLISIS EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA
En el dominio de la frecuencia los índices de medida de la
VFC correspondieron a LF (Potencia del componente de
baja frecuencia del tacograma, ms2), HF (Potencia del
componente de alta frecuencia del tacograma, ms2) y
LF/HF (%). Los anteriores índices se obtuvieron mediante
la transformada rápida de Fourier (FFT) y mediante el
modelo de autoregresión (AR).
El registro análogo ECG fue digitalizado, para luego ser
sometido a un procesamiento digital de señales (DSP), por
medio del software LabVIEW™, con un filtro digital de 60
Hz y un filtro digital pasabanda de 0.01 Hz 150 Hz,
ganancia digital ajustable lineal de 1000 y muestreo de
1000. En la Fig. 3, se aprecia el registro ECG nativo
digitalizado[10-11].
La obtención de los índices de medida de la VFC tanto en
el dominio del tiempo, como en el dominio de la
frecuencia, se obtuvieron del tacograma generado por los
periodos de los intervalos R-R. El tacograma generado se
aprecia en la Fig. 2 [16-20].
(a) TACOGRAMA
(b) HISTOGRAMA
Figura 2. En (a) se aprecia la gráfica correspondiente al
tacograma obtenido en uno de los sujetos, en el eje de las
variables dependientes se encuentra la duración en ms.
para cada uno de los intervalos R-R registrados. En el eje
de las variables independientes, se registra el tiempo total
de duración del intervalo de medida (5 min.) en s. En (b)
se aprecia el histograma de la distribución de los intervalos
R-R en s y de la frecuencia cardiaca (HR, heart rate) en
latidos/minuto.
Figura 3. Registro digitalizado del ECG nativo en tiempo
real para uno de los sujetos. Se aprecian cinco registros
CG nativos; en el eje de las variables independientes se
registra el tiempo de duración en s y en el eje de las
variables dependientes la amplitud en voltios para el
ECG nativo.
Adicionalmente, se desarrolló una nueva aplicación que
permitió obtener en tiempo real los intervalos R-R en ms.
los cuales fueron registrados en una tabla de datos en
formato .lvm. La detección de la onda R se aprecia en la
Fig. 4, la captura del intervalo R-R se almacena en una
tabla .lvm cuyo interfaz gráfica se puede apreciar en la Fig.
5.
2.5. ANÁLISIS ESTADÍSTICO
Se obtuvo el valor de la media y de la desviación estándar,
para el primer intervalo de medida de 5 minutos el cual fue
denominado basal. Se seleccionó este intervalo debido a
que es de especial importancia el comportamiento de la
VFC basal, dado que de este dependerá el encontrar
cambios apreciables en los índices de medida de la VFC en
el tiempo. Para encontrar la media y la desviación
estándar se usó la hoja de cálculo Excel® 2003.
III RESULTADOS
3.1. Descripción del software: Diseño del Software de
captura de datos en LabVIEW™
Figura 4. Interfaz gráfica para el usuario. En la interfaz
gráfica para el usuario se aprecia la detección en tiempo
real de la onda R correspondiente al complejo QRS del
registro ECG nativo.
Con la tabla de datos de los intervalos R-R se generó un
tacograma con el programa de computador Software for
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Advanced VFC Analysis®, suministrado gratuitamente
por Juha-Pekka Niskanen et al. de la Universidad de
Kuopio, Finlandia.
Con este se obtienen los siguientes índices de medida de la
VFC en el dominio del tiempo: MRR, STDRR, RMSSD,
NN50 y pNN50, y en el dominio de la frecuencia: LF (0.04
Hz - 0.15 Hz), HF (0.15 Hz
0.4 Hz) y LF/HF.
Adicionalmente la aplicación diseñada sólo registró como
válidos los intervalos R-R que corres-pondieron a un rango
de frecuencias cardiacas de 20-200 latidos por minuto, las
frecuencias fuera de este rango, eran automáticamente
eliminadas por el software [12-15].
Una vez obtenida la tabla con LabVIEW™ para cada uno
de los 34 pacientes, se generó un reporte con ayuda del
Software HRV Analisys®, como se aprecia en la Fig. 6.
Figura 6. Reporte de los índices de medida de la VFC para
un registro basal de cinco minutos, en un voluntario.
Por lo tanto, para los 34 voluntarios se obtuvieron los
siguientes valores correspondientes al promedio y a la
desviación estándar en un intervalo de 5 min de registro.
Los resultados obtenidos para 5 min. de registro basal se
consignan en la Tabla 1.
Tabla 1. Media y desviación estándar para los índices de
medida de la VFC en el dominio del tiempo.
Figura 5. Reporte de la duración en tiempo real de los
intervalos R-R en ms. Se puede apreciar en el reporte de
LabVIEW™ las duraciones en ms. de cada uno de los
intervalos R-R consecutivos registrados en tiempo real.
En el recuadro de la parte superior izquierda, se registra
la cantidad total de intervalos R-R, en este caso
corresponde a 1612 intervalos R-R.
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Tabla 1. Media y desviación estándar para los índices de
medida de la VFC en el dominio del tiempo.
las medidas fisiológicas que intervienen en los cambios
autonómicos del sistema ner vioso autónomo. Es
importante recalcar que hasta hoy no se cuenta con
valores normales para los índices de medida de la VFC, sin
embargo, los valores obtenidos en una población no sean
reproducibles a otra de características similares, dadas
todas las variables de confusión que pueden afectar los
resultados finales[10-11].
V. CONCLUSIONES
La VFC es una medida fisiológica fundamentada en
observaciones que pesan la influencia del SNA sobre el
corazón. El predominio de las señales asociadas a un alto y
persistente estímulo simpático (componente de HF) se
piensa que se asocian a un factor de riesgo de enfermedad
cardiovascular. Las variables derivadas del análisis de la
VFC, tanto en el dominio del tiempo como de la
frecuencia, dan idea de la influencia simpática y
parasimpática sobre el corazón.
Ser fumador regular, parece demostrado con este estudio,
altera los valores considerados normales para índices de
VFC y, por lo tanto, pueden sugerir que estos sujetos
jóvenes están entrando en un grupo de riesgo circulatorio,
aún antes de que se expresen manifestaciones clínicas o
paraclínicas corrientes.
IV. DISCUSIÓN
En el presente estudio, se establecieron los índices de
medida de la VFC a 34 pacientes jóvenes sentados en
reposo, entre los 18 y 25 años de edad y consumidores
habituales de cigarrillo, mediante un registro ECG de 5
min. Es importante anotar que lo reportado en la
literatura, deja claro que no existe un valor normal para los
diferentes índices de medida de la VFC, dado que hasta
hoy no se han establecido valores de normalidad para
dichos índices. Teniendo en cuenta que la VFC disminuye a
partir de los 40 años de edad, se seleccionó para
comparación con esta población, el trabajo de Acharya et
al [10], que muestra los valores de la VFC por rangos de
edad entre 25 ± 10 años (n=50), con un valor para RMSSD
de 38.9 - 81.31 ms., este dato comparado con el resultado
obtenido en el presente estudio correspondiente a 59.1±
31.9, muestra que el valor obtenido se encuentra en el
intervalo esperado. El valor reportado para pNN50 de
9.97 - 15.27, con un obtenido de 30 ± 0.028, que esta por
fuera del intervalo esperado, posiblemente por la
naturaleza de fumadores de los sujetos. La proporción
LF/HF reportada es de 0.88 - 1.27 frente al encontrado en
este estudio correspondiente a 0.69, encontrándose en el
intervalo de valores esperados.
Muy probablemente el valor de la potencia asociada a los
componentes armónicos de la población difiere en
magnitud al no establecer un punto de comparación sobre
Al no contar con datos de normalidad de los índices de la
VFC, se diseñó este estudio bajo rigurosos criterios de
inclusión y exclusión de los voluntarios, lo que permitió
ganar validez interna, y puede ser deseable en estudios
longitudinales de medidas repetidas de la VFC
posteriores.
Esta técnica de medida, es de bajo costo y de fácil
implementación, con lo cual se espera incentivar
posteriores investigaciones en este campo de la fisiología
de sistemas.
La importancia de desarrollar una nueva aplicación de
software en electrofisiología cardiaca, da un alto valor
agregado al estudio, sumado a que se puede usar la
versión gratuita de distribución de LabVIEW™, lo que
disminuye costos en futuros estudios.
Es de gran importancia, tomar registros análogos y
digitalizarlos en tiempo real, ya que esto no solamente
permite ganar tiempo en la edición de los datos, sino que
además es altamente confiable dado que se reduce al
máximo el error humano al disminuir la manipulación de
los registros por métodos que pueden sesgar los
resultados.
Los archivos generados con esta técnica, son pequeños y
compatibles con los programas comerciales de aplicación,
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lo que le permite a la técnica tener un amplio entorno de
aplicación.
Las diferentes interfases gráficas son de fácil comprensión para el usuario, además de poderse editar y
acomodar a estudios específicos, lo que le da a la técnica
flexibilidad y la hace especial para uso en investigación.
Fuente de financiación: Universidad Nacional de
Colombia, Sistema de información de la investigación
HERMES, Apoyo a tesis de programas de posgrado,
Código del proyecto 5967.
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Artículo de Investigación Científica y Tecnológica (Tipo I). Sometido a Arbitraje.
Los autores declaran que no tienen conflicto de interés.
Los Autores
Juan Carlos Lizarazo
Profesor Ingeniería Biomédica, Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad El Bosque. Ingeniero
Electrónico Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Especialista en Docencia Universitaria
Universidad El Bosque, Msc Fisiología Universidad Nacional de Colombia.
Carrera 7 B Bis 132-11, Edificio El Campito. Bogotá. [email protected]
Luis Eduardo Cruz Martínez
Profesor de Fisiología, Facultad de Medicina, Universidad Nacional de Colombia. Coordinador División de
Fisiología, Facultad de Medicina, Universidad Nacional de Colombia. Intensivista, Unidad de Cuidados
Intensivos, Clínica Reina Sofía, Bogotá. Médico Cirujano, Universidad Nacional de Colombia. Intensivista y
Especialista en Anestesiología Universidad Nacional de Colombia.
Avenida 30 45-03, Facultad de Medicina, Campus Ciudad Universitaria, Bogotá D.C.
[email protected]
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