Sistema Inalámbrico de Transmisión de Señales Biomédicas

Sistema Inalámbrico de Transmisión de Señales Biomédicas.
Telemedicina Inalámbrica
Autor: Sergio Salas Arriarán
[email protected]
Asesor: Ing. José Oliden Martínez
[email protected]
Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas
Av. Prolongación Primavera 2390, Monterrico, Surco, Lima
RESUMEN
En este estudio se presenta un sistema de transmisión de datos inalámbrico que utiliza como medio de
comunicación los terminales de “Manos Libres” de dos teléfonos celulares (uno como emisor y el otro
como receptor de datos), con el fin de lograr transmitir una señal biomédica de un EKG de un solo canal y
reconstruir y presentar dicha señal en un programa en PC en el lado del receptor. Para esto, se han definido
dos etapas principales dentro del sistema que son la transmisión y la recepción. Así también, estas etapas se
dividen en subetapas, entre las cuales tenemos en la parte de transmisión, el EKG, el ADC, la memoria de
datos, el modulador digital y la interfase celular. Mientras, de el lado del receptor, se ha desarrollado la
interfase “Manos Libres” – PC y el algoritmo de reconstrucción y presentación de la señal biomédica
original en lenguaje C.
ABSTRACT
The present study introduces the system of wireless information transmission which uses as a way of
communication the Hands-Free terminals of two cellular phones. One transmit the information and the
other receives it. The objective is to transmit a biomedical signal like a ECG of only one channel and
reconstruct and show this biomedical signal in a PC on the receptor side. To reach this objective, we have
defined two main parts of the system which are the transmission system and the receptor system. Also, this
parts have been divided by many subsystems like the ECG hardware, the ADC, the memory storage, the
digital modulator, the cellular transmition interface, the receptor Hands-Free terminal – PC interface and
the algorithm of signal reconstruction (presented in a C++ language).
OBJETIVOS
•
•
•
Desarrollar
un
sistema
de
transmisión de datos inalámbrico
basado en uso de los terminales de
“Manos Libres” de dos teléfonos
celulares.
Diseñar
una
aplicación
de
transmisión
de
datos
como
alternativa para la transmisión de
señales biomédicas a distancia
(Telemedicina) que sea de bajo costo
y fácil manejo.
Desarrollar
un
sistema
de
adquisición de datos alta perfomance
•
•
capaz de capturar las muestras de
una señal de un EKG (toma II) y
almacenarlas en una memoria RAM.
Implementar un software de
reconstrucción de la señal recibida
que permita la correcta visualización
de los detalles importantes de la
señal del EKG al médico especialista
en Cardiología.
Determinar una interfase “Manos
Libres” del celular – PC, que
permita la correcta captura de la
señal modulada proveniente del
celular receptor para el posterior
procesamiento y reconstrucción de la
información.
INTRODUCCIÓN
Como es sabido, el cuerpo humano es una
fuente de potenciales bioeléctricos que son
susceptibles a ser medidos en la superficie de
la piel (mediante la ayuda de un electrodo
superficial) o en el medio interno del cuerpo
(utilizando sensores biomédicos invasivos).
La importancia de estos potenciales
bioeléctricos radica en que si es posible
visualizarlos en una gráfica amplitud vs.
tiempo es posible determinar algún tipo de
patología dependiendo del tipo de señal que
se esté visualizando (EKG, EEG, por
ejemplo).
De esta manera, si se conectan tres electrodos
superficiales en la posición que se indica en
la figura 1 y se utiliza una configuración de
OpAmps adecuada es posible obtener la señal
de salida Vo que aparece en la figura 2.
Figura 1. Esquema del EKG.
S eñal E CG
0 .2
0
-0 . 2
am plitud (V olts )
-0 . 4
-0 . 6
.
-0 . 8
-1
-1 . 2
-1 . 4
0
1
2
3
4
5
t ie m p o (s e g . )
Figura 2. Señal de EKG.
6
7
8
9
10
La Figura 1 representa la captura del canal II
de una señal EKG. Existen básicamente dos
integrados (el INA y el OPA) que se encargan
de amplificar la señal biomédica y eliminar el
ruido de interferencia. Adicionalmente,
también se coloca un integrado (como el
UAF741) que se encarga de filtrar la señal de
salida con el fin de minimizar el efecto del
ruido. La señal de la Figura 2 representa ya la
señal del EKG, la cual permite mediante el
análisis de su forma y frecuencia determinar
ciertos problemas relacionados con el
bombeo de sangre a través del corazón, como
son las arritmias cardiacas, lo cual es una
información de alta importancia.
Así, el gran detalle se encuentra en que si es
posible determinar alguna anomalía en esta
señal entonces, sería posible predecir y
prevenir algún posible ataque cardiaco del
paciente. Bajo este hecho, es que se pensó en
diseñar un sistema que permitiera a un
paciente transmitir una señal de este tipo en
cualquier momento del día y desde cualquier
zona geográfica del país (siempre y cuando
exista cobertura de alguna empresa de
telecomunicaciones) de forma tal que el
médico pudiera reproducir en su PC la señal
recibida y desde ahí determinar el diagnóstico
del paciente. Así, con el registro diario de
señales, el médico podría determinar el grado
de riesgo de su paciente e indicarle las
medidas que debe tomar.
Dada las razones anteriores, entonces, para
desarrollar un sistema con las condiciones
explicadas, es que se pensó en un sistema de
transmisión celular. Se trató de hacer este
sistema lo más simple posible, de tal forma
que solamente se utilizara un celular para la
transmisión y este no tenga que ser uno de los
modelos más modernos con transmisión de
datos, de forma tal que una persona que posee
un teléfono celular antiguo pueda utilizarlo en
este sistema. Por tal motivo, fue que al tratar
de buscar una manera de transmitir la
información a través de un teléfono celular
hacia otro teléfono celular, el canal de
información a elegir tuvo que ser el canal de
voz, ya que no se disponía de otro medio de
transmisión.
La idea de utilizar el terminal de “Manos
Libres” para introducir la señal en el celular
transmisor y capturar la señal en el celular
receptor parte debido a que esta sería la única
forma de introducir una señal eléctrica que
representa la información de la señal EKG al
terminal celular. De otro modo, se tendría que
haber utilizado un parlante que module en
sonido la señal eléctrica, lo cual hubiera
introducido mucho ruido al sistema. Esto hizo
que lo novedoso de este trabajo se encuentre
en la transmisión por el terminal de “Manos
Libres”, ya que se está utilizando un canal
diseñado exclusivamente para la transmisión
de sonido como un medio para transmitir otro
tipo de información.
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
Como ya se explicó el proyecto se divide en
dos partes principales: el sistema de
transmisión de datos y el sistema de
recepción. Dentro de la primer sistema,
tenemos el EKG, el hardware de adquisición
y almacenaje en memoria de datos, el
modulador y la interfase modulador –
“Manos Libres”. En cuanto al receptor se
tiene el hardware de adquisición en PC de la
señal proveniente del canal de audífono del
“Manos Libres”
y el software de
reconstrucción y presentación de la señal
modulada en la señal EKG original.
El primer paso para desarrollar este proyecto
fue la implementación de un EKG sencillo
cuya salida permita la visualización de la
señal de la figura 2.
Por tal motivo, se desarrolló en laboratorio un
amplificador de instrumentación basado en el
INA121 que se encarga de tomar las señales
de los tres electrodos posicionados en la
configuración II (posiciones de los electrodos
señalados en la figura 1). Además, se tuvo
una etapa siguiente basada en los UAF42 que
se encargó de filtrar las señales de
frecuencias mayores a los 250 Hz y menores
a los 0.5 Hz. Finalmente, esta señal EKG se
amplificó y se graduó en un rango de 0 a 5V
con el fin de su posterior muestreo y
digitalización.
Luego, una vez obtenida nuestra señal
objetivo, la idea fue digitalizarla y
almacenarla en memoria para su posterior
modulación. De esta manera, se utilizó el
PIC 16F877 para muestrear la señal
proveniente del EKG con una resolución de 8
bits por muestra y frecuencia de muestreo de
500Hz. Únicamente, se tomaron un total de 5
a 6 segundos de muestras correspondientes a
la señal del EKG, dado que ese tiempo es
suficiente para que un cardiólogo emita un
diagnóstico acertado sobre el estado del
paciente. Así, conforme el PIC toma una
muestra, la envía a una posición de memoria
de una RAM estática modelo 2016AP,
completando al cabo de los 5 segundos un
total de 2500 muestras de la señal cardiaca
almacenadas en memoria.
Ahora, el detalle importante resulta en la
etapa del modulador. Antes de empezar a
explicar el funcionamiento del modulador, es
importante aclarar cómo es que se definió la
transmisión a través del canal de audio de dos
teléfonos celulares. Para comenzar a
implementar un sistema que sea capaz de
transmitir una señal conocida a través de un
medio no conocido, se debe primero analizar
el funcionamiento del sistema en base a
pruebas sucesivas. Por esta razón, al tratar de
transmitir una señal cualquiera a través del
terminal de micrófono del “Manos Libres” de
un teléfono celular y recepcionar a través del
terminal de audífono del “Manos Libres” del
celular receptor se debe comparar la señal de
entrada con la señal de salida y visualizar que
relaciones aparentes existen entre ambas para
poder identificar qué señal fue la enviada.
de la señal original. Así, para la modulación
se
eligieron
cuatro
frecuencias
fundamentales: 600, 1000, 1500 y 2000Hz.
Estas frecuencias fueron elegidas debido a
que en la mayoría de las pruebas de
transmisión fueron estas frecuencias las que
presentaron mayor robustez.
Figura 3. Representación del sistema.
Así, al probar una señal X de entrada y
compararla con una señal Y de salida, como
se ve en la figura 3, se encontró que la única
relación aparente entre ambas señales era la
frecuencia. Si la señal X era una señal
periódica, entonces la señal Y resultaría con
el mismo periodo, aunque la forma de onda
siempre sería senoidal independientemente
del a forma de onda de la señal de entrada X.
Esto se esquematiza en la figura 4.
Figura 4. Relación entre la entrada y salida
del sistema.
Esta relación en la frecuencia generó un
punto de partida para realizar el diseño del
sistema de transmisión de datos. Si sabemos
que las frecuencias son iguales dentro de
cierto ancho de banda (500 – 2500Hz)
entonces podemos utilizar las frecuencias en
ese rango para poder relacionar los datos de
entrada con los de salida.
De esta manera, el diseño que se desarrolló se
basó en un sistema que pudiera modular las
muestras binarias almacenadas en memoria
Así, para transmitir una muestra binaria, se
utilizaron una combinación de 8 frecuencias,
en las cuales cada frecuencia presentaba una
duración de 20 mseg. La tabla 1 muestra las
combinaciones de frecuencias para el
correspondiente nibble (frecuencias en Hz).
Tabla 1. Equivalencia entre frecuencias y
nibbles
f1
600
600
600
600
600
600
600
600
600
600
600
600
600
600
600
600
f2
f3
f4
Nibble
1000 1000 1500
0
1000 1000 2000
1
1000 2000 1500
2
1000 1500 2000
3
1000 1500 1500
4
1000 2000 1000
5
1500 1500 1000
6
1500 1500 2000
7
1500 2000 2000
8
1500 1000 2000
9
1500 1000 1500
A
1500 2000 1500
B
2000 2000 1000
C
2000 2000 1500
D
2000 1500 1000
E
2000 1000 1500
F
A partir de esta combinación,
podemos ver que para transmitir una muestra,
se deberán utilizar dos combinaciones lo que
equivale a 8 frecuencias, es decir, un tiempo
total de 120 ms. Esto pone a nuestro sistema
con una velocidad promedio de 9bps, lo cual
es aceptable para una transmisión de señales
biomédicas. Así, bajo esa condición el tiempo
total de transmisión será de 10 minutos.
Así, el modulador, es controlado por el
PIC16F877, el cual a través de uno de sus
pines del puerto B se encarga de enviar una
señal TTL a una frecuencia correspondiente a
la combinación que representa la muestra que
se está leyendo. El PIC, comenzará leyendo
la posición 00H de la memoria RAM, en
donde se encuentra la primera muestra
almacenada, a partir del valor de dicha
muestra generará la combinación de
frecuencias correspondientes, luego, leerá la
siguiente posición de memoria y así seguirá
hasta completar la posición número 1387H (o
4999).
Luego, con respecto a la interfase modulador
– “Manos libres”, simplemente se realizó una
configuración en cascada de tres opamps, el
primero y el último, en configuración
seguidora, con el fin de separar las
impedancias del PIC y de la entrada de
micrófono del terminal de “Manos Libres”.
El segundo opamp estaba en la configuración
inversora con una ganancia –R2/R1 menor a
uno, lo que permitió reducir la señal de 0 a 5
voltios en un rango de 0 a 800 mv. valor que
se encuentra en un rango de voltaje admisible
para la entrada del terminal de micrófono del
“Manos Libres”, ya que un voltaje mayor
podría dañar los componentes internos del
celular.
El esquema del sistema de transmisión se
puede ver a continuación:
Figura 5. Esquema del transmisor.
En la figura 5 se observa como la señal del
EKG entra directamente al PIC. Luego, el
PIC
se
encarga
de
muestrear
y
simultáneamente almacenar las muestras en
la memoria RAM. Una vez terminado el
tiempo de muestreo, el PIC se encarga de leer
cada muestra, modularla con respecto a la
tabla mostrada y enviarla al circuito
separador de impedancias. Previamente al
envío de las muestras moduladas, el usuario
deberá presionar un botón indicando que el
receptor ya se encuentra listo para recibir la
data. Para esto el usuario deberá previamente
marcar el número telefónico del celular
receptor, establecer la llamada y coordinar
que la data va a ser enviada.
Una vez que el receptor recibe la llamada del
emisor y se realiza la coordinación sobre el
envío y recepción de la data, el receptor
deberá conectar el terminal de “Manos
Libres” de su celular receptor al terminal de
“Line Input” de la tarjeta de sonido de su PC.
Básicamente, la tarjeta de sonido se encargará
de ser el sistema de adquisición de la señal
que llega al terminal audífono del “Manos
Libres”, dado que esta señal viene a ser una
señal de audio, que mejor que la tarjeta de
sonido para que la señal sea capturada y
pueda ser procesada posteriormente.
Finalmente, el programa encargado de
muestrear la señal de audio proveniente del
canal de audio del “Manos Libres” es un
programa basado en el entorno C++ Builder.
Dicho programa presenta una interfase visual
bastante sencilla de usar pero, con un
procesamiento un poco extenso debido a la
naturaleza del medio y el diseño del sistema
de modulación. Este programa se encargará
de grabar las muestras de sonido que ingresan
por la tarjeta de sonido a una frecuencia de
muestreo de 11025Hz. Una vez grabada todo
este vector de audio de aproximadamente 8 a
10 minutos de duración, se comienza a
realizar el procesamiento de la señal con el
fin de obtener las muestras que estaban en la
memoria RAM y así reconstruir la forma de
onda de la señal EKG. Dicho procesamiento
se basa en el filtraje en bandas para recuperar
los periodos correspondientes a las
frecuencias de 600, 1000, 1500 y 2000Hz.
Una vez obtenido estos periodos, se
determina el orden de llegada de cada
frecuencia. Así, se empieza a comparar dicho
orden con las combinaciones de frecuencias
establecidas en la Tabla y así, se obtiene el
orden de las muestras que estaban
almacenadas en memoria.
Finalmente, al tener el orden de las muestras
de la memoria del emisor, la señal es
reconstruida (sabiendo las características con
las cuales la señal fue muestreada) y
graficada en una ventana con lo cual el
usuario (médico) se encuentra en la capacidad
de poder analizar la señal con total seguridad.
Todo esto se puede ver en la figura 6.
Figura 6. Esquema general del sistema
Telemedicina Inalámbrica.
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