algoritmo para el calculo de la presion sistolica y diastolica en el

Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba
ALGORITMO PARA EL CALCULO DE LA PRESION SISTOLICA Y
DIASTOLICA EN EL VENTRICULO IZQUIERDO
Carlos A. Ramírez R.
Grupo de Bioingeniería, Decanato de Investigación, Universidad Nacional Experimental del Táchira
Av. Universidad, Sector Paramillo, San Cristóbal, Táchira, Venezuela e-mail: [email protected]
RESUMEN
relación entre los trazos de presión obtenidos de la aorta,
del ventrículo izquierdo y la aurícula izquierda. También se
ve su relación con el electrocardiograma [4,5].
Este artículo presenta un algoritmo para el cálculo
automático de los valores de presión siastólica y diastólica
proveniente de la señal de presión ventricular adquirida a
través de un sensor de presión introducido en el corazón
mediante un proceso de cateterización. El algoritmo utiliza
un filtro digital integrador diferenciador para eliminar las
componentes de ruido de alta frecuencia y calcular la
derivada (dP/dt) de la señal de presión. En base a los
valores máximos y mínimos calculados en la señal derivada
y valores umbrales establecidos experimentalmente se
logran obtener con un alto grado de precisión los valores de
precisión deseados. El algoritmo ha sido evaluado en data
simulada obteniendo un coeficiente de correlación de 0.92
cuando se compara con valores calculados manualmente.
Palabras clave: Algoritmo, onda de presión, ventrículo
izquierdo, presión ventricular.
1. INTRODUCCIÓN
El interés por la medición de la presión sanguínea ha estado
presente en la comunidad médica desde que el Reverendo
Hales midió la presión arterial de manera directa en una
yegua en 1733. La medición de la presión ventricular
comprende la determinación de la presión sistólica y
diastólica. A diferencia de otros valores de presión que
pueden ser determinados en diferentes puntos del sistema
cardiovascular, su medición se logra adecuadamente
mediante la utilización de una técnica invasiva al cuerpo
denominada cateterismo [6]. El cateterismo cardiovascular
se define
actualmente como una combinación de
procedimientos hemodinámicos, angiográficos, radiológicos
y electrofisiológicos convirtiéndose en años recientes en la
principal técnica de diagnóstico para analizar el corazón y
otros componentes del sistema cardiovascular [2,3].
El funcionamiento de la cateterización se basa en la
introducción de un catéter, lleno de solución salina dentro
de un vaso sanguíneo. Este catéter tiene una punta de goma
flexible que al estar lleno de solución salina, la presión que
ejerce la sangre sobre la goma genera el traslado de la
sangre, en forma de ola, hasta el final del catéter y llega a
un transductor de galgas extensiométricas, generando una
presión sobre él. Esta presión hace que varíen las
resistencias y se produzca la transformación de la señal de
presión obtenida a través del catéter, en una señal eléctrica
compatible con el equipo electrónico que se encarga de dar
la información al médico. En la figura 1 se presenta la
Fig. 1: Ondas de presión en diversos puntos del sistema
Cardiovascular
En este trabajo, se plantea un algoritmo robusto para el
cálculo automático de los valores de presión siastólica y
diastólica proveniente de la señal de presión ventricular
adquirida a través de un sensor de presión introducido en el
corazón mediante un proceso de cateterización.
El
algoritmo utiliza un filtro digital integrador diferenciador
para eliminar las componentes de ruido de alta frecuencia y
calcular la derivada de la señal de presión. En base a los
valores máximos y mínimos calculados en la señal derivada
y valores umbrales establecidos experimentalmente se logra
establecer con un alto grado de precisión la presión en
mmHg en el instante de tiempo en el cual la válvula Mitral
cierra (diástole final) y el valor pico de presión durante la
fase de sístole, correspondiendo estos valores a la presión
ventricular diastólica y sistólica, respectivamente. El
articulo consta de un marco teórico en el cual brevemente se
estudian algunos aspectos relacionados con la presión
sanguínea en el ventrículo izquierdo, seguido de una
sección metodológica en la cual se desarrolla el algoritmo
propuesto. A continuación, se presentan los resultados
experimentales de la evaluación del algoritmo para
posteriormente discutir dichos resultados. Finalmente, se
plantean las conclusiones del trabajo.
2. PRESION VENTRICULAR
A pesar de que el Electrocardiograma es uno de los
exámenes rutinarios realizados con mayor frecuencia, es
insignificante la información mecánica que puede ser
derivada de este registro. La medida de la presión
sanguínea es un mejor indicador en este aspecto,
permitiendo detectar patologías como lo son las
insuficiencias y estenosis valvulares, o estados generales de
hiper o hipo tensión [4]. La presión sanguínea puede ser
medida en diversos puntos del sistema cardiovascular. Esto
es, a nivel de las arterias, venas y dentro del corazón
mismo. En este último caso, se obtienen medidas de la
presión existente en las cámaras del corazón (aurículas y
ventrículos) y las arterias y venas que llegan al mismo. En
particular, la medición de la presión ventricular permite dar
una idea de la mecánica dinámica del corazón, permitiendo
establecer junto con otras medidas a nivel de las cámaras, el
comportamiento del gradiente entre las mismas, y otra serie
de medidas como la fracción de eyección.
Es por ello que la presión ventricular constituye una
medida básica que todo equipo o instrumento médico que
registre la onda de presión proveniente de un catéter debe
proveer. Sin embargo, numerosas dificultades surgen al
momento de automatizar el cálculo de los valores de
presión por la introducción de componentes de ruido,
cambios bruscos en la línea base, amplitud y frecuencia de
la señal. La figura 2 muestra un segmento de la onda de
Una vez calculada la presión diastólica y sistólica, se puede
obtener una aproximación de la presión media por medio de
la formula mostrada en la ecuación (1):
Presión Media =
Presión Sistólica + (Presión Diastólica x 2)
3
(1)
La tabla I presenta los valores normales de presión en
diferentes puntos del sistema cardiovascular.
LUGAR
Tabla 1.
Parámetros normales de la medida de presión
P.S
P.D
P.M
% Sat. O2
Aurícula derecha
1 - 5
Ventrículo
17 – 30
derecho
Art.
Pulm. 17 – 30
Principal
Vena pulmonar
Aurícula
izquierda
Ventrículo
izquierdo
Aorta
1 - 5
5 – 15
65 - 78
65 - 78
9 - 20
65 - 78
98 - 100
5 – 12
90 – 140
5 –12
90 – 140
60 - 90
95 - 98
95 - 98
70 – 105
95 - 98
3. METODOLOGIA
Se puede observar en la figura 2, que la onda de presión
ventricular presenta un comportamiento periódico asociado
con el ciclo cardíaco. En la señal se puede apreciar que la
misma presenta máximos y mínimos asociados con los
ciclos de diástole y sístole. Para solucionar el problema de
ruido de alta frecuencia y cambios en el nivel de la linea
base, se aplica un filtro integrador diferenciador dado por:
y (n) = 4 x(n) + x(n − 1) + x(n − 2) − 4 x (n − 3) − x(n − 4) − x(n − 5)
(2)
Este filtro es utilizado para detectar el punto máximo de la
onda de presión así como el fin del periodo de diástole que
como se mencionó anteriormente, corresponden a la presión
sistólica y diastólica respectivamente. Para ello se crea un
umbral dinámico que se actualiza dependiendo del máximo
valor alcanzado por el filtro en un ciclo cardíaco. La
actualización del umbral se realiza de la siguiente manera:
U = U + 0.2 * (0.7 * Fmax − U )
Figura 2: Presión diastólica y sistólica en la onda de presión
del ventrículo izquierdo
presión correspondiente al ventrículo izquierdo y la arteria
braquial. Se observa en esta figura que la presión diastólica
se le asocia un valor 10 mm Hg, correspondiendo al punto
donde ocurre el cierre de la válvula Mitral.
Por otra parte, se observa que la presión sistólica es
calculada como el valor en mm Hg (151) para el cual la
onda de presión alcanza su punto máximo [5].
(3)
donde, U es el umbral y Fmax es el valor máximo
alcanzado por el filtro. Esto permite incrementar o decrecer
el umbral siguiendo las variaciones de la señal.
Durante el proceso en línea, se verifica constantemente
si el filtro excede el umbral dinámico, en cuyo caso se inicia
un proceso de búsqueda de un cambio de signo en el valor
del filtro. Dicho cambio de signo señala la ocurrencia de un
máximo en la señal de presión lo que a su vez corresponde
al valor de la presión ventricular sistólica. Una vez
detectado el máximo, se procede a buscar que el filtro
(cuyos valores son negativos) exceda nuevamente en
magnitud el umbral dinámico. A partir de este momento se
inicia nuevamente una búsqueda de cambio de signo en el
filtro y una vez que este ocurre (los valores pasan a ser
positivos), se realiza la medición de la presión diastólica
una vez que el filtro excede un 20 % de la magnitud del
umbral dinámico. La figura 3, presenta gráficamente el
proceso de detección.
que pueden ocasionar un cálculo erróneo de los valores de
presión deseados. Estas situaciones comprenden ruido de
alta frecuencia, cambios en la línea base y variación en la
amplitud y frecuencia de la señal. En la data simulada el
algoritmo ha demostrado su efectividad en el cálculo de los
valores de presión, reportando un valor de correlación de
0.92 entre los valores de presión automáticamente
calculados y mediciones realizadas manualmente sobre la
señal. En una etapa posterior a las pruebas, el algoritmo ha
sido implantado en un microprocesador AMTEL 89C51
para el procesamiento en tiempo real de la señal de presión
[1]. En el presente se realiza la recolección de señales de
presión reales en una unidad de Hemodinámia, para validar
exhaustivamente el algoritmo propuesto.
5. CONCLUSIONES
Fig.3: Cálculo de la presión diastólica y sistólica utilizando la derivada
dP/dt de la señal de presión en el ventrículo izquierdo
Basado en la metodología mencionada anteriormente, se
propone a continuación un algoritmo para el cálculo de la
presión en el ventrículo izquierdo.
Inicio.
Inicialización de filtros digitales y variables de control.
HACER (Ciclo de adquisición)
Filtro derivador – promediador.
SI el filtro excede el umbral crítico.
Poner a uno la bandera de detección.
Iniciar un reloj de 150 ms.
FINSI
SI la bandera de detección esta activada
SI hay cambio de signo en el filtro
SI signo del filtro es negativo
Calcular presión sistólica
SINO
SI filtro excede 20 % del umbral
Calcular presión diastólica
FINSI
FINSI
FINSI
SI el filtro excede el umbral dinámico en dirección opuesta.
Inicializar el reloj a 150 ms nuevamente.
SINO
SI abs(filtro) alcanza un valor superior al anterior.
Establecer Fmax igual a abs(filtro).
FINSI
FINSI
SI el reloj es menor o igual a cero
Actualizar el umbral dinamico utilizando Fmax.
Desactivar la bandera de detección.
FINSI
Decrecer el reloj.
FINSI
MIENTRAS (Existan datos de Presión)
4. RESULTADOS
El algoritmo propuesto ha sido evaluado en señales de
presión simuladas, añadiendo componentes de ruido
aleatorio que permiten modelar las diferentes situaciones
En este trabajo se ha propuesto un algoritmo para el cálculo
automatizado de la presión diastólica y sistólica en el
ventrículo izquierdo. El algoritmo ha sido validado en
señales simuladas de presión en el ventrículo izquierdo,
demostrando su efectividad en el cálculo de los valores de
presión. El algoritmo ha sido implantado en un sistema de
adquisición de presión sanguínea desarrollado en el Grupo
de Bioingeniería de la Universidad Experimental del
Táchira. Se realizan en la actualidad las pruebas de dicho
sistema en una sala de Hemodinámia con señales de presión
reales para validar el funcionamiento del mismo. Se espera
con este tipo de desarrollos en materia de hardware y
software, aliviar la dependencia tecnológica con el
extranjero, reduciendo costos en la dotación de
instrumentos biomédicos, facilitando de igual manera la
realización de actividades de mantenimiento de los mismos.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido realizado gracias al apoyo del Decanato
de Investigación de la Universidad Nacional Experimental
del Táchira.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Abreu A, Hernández M, Sandoval A, Ramírez C. “Sistema de
registro y monitoreo de la presion sanguinea arterial utilizando la
cateterizacion como metodo invasivo”, en Memorias del VI Coloquio
Venezolano de Bioingeniería, San Cristóbal, Venezuela, pp 176 –
160, 2000
D. Almeida y S. Brandi. Manual de Cardiología Clínica.
Universidad Central de Venezuela. Consejo de Desarrollo Científico
y Humanístico. Fundación Fondo Andrés Bello, Tomo 1, 2da edición.
1995.
W. Grossman y D. Baim. Cardiac Catheterization, Angiografhy,
and Intervention. Fourth Edition. TAB Books Lea & Febiger. 1991.
J. Mompín Poblet. Introducción a la Bioingeniería. Serie: Mundo
Electrónico. Editorial Marcombo.1988.
Webster J. Medical Instrumentation: Application and Design. 3rd
Edition, John Wiley & Sons, INC., 1998.
S. Yang. From Cardiac Catheterization Data To Hemoyinamic
Parameters. Second Edition. F.A Davis Company. Philadelphia,
Pensylvania.1976.
AN ALGORITHM FOR DETERMINATION OF LEFT
VENTRICULAR SYSTOLIC AND DIASTOLIC PRESSURE
ABSTRACT
This article presents an algorithm for the automated calculation of left ventricular diastolic and systolic pressure.
The values are obtained from a pressure signal acquired using a sensor introduced in the heart through
cateterization. The algorithm uses a digital filter to reduce artifacts due to high frequency noise and to obtain the
derivative (dP/dt) signal. Using the maximum and minimum values obtained from the derivative of the signal
and threshold set experimentally, it is possible to obtain accurately the desired values. The algorithm has been
evaluated on simulated data obtaining a correlation coefficient of 0.92 when compared to manually annotated
pressure values.