Sistema Experimental para Transmisión de Señal ECG Comprimida

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MODULO DE ADQUISICION DE SEÑAL ECG PARA TELECARDIOLOGIA Ms.C. Lilia Edith Aparicio Pico
Ing. Carlos Humberto Caicedo Núñez
medicina@udistrital.edu.co
Abstract: This paper shows results of acquisition module for electrocardiographic signal through a sound card of a PC for compresión, protection and transmisión electrocardiographic signal data, moreover a results for tansmission signal are shown too through all system.
Key Words: Vectorial Quantification, error correction, eletrocardiogram, filter, amplifier, sound card.
Resumen: En el presente artículo se muestran los resultados del desarrollo del módulo de adquisición de señal electrocardiográfica a través de la tarjeta de sonido de un PC, para el sistema de compresión, protección y transmisión de datos de señal electrocardiográfica, se muestra además resultados de la transmisión de la señal a través de todo el sistema.
Palabras Claves: Cuantificación Vectorial, corrección de error, electrocardiograma, filtro, amplificación, tarjeta de sonido.
I.
INTRODUCCION
El presente artículo muestra los resultados de la fase experimental del módulo de adquisición de señal para el proyecto de investigación y desarrollo “Sistema de Control de Error para Transmisión de Datos de Señal ECG Comprimida Mediante Cuantificación Vectorial”, desarrollado en varios módulos funcionales. El primero corresponde al módulo de adquisición de señal propuesto en [informe de investigación tesis Edith y chicos], el módulo de compresión desarrollado por Julián Cárdenas [1], [2], que dio como resultado el VQ­VMF (cuantificador vectorial valor medio forma de onda) de señal ECG (señal electrocardiográfica). El sistema de protección contra errores desarrollado por Lilia Edith Aparicio[5],[6],[7],[8] denominado CODEC. En las fases de desarrollo se trabajó con bases de datos de señales ECG ya establecidas, siendo la referencia más importante la base de datos del MIT­BIH y en la fase de experimentación del sistema de transmisión la señal es capturada de un paciente real y se prueba que es posible transmitir los datos libres de error.
En la sección 2 del artículo se muestra el diseño del módulo de adquisición, en la tercera parte replantean los resultados experimentales y finalmente se presentan los resultados y conclusiones del proceso.
2. DISEÑO DEL MÓDULO DE ADQUISICION Toda la teoría desarrollada hasta ahora en el presente trabajo, tiene como propósito sustentar el desarrollo del módulo de adquisición que se complementa con el módulo de transmisión de señal. En Transmisión: Adquisición de la señal ECG, compresión de la señal usando el VQ, codificación del archivo generado por el VQ usando el Codec, transmisión del archivo generado por el Codec. En Recepción: Recepción del archivo generado por el Codec, decodificación del archivo recibido con el Codec, descompresión del archivo generado por el Codec usando el VQ­VMF. 4. Visualización de resultados. El sistema general de transmisión se ha diseñado para que trabaje por niveles de capas, donde cada etapa en una de las dos terminales tiene su etapa dual en el otro extremo de la conexión. Se ha diseñado un software usando LabVIEW [9], [10] que permita integrar los distintos pasos para cada uno de los sistemas. La adquisición de señal ECG se realiza con un hardware que se ha diseñado, en conjunto con una aplicación sobre el software ya mencionado. 2.1. Adquisición de la señal electrocardiográfica
Una señal electrocardiográfica es un registro de la actividad del corazón. Las principales partes de un ECG son: la onda P, una onda más o menos sinusoidal que refleja la descarga eléctrica que se origina y propaga por las aurículas; el complejo QRS, que muestra el paso de la onda eléctrica a los ventrículos y la activación de éstos; y la onda T, señal de la repolarización de los ventrículos. El electrocardiograma es extremadamente útil para el diagnóstico y control de las arritmias cardíacas, de la angina de pecho y del infarto agudo de miocardio. Un sistema completo para la adquisición de la señal ECG comprende: 1. Transductores ubicados estratégicamente para la adquisición de la señal. Es posible implementar mediciones con un sistema de tres derivaciones, para un ECG parcial, que es el que se ha diseñado para este trabajo, o de doce derivaciones para un ECG completo[3].
2. Un conjunto de circuitos electrónicos destinados a la adecuación de la señal. Amplificadores de instrumentación para llevar la señal a un nivel de tensión apropiado, y un sistema de filtrado para dejar únicamente las frecuencias alrededor de la señal de interés. 3. Un circuito electrónico encargado de la cuantificación de la señal analógica a una palabra digital, previo a su envío al PC. 4. Acondicionamiento digital de la señal para realizar la visualización correcta, según los estándares médicos para ECG. En un PC convencional, la señal ECG puede ser adquirida por alguna de las interfaces a periféricos que usualmente ofrecen estos equipos: puerto serial, puerto paralelo, tarjeta de sonido o tarjeta de adquisición de datos. Por motivos de simplicidad en el diseño de la aplicación, se optó por utilizar la tarjeta de sonido para este fin. La tarjeta de sonido recibe señales analógicas, las cuales son cuantificadas dentro del PC. La utilización de esta tarjeta permite suprimir la etapa de conversión digital­análoga del sistema de adquisición. Además de esta ventaja, la mayoría de PC actuales traen consigo una tarjeta de sonido, lo que implica que no es necesario realizar un gasto adicional para obtener esta ventaja. Sin embargo, las limitaciones eléctricas de la tarjeta de sonido limitan la forma en que hay que entregar la señal a este dispositivo. Las limitaciones principales de este modulo son: 1. No es posible realizar medidas de tensión DC. Las tarjetas de sonido usan condensadores en el paso de la señal, de forma que cualquier nivel DC es eliminado. Esto significa también que existe un limite para frecuencias bajas debido a la característica de filtro pasa alto de los condensadores en línea. Este es un detalle de mucho cuidado, ya que la frecuencia más elevada que puede tener una señal cardíaca no excede los 4 Hz, que sería equivalente a 240 palpitaciones por minuto. 2. La impedancia de entrada es baja. Las tarjetas de adquisición de datos reales tienen impedancias de 1 a 10 MΩ En general, las tarjetas de sonido presentan una impedancia de entrada acorde al dispositivo que típicamente se les conecta. Dicha impedancia esta en el orden de 600Ω a 47KΩ. Las medidas se hacen usando la línea de entrada Line­In o se la entrada de Micrófono Mic­In. En la segunda opción, aunque se tiene mayor sensibilidad, el ruido que se induce es muy elevado y puede afectar sensiblemente la señal de interés. Adicionalmente, algunas tarjetas de sonido entregan un nivel de tensión como salida para alimentar el micrófono. Por esta razón, si se usa esta entrada, se hace necesario la implementación de un condensador que aísle dicha tensión del resto del módulo y, más importante aún, del paciente.
3. Las tarjetas de sonido proporcionan un rango de tensión de entrada Line­In de 400mV. Esto implica que el circuito de salida de la señal ECG debe presentar, no sólo una baja impedancia de salida, sino también debe manejar un bajo nivel de tensión para evitar saturar el módulo de entrada al PC. Con las limitaciones expuestas anteriormente, se diseño un circuito de detección de señal ECG, conformado por tres electrodos, seguidos de una etapa preamplificadora, conformada por tres amplificadores de instrumentación. El acople de los electrodos a las entradas de estos amplificadores se hace de manera directa para proporcionar una respuesta óptima en bajas frecuencias y minimizar los efectos de carga. A la salida del preamplificador se coloca un condensador de acople que, junto con una resistencia, forma un filtro pasa altos que sólo deja seguir las frecuencias superiores a 0,05 Hz. La etapa de salida es un seguidor con ganancia y un filtro pasa bajos para atenuar las frecuencias superiores a los 100 Hz. Como el ruido se caracteriza por ser de alta frecuencia, la implementación de dicho filtro reduce el problema de ruido sobre la señal al ruido inducido por la red eléctrica. El circuito de la figura 1 amplifica y filtra la señal electrocardiográfica. Los amplificadores operacionales de este circuito es el LF347. Las especificaciones de este integrado se encuentra en [11]. Figura 1: Circuito para la captura de la señal ECG.
Ya que este circuito es muy pequeño, fácil de implementar y no consume mucha energía, es posible pensar en una alimentación con una batería de nueve voltios. Sin embargo, los amplificadores de instrumentación que se están utilizando requieren de una fuente dual. Por esta razón, se debe incorporar una nueva etapa para obtener los niveles de voltaje necesarios. El circuito implementado para crear la fuente dual consta de dos amplificadores operacionales, un diodo zener y una resistencia, tal como se muestra en la figura 2. Figura 2: Para alimentar con fuente única, es necesario agregar una etapa que funcione como una fuente dual en el circuito.
Las tarjetas de sonido convencionales permiten niveles de voltaje de 400 mVpp a la entrada. De acuerdo a [1] el VQ ha sido implementado para trabajar con señales ECG cuya muestra sobre el pico R coincide con este valor. Las mediciones de voltaje realizadas a la salida del circuito de adecuación de la señal ECG permiten ver que a la entrada de la tarjeta de sonido existe solamente un nivel de voltaje AC que varía entre 140 y 70 mVpp, niveles de voltajes que, como se verá en el capítulo 4, no aceptables para el VQ, por lo que se requiere una etapa adicional de amplificación sobre la señal que se esta obteniendo. Dicha amplificación se puede realizar tanto por hardware como por software; sin embargo, para no aumentar el tamaño físico del circuito implementado hasta este momento, esta parte del acondicionamiento se realiza por software. Ya que la adquisición de la señal se va a realizar con ayuda del computador, el software que se utilice será el responsable de controlar y administrar los recursos del equipo, presentar los datos, y realizar un análisis sobre las muestras, de ser requerida esta labor. Para los sistemas de adquisición de datos se necesita de un software de instrumentación, el cual sea flexible para futuros cambios y mejoras respecto a la propuesta inicial. Para la aplicación de interés, LabVIEW, Laboratory Virtual Instruments Electronic Workbench, es el software en el cual se han implementado los algoritmos de toma de datos, y de interfaz con los otros módulos del sistema. En el presente documento, no se pretende dar una visión extendida del software. El lector interesado puede consultar en [10]. Al usar LabVIEW se puede configurar la tarjeta de sonido de acuerdo a tres aspectos fundamentales, los cuales son: 1. Velocidad de muestreo. La tarjeta de sonido ofrece cuatro tasas de muestreo: 8000, 11025, 22050 y 44100 muestras por segundo, pero para la aplicación todas ellas son muy elevadas: en el diseño del VQ, se especificó que la señal ECG requiere ser muestreada a una tasa de 500 muestras por segundo. Para cumplir este fin la tarjeta de sonido es configurada a la velocidad más baja (8000 muestras por segundo), y posteriormente, los datos obtenidos son sub muestreados a una tasa de 1 por cada 16, para obtener la tasa de muestreo buscada sobre la señal ECG. Esto se realiza con el VI `Decimate 1D Array', el cual permite que de las 8000 muestras recogidas se forme un arreglo que contiene las muestras que sean múltiplos de 16.
2. Bits por muestra. LabVIEW permite configurar la tarjeta de sonido para recoger muestras de 8 0 16 bits. La especificación del VQ requiere trabajar con datos de 8 bits, por lo que se configura la palabra de cuantificación a esta medida. 3. Tamaño del buffer. Indica la cantidad de muestras que van a ser transmitidas al VQ. Una vez adquirida la señal, y acondicionadas las muestras con ayuda del software, la información recogida es entregada a la etapa de compresión de datos por cuantificación vectorial donde se sigue el procesamiento de la señal. LabVIEW permite interactuar con MATLAB, por lo que es posible utilizar los algoritmos ya desarrollados para este fin. LabVIEW también permite utilizar programas externos, por lo que la interfaz al Codec también se realiza con el mismo paquete. Finalmente, para la transmisión del archivo, LabVIEW permite manejar el modem a nivel de comandos AT, por lo que esta etapa se reduce a un ejercicio de programación sobre el dispositivo.
3. EXPERIMENTACION DEL MODULO DE ADQUISICION
3.1. Acople de datos al cuantificador vectorial
El módulo propuesto para la captura de la señal ECG obtiene datos bioeléctricos cuantificados a 8 bits, a una tasa de 500 muestras por segundo. Sin embargo, estos requisitos no son suficientes para conseguir un acople adecuado con el cuantificador vectorial. Ahora bien, de acuerdo a [4], existen en el mercado equipos para adquisición de señal ECG que codifican la señal con 12 o 16 bits. La limitación presentada por el cuantificador vectorial en esta aplicación impediría que dichas señales fueran tratadas por el sistema en cuestión. Con esto presente, no sólo se restringe la palabra a la cuantificación de 8 bits, sino que adicionalmente debe presentarse para que los parámetros de la señal coincidan con los definidos previamente en el libro de códigos, y explicados en [\cite{tesisj}].
Figura 3: Una señal a una escala distinta a la predeterminada por el cuantificador puede ocasionar una modificación de la señal al ser tratada por este sistema.
Así mismo, el formato en el cual debe guardarse el archivo de la señal capturada debe ser compatible con los requisitos del cuantificador vectorial. Una propuesta interesante, para un trabajo de desarrollo posterior, sería la implementación de un traductor que permitiera la lectura de señales ECG guardadas en distintos formatos, y generará un archivo con una señal equivalente a la original, pero con el formato y los requisitos necesarios para el correcto funcionamiento del VQ. Con esto en mente, se modifica la señal que se captura inicialmente, y se procede a la aplicación al libro de códigos. Los resultados, si bien mejoran respecto a la versión original, siguen modificando características importantes de la señal inicial. La figura 3 muestra esta situación. A pesar de tener una señal original que responde a los requisitos del VQ, la cuantificación altera el resultado inicial. Independientemente de lo que podría deducirse hasta ahora, el cuantificador vectorial presenta varias ventajas al momento de presentar la señal, que son bastante interesantes. Si se trabaja en la escala correcta, una de las características más destacadas del sistema es que el VQ esta basado en formas de onda de señales ECG, por lo que los libros de códigos que lo componen están diseñados para que la señal de entrada sea comparada con formas pre establecidas. Esto produce que el VQ actúe, entre otras formas, como filtro sobre la señal ECG que ha sido capturada por el canal. Dicho fenómeno de filtrado se aprecia en la figura 4. Figura 4: Si se trabaja en la escala correcta, el cuantificador vectorial no sólo respeta la forma de onda de la señal ECG, sino que además actúa como filtro para la misma.
Hasta el momento se ha podido observar como el cuantificador vectorial necesita un formato específico, de datos, y se ha podido comprobar las virtudes del sistema cuando se satisfacen los requisitos sobre los cuales fue diseñado inicialmente. Un inconveniente adicional que se tiene hasta el momento es la presentación de la señal por parte del cuantificador. Las señales entregadas al cuantificador vectorial han sido acondicionadas por software para cumplir con los requisitos impuestos por este dispositivo. La tasa de compresión que ofrece el cuantificador vectorial para señales de poca duración (como las que se están manejando en este proyecto) es superior a la relación 10:1. No sólo se tiene entonces implementado un sistema de captura de señal ECG, sino que se ha corroborado, en este punto, el resultado teórico formulado en [1] sobre el cuantificador, cumpliéndose de esta manera uno de los objetivos plateados para el presente trabajo. Así mismo, esta implementación práctica de dicho trabajo muestra puntos para mejorar en este sistema, con el fin de hacer todavía más útil y robusto. 3.2. Transmisión y recepción de archivos.
La transmisión de archivos se realiza por medio de LabVIEW, dando instrucciones AT a los modems para que transmitan (reciban) grupos de bytes. De acuerdo a [5], el codificador de canal no altera la señal y permite su correcta recuperación, según lo entregado por el cuantificador vectorial. La figura 5 muestra el resultado de una de las pruebas de transmisión. La figura 6 muestra la imagen obtenida cuando al cuantificador vectorial se le ingresa una señal que no puede interpretar de manera correcta, el resultado antes de la codificación en transmisión, y el resultado después de la decodificación y la descompresión, coinciden. Figura 5. Señal que se procesa a través del sistema
Figura 6: Señal ecg procesada y corregida a través del sistema.
4. ANALISIS DE RESULTADOS El sistema propuesto inicialmente en [6] tiene en este trabajo su primera implementación física. El prototipo aquí presentado, sin embargo, requiere de mejoras adicionales antes de ser considerado completamente funcional. Entre estas mejoras se destacan las siguientes: El centro del sistema son dos programas desarrollados sobre software costoso. El cuantificador vectorial funciona en MATLAB y el módulo propuesto bajo LabVIEW, Por tanto, se espera que futuros desarrollos traduzcan tanto el cuantificador vectorial, como el módulo que aquí se presenta, para permitir su libre distribución. El sistema, tal como está propuesto, sólo acepta el libro de códigos del cuantificador vectorial de [1] y el codec en [5]. El Codec que se está utilizando requiere de la intervención del usuario para la selección del archivo a codificar, así como de la selección del archivo a decodificar. Para implementar el sistema en un centro de salud, es necesario que una base de datos relacione el teléfono que origina la llamada y transmite los datos, con el paciente respectivo, para guardar los resultados del ECG en su respectiva carpeta. Esto permitiría al sistema manejar varios usuarios al mismo tiempo, y al especialista concentrarse únicamente en la revisión de resultados, sin preocuparse por la recepción y clasificación de los mismos. El sistema propuesto sólo puede transmitir archivos por vía telefónica. Hay que suministrar al programa la habilidad de trabajar sobre un entorno LAN, con tecnologías distintas a la que ofrece la red de telefonía pública. La presentación de los datos se realiza de acuerdo a la escala que adopte el VQ, la cual depende a su vez del número de datos que han sido muestreados. Se requiere que el sistema presente siempre una escala uniforme, sin que esta dependa de la cantidad de información que se esta trabajando. El modelo propuesto aquí esta dirigido exclusivamente a la señal cardíaca. Se espera que el desarrollo presentado durante toda la investigación sea copiado para otro tipo de señales. La tarjeta de adquisición de datos que se ha diseñado para la captura de la señal ECG, debe ser mejorada para obtener un mejor resultado en el examen. Así mismo, el modulo propuesto requiere que el paciente esté conectado, por medio de la tarjeta, al PC mientras se realizan las pruebas, por lo que se podría implementar un circuito de carácter electrónico que permita realizar la transmisión entre la tarjeta de adquisición y el PC de forma inalámbrica. 6. Conclusiones
1. El modelo presentado en [5] resulta ser correcto al momento de la implementación física, para la protección de la señal ECG, comprimida mediante cuantificación vectorial, cuando se es transmitida a través de un canal ruidoso.
2. La necesidad de un protocolo de transmisión­recepción se hace evidente al momento de considerar la implementación sobre un hospital, con recepción de señales ECG de varios pacientes al mismo tiempo.
3. El cuantificador vectorial presentado en [1] presenta la ventaja de limpiar la señal obtenida luego del proceso de muestreo. Tiene el problema que requiere un tipo de dato específico dentro de un rango determinado, limitando de esta forma la calidad de la función de muestreo. 4. La presentación que realiza el cuantificador vectorial debe ser modificada para que la escala que se ilustra sea siempre la misma. 5. El canal ECG que se propone para esta aplicación, si bien cumple su objetivo inicial de capturar una señal ECG para realizar las respectivas pruebas al sistema, debe ser mejorado con el fin de obtener una señal más adecuada, previa a la compresión. 6. El sistema propuesto en este trabajo, y el software que lo soporta, debe traducirse de manera que se permita su libre divulgación. [1] Cárdenas B. Julian "Compresión de Datos Electrocardiográficos Empleando Cuantificación Vectorial", Universidad Central de Las Villas, 1998.
[2] Cárdenas J. and Lorenzo,"ECG data compression by vector quantization", V International Symposium on Biomedical Engineering, in proceedings refcar, Santiago de Compostela", 1994.
[3] Natividad Tobón Medina, guiaecg, "Guía Práctica de Electrocardiografía", Universidad del Valle, 1991.
[4] biodig,"Biomedical Digital Signal Processing",Willis J. Tompkins",
Prentice Hall, 1993.
[5] Aparicio Edith, "Sistema de control de errores para la transmisión de datos electrocardiográficos comprimidos mediante cuantificación vectorial",
Universidad Central de las Villas, 2003.
[6] Aparicio Edith, Arco Pedro, “Sistema de Control de errores para transmisión de señal ecg comprimida”, Primer Congreso Internacional de Telemedicina, España, 2001.
[7] Aparicio Edith, Arco Pedro, “Sistema de corrección de errores para señal ecg comprimida”, rev. Ingeniería Vol 5, año 2000, Universidad Distrital
[8] Aparicio Edith, Pedro Arco, “Sistema de transmisión de señal electrocardiográfica comprimida”, Tercer Congreso Virtual de Telecardiología, Argentina 2003.
[9] ,Jeffrey Travis, manuallab, "LabVIEW for Everyone", Prentice Hall, 2001.
[10] Gary {W}. {J}ohnson and {R}ichard {J}ennings, labgrap,"LabVIEW Graphical Programming, McGraw­Hill Professional, 2001.
[11] Manual national, "National Operational Amplifiers Databook, National Semiconductor, 1995.
C.V. Lilia Edith Aparicio Pico: Magíster en Teleinformática, Profesor Titular Universidad Distrital, Directora Grupo GITEM, Coordinadora Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. medicina@udistrital.edu.co
Carlos Humberto Caicedo: Ingeniero Electrónico, miembro Rama estudiantil IEEE Universidad Distrital, miembro Grupo GITEM.
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