ECG-PCG Simultáneo (SCG): Un viejo

ECG-PCG Simultáneo (SCG): Un viejo-nuevo método para diagnóstico del corazón
Ing. Julio César García.
e-mail : [email protected]
Agosto de 2000
Resumen
Aunque el corazón humano ya ha sido
estudiado ampliamente, se retoman dos
tradicionales métodos para el diagnóstico de
enfermedades
del
corazón
(el
electrocardiograma y la oscultación) para
que, con ayuda de herramientas de
procesamiento digital de señales, nos brinde
mayor información acerca de la actividad
cardiaca y un método económico y rápido
de diagnóstico. Aunque en este trabajo se
trata completamente con el corazón
humano, sus aplicaciones van al área de la
Biología y la telemedicina, donde el acceso
a un medio de comunicación y la noinvasividad hacia el paciente a ser
examinado juegan un papel fundamental.
Palabras clave:
Sincrocardiograma (SCG)
Electrocardiograma (ECG)
Fonocardiograma (PCG)
Telemedicina
Telebiología
1. Introducción
El grupo de investigación “Seguimiento del
Corazón Via Satélite” (SCVS), dirigido por
el Doctor Jorge Reynolds Pombo, utiliza
dos medios no-invasivos para detectar la
actividad cardiaca de las grandes ballenas:
Electrocardiografía y Fonocardiografía
remota. Aunque se han tenido algunos
resultados sobre la señal eléctrica [2] y
acústica [3], estos registros no se han
podido tomar simultáneamente. Este trabajo
parte del corazón humano, debido a que ya
se han determinado varias similitudes entre
éste y el corazón de las grandes ballenas [3].
2. Qué es un SCG? [1]
Una gráfica de la señal eléctrica simultánea
con los sonidos del ciclo cardiaco la
denominaremos sincrocardiograma (SCG).
Los diagramas de la actividad eléctrica y de
la actividad mecánica tiene una relación
significativa, proporcionando información
valiosa. La despolarización eléctrica
conlleva a una contracción en la que están
involucradas las válvulas y esto produce
sonidos característicos según el momento.
Sólo el electrocardiograma indica cual es la
secuencia, intensidad y frecuencia con que
aparecen los impulsos nerviosos que
controlan las contracciones, permitiendo ver
la presencia de algunas anomalías en el
funcionamiento eléctrico del corazón. Por
otro lado el PCG indica si las válvulas están
cumpliendo bien su función de cerrado y
apertura.
Al relacionarse la información entregada
por los dos instrumentos, se tienen algunos
parámetros de diagnóstico en humanos tales
como (figura 1):
• Relación S4-onda P. El sonido S4 del
PCG incide al final al final de la onda P
y precede la onda Q del ECG.
• Relación S1-onda QRS. La componente
M1 del PCG coincide con el descenso
del intervalo RS del ECG.
• Relación S2-onda T. El sonido S2 del
PCG coincide con el final de la onda T
del ECG, es decir cuando sucede la
repolarización
de
aurículas
y
ventrículos.
•
•
Tiempo de eyección (ET). Corresponde
al tiempo de expulsión de la sangre del
ventrículo hacia las arterias, y
comprende desde el final de S1 hasta el
inicio de S2 del PCG.
Periodo
de
pre-eyección
(PEP:
PreEyection Period). Este periodo
representa el instante entre la
despolarización
eléctrica
y
la
contracción mecánica de los ventrículos.
Se determina restándole el tiempo de
eyección (ET), al tiempo comprendido
entre el inicio del complejo QRS del
ECG y el inicio de S2 del PCG (QS2).
PEP=QS2-ET
FIGURA 1. Sincrocardiograma (SCG).
3. El SCG como
Diagnóstico.
método
de
Varias enfermedades cardiacas afectan la
forma de las señales SCG en distintas
formas, lo que hace del registro del ECG y
PCG simultáneo (SCG) una buena técnica
de diagnóstico. Un aspecto importante
radica en la detección de patologías
relacionadas con las deformaciones sobre
los dos registros, además de la detección de
patrones correlacionados que no se pueden
observar si se toman los dos registros por
aparte. Otro aspecto importante es brindar la
misma información que suministran otros
equipos tales como ecocardiogramas, con
un menor tamaño de datos, siendo esto útil
para aplicaciones en Telemedicina y
Telebiología. Además se toma un viejonuevo método para realizar estimaciones de
la forma, volumen y actividad del corazón
de forma no-invasiva, siendo útil para el
registro en lugares remotos o en
conservación de especies silvestres.
4. Descripción general del
instrumento.
4.1 Sensores.
Para registrar el ECG se colocan sobre la
piel electrodos que son placas metálicas
unidas a cables que se conectan al
electrocardiógrafo, donde es posible
observar el vector cardiaco desde diferentes
puntos. Los electrodos actúan como
transductores capaces de convertir los
potenciales iónicos en tensiones eléctricas.
Los electrodos más comúnmente utilizados
son los de tipo flotante, cuyo principio es el
de eliminar los problemas de movimiento
evitando cualquier contacto directo del
metal y la piel con un gel conductor
(saturada en sal) o pasta electrolítica, que
forma un puente conductor.
Para registrar el PCG se utiliza un
micrófono. Un micrófono muy ruidoso y de
baja ganancia llevaría a construir un
amplificador complejo y con filtros muy
precisos, afectando así los registros que se
vayan a tomar. Generalmente se utilizan de
cristal (de efecto piezoeléctrico) pues éstos
ofrecen mayor sensibilidad. Se utiliza un
estetoscopio para fijar el micrófono,
amplificando y aislando los sonidos a
registrar por el Fonocardiógrafo, evitando el
ruido debido a rozamiento del micrófono
con la piel y, debido a su forma cónica,
sirve como caja de resonancia. Como las
cavidades por donde se ubica el micrófono
en los estetoscopios estándar son pequeñas,
el tamaño del micrófono es otro parámetro a
tener en cuenta.
4.2 Amplificadores.
La figura 2 ilustra un diagrama de bloques
de los amplificadores requeridos para la
detección de las señales ECG y PCG.
Básicamente esta etapa se compone de:
Pre-amplificadores.
Filtros.
Amplificador de Instrumentación.
Referencia las señales flotantes.
Amplificador de Aislamiento.
Compensadores.
Amplificador de Potencia.
•
•
•
Formato de datos: Enteros de 16 bits
(Truncados a 12).
Duración de un muestreo completo de
datos antes de ser guardados en archivo:
10 seg.
Filtros IIR: Elíptic SBF (ECG),
Butterworth LPF (PCG)
Figura 2 Amplificación SCG.
Para el ECG se determinó de acuerdo a [1]
una ganancia total de 72dB
Para el PCG se determinó de acuerdo a [1]
una ganancia total de 96 dB.
Figura 3. Adquisición de datos SCG.
4.3 Conectores.
Se utlizan conexiones tipo plug para evitar
la mayor influencia externa de ruido
posible. Para el ECG, los cables de los
electrodos RA y LA están apantallados y
trenzados entre sí y el cable del electrodo de
RL. Para el PCG, los cables del micrófono
están apantallados. De igual forma están los
cables que van de las salidas de los
amplificadores hacia los pines. Esto se hace
debido a que la mayor causa de influencia
de ruido la hace el computador y las
conexiones a los pines de la tarjeta.
6. Aplicación Multimedia.
Al ser guardados los datos adquiridos, se
tienen dos archivos cuyos datos están
síncronos en el tiempo. Estos archivos los
denotamos con extensiones *.ecg y *,pcg
que corresponden a cada canal. De estos
archivos obtuvimos dos aplicaciones: Una
para sonido (archivo con extensión *.wav
[1], [4]) y otra para imágenes (mapa de bits
[1]). Estas aplicaciones se realizaron en
C++ BUILDER.
7. Resultados.
5. Adquisición de datos.
Se utilizó la tarjeta LabPC+ de NATIONAL
INSTRUMENTS [1] y el software
LABVIEW para la adquisición de datos con
las siguientes referencias:
• Tipo de adquisición: Referenciado
(RSE).
• Canales: 2 (ECG y PCG)
• Frecuencia de muestreo: 11025 Hz
(PCG), 441 Hz (ECG).
7.1 Simulación.
Se refiere a realizar las pruebas de SCG,
pero no completamente sobre la persona a
evaluar. Para hacer esto, utilizamos un
simulador de ondas ECG PHILIPS ECG
SIMULATOR como entrada al canal ECG.
Para el PCG, utilizamos la señal
proveniente de la persona.
•
Figura 4. SCG en simulación.
•
Figura 5. Espectrograma PCG. Nótese las
lineas negras contínuas pertenecientes a
ruidos de fondo.
7.2 “IN VIVO”.
Se refiere a realizar el SCG, sobre la misma
persona. Se ilustran en la figura 8 el
sincronismo entre la onda ECG y PCG.
Figura 8. SCG “IN VIVO”.
8. Conclusiones.
•
El diseño y la implementación de un
dispositivo de detección, amplificación
y procesamiento de señales eléctricas y
acústicas del corazón han sido
realizados. El diseño considerado es un
mínimo de lo que se requiere para un
dispositivo. Para su diseño estándar
(ECG 12 derivaciones, por ejemplo) se
consideran más aspectos que se deben
tomar en cuenta para posteriores
trabajos.
Debido a la alta ganancia de los
amplificadores, el nivel de ruido desde
el transductor (Ya sean los electrodos o
el micrófono) es relevante. Aunque se
obtuvieron resultados y al SCG se le
pudo eliminar el ruido, desde el mismo
transductor se presenta un ruido aditivo
que puede ser prevenido.
Las herramientas de procesamiento de
señal utilizadas en este trabajo pueden
ser
tomadas
como
base
para
aplicaciones de Inteligencia Artificial
(Redes Neuronales, Lógica Difusa) para
el reconocimiento de patrones, tanto los
ya conocidos, como otros que no puedan
ser detectados con una de las dos
señales.
7. Referencias
[1]
GARCIA, JULIO. “Implementación
de un instrumento de procesamiento de
señales eléctricas y acústicas del corazón”.
Tesis Universidad de los Andes. 2000.
[2]
VILLA, Jose Luis. Reynolds
Pombo, Jorge. “Caracterización de la señal
ecg de la ballena jorobada”. SCVS. Junio
1999.
[3]
DAVIES, Susan. Pardo Buitrago,
Carolina. “Procesamiento de señales
acústicas para la obtención de la huella
espectral fonocardiográfica de la ballena
jorobada
Megaptera
Novaeangliae
(Borowski 1781)”. Tesis Universidades de
los Andes y Javeriana. Santafé de Bogotá
1998.
[4]
RYAN, Rob. Shuler, Robert.
“General riff file background. Riff wave
(*.wav) file format”. Brown University.
www.wotsit.org. 1995.
9. Autores
Julio César Garcia Alvarez, es
estudiante de Maestría en Ingeniería
Electrónica en la Universidad de los Andes.
Es Ingeniero electrónico de la Universidad
Nacional. Sus áreas de interés son el
tratamiento
de
señales
y
las
comunicaciones.
e-mail: [email protected]