Sensor inalámbrico de ECG conectado vía Bluetooth a aplicación de análisis automático en el ...

154 Pages·2016·6.68 MB·Spanish

by  Antonella Sgarlatta

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CÓRDOBA
FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, FÍSICAS Y NATURALES
FACULTAD DE CIENCIAS MÉDICAS
INGENIERÍA BIOMÉDICA
PROYECTO INTEGRADOR
Sensor inalámbrico de ECG conectado vía Bluetooth
a aplicación de análisis automático en el teléfono
móvil
Autora:
Antonella SGARLATTA
Matrícula:
36680972
Asesores:
Ing. Oscar CÁCERES
Dr. Marcos GAUDIANO
Córdoba, diciembre de 2016

Resumen
En el presente Proyecto Integrador se buscó desarrollar una alternativa al mé-
todo más tradicional de monitoreo ambulatorio de la señal de electrocardiograma
(elmonitorHolter),quelograracompensaralgunadelasdesventajasqueéstepre-
senta, tales como la imposibilidad de detectar arritmias de frecuencia esporádica,
la carencia de un feedback inmediato tanto para el paciente como para el médico
y la incomodidad para el paciente.
Se construyó un prototipo de sensor de ECG ambulatorio utilizando la placa
de adquisición para la señal AD8232 de Sparkfun, un microcontrolador PIC y un
módulo Bluetooth para enviar los datos al smartphone.
Para posibilitar la detección de arritmias se requería un método de clasifica-
ción de los latidos. Para ello entrenó un modelo de aprendizaje automático, en
particular una red neuronal, utilizando ejemplos de una base de datos pública de
señales de ECG presentando diferentes tipos de arritmia, la MIT-BIH Arrhythmia
Database. Previamente al entrenamiento se extrajeron características de cada lati-
do realizando un Análisis de Componentes Principales. El modelo final alcanzado
mostró un buen desempeño, del 98.1%, sobre ejemplos no vistos.
Se desarrolló una aplicación para smartphones Android, que recibe la señal
enviada por Bluetooth, la grafica para permitir su visualización, la analiza conti-
nuamenteparabrindarinformaciónrelativaalasclasesdelatidosyalafrecuencia
cardíaca y permite al paciente ir anotando los síntomas experimentados. Al detec-
tar una arritmia la app brinda una alerta al usuario, envía un correo electrónico
al médico con la señal de la última hora y la información adjunta, y en caso de
tratarse de una situación grave, da aviso a un familiar. Se diseñó asimismo un vi-
sualizador para permitir al médico abrir y ver los datos contenidos en el archivo
recibido por correo.
Se probó el sensor junto con la aplicación utilizando un simulador de ECG.
Se realizó una calibración de la señal graficada y se evaluó el desempeño de la
app para calcular la frecuencia cardíaca y clasificar los latidos. Se obtuvieron re-
sultados satisfactorios, y se proponen múltiples proyectos a futuro para continuar
llevando adelante la propuesta.

Agradecimientos
A mi familia: mis padres Patricia y Héctor, mi hermana Florencia y mis abuelos
María, Juana, Desiderio y Héctor, por darme la oportunidad de estudiar lo que me
gusta, apoyarme incondicionalmente e impulsarme a seguir adelante ante cada
dificultad.
A mi novio Joaquín, por ser mi gran compañía en cada momento desde el princi-
pio.
A mis amigos, por todas las situaciones de risas compartidas a lo largo de estos
años.
A mis asesores de este Proyecto Integrador, por ayudarme a alcanzar este objetivo
y guiarme en el proceso.
Al departamento de Mantenimiento Biomédico del Hospital Municipal de Urgen-
cias, por cederme el espacio y el equipo.

Tabla de contenidos
Tabla de contenidos
Resumen III
Agradecimientos V
1. Introducción, objetivos y antecedentes de propuestas similares 1
1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2. Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3. Antecedentes de propuestas similares . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1. Antecedentes nacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2. Antecedentes en el exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. Marco teórico 7
2.1. Conceptos básicos de anatomía y fisiología del corazón . . . . . . . 7
2.1.1. Consideraciones anatómicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2. Propiedades eléctricas del músculo cardíaco . . . . . . . . . 8
Potencial de membrana en reposo . . . . . . . . . . . . . . . 9
Potencial de acción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3. Sistema de excitación y conducción eléctrica del corazón . . 13
2.2. El electrocardiograma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1. Derivaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Derivaciones bipolares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
VII
Derivaciones unipolares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2. El electrocardiograma normal . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3. Arritmias y trastornos en la conducción . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1. Arritmias con ritmo sinusal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Arritmia sinusal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Bradicardia sinusal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Taquicardia sinusal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2. Arritmias supraventriculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Extrasístoles supraventriculares . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Taquicardia paroxística supraventricular . . . . . . . . . . . 23
Aleteo auricular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Fibrilación auricular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.3. Arritmias ventriculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Extrasístoles ventriculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Taquicardia ventricular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Fibrilación ventricular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.4. Bloqueos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Bloqueo sinoauricular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Bloqueo auriculoventricular . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Bloqueos de rama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4. Monitoreo ambulatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3. Adquisición, digitalización y transmisión de la señal 33
3.1. Características de la señal de ECG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2. Adquisición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.1. Electrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.2. Cable para electrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.3. Placa “SparkFun Single Lead Heart Rate Monitor - AD8232” 40
Alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Amplificador de instrumentación y filtro pasa-alto . . . . . . 42
Masa virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Circuito de pierna derecha o Right Leg Drive (RDL) . . . . . 47
Circuito de establecimiento rápido . . . . . . . . . . . . . . 48
Filtro pasa-bajo y ganancia adicional . . . . . . . . . . . . . 48
3.3. Digitalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4. Transmisión vía Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5. Consumo de corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6. Medidas de seguridad eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.7. Costo de fabricación del prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4. Clasificación de los latidos cardíacos 65
4.1. Conceptos previos: aprendizaje automático y redes neuronales arti-
ficiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2. Base de datos “MIT-BIH Arrhythmia Database” . . . . . . . . . . . . 70
4.3. Set de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4. Extracción de características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.1. Características morfológicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.2. Características temporales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5. Red neuronal artificial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.6. Entrenamiento de la red y selección de hiperparámetros . . . . . . 84
4.7. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5. Aplicación para Android 91
5.1. Servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1.1. Recepción de datos por Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.1.2. Filtrado de la señal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.1.3. Detección de latidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.1.4. Extracción de características y clasificación de latidos . . . . 96
5.1.5. Determinación de frecuencia cardíaca . . . . . . . . . . . . 97
5.1.6. Cálculo de resumen por hora . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.1.7. Detección de actividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.1.8. Alertas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2. Interfaz de usuario (actividades) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.1. Inicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.2. Actividad principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Latidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Frecuencia cardíaca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Resumen por hora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Historial de alertas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Diario de síntomas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Ajustes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.3. Visualizador de archivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6. Resultados 115
6.1. Calibración de la señal y evaluación de filtros . . . . . . . . . . . . 116
6.2. Evaluación de determinación de frecuencia cardíaca y clasificación
de latidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2.1. Ritmo sinusal normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2.2. Bradicardia sinusal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2.3. Taquicardia sinusal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.2.4. Extrasístoles supraventriculares . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.2.5. Extrasístoles ventriculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7. Conclusión y propuestas a futuro 131
7.1. Conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.2. Propuestas a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Bibliografía 135