Sistema para digitalización del electrocardiograma e historia médica computarizada aplicada a cardiología

Nelson Dugarte J^1,2, Diego Jugo², Vincenzo Raimondi¹

¹ Laboratorio de Instrumentación Científica de Medicina (LIC-M) de la ULA. Calle 32, entre avenida 4 y Don Tulio. Edificio de Microscopia Electrónica. Mérida, estado Mérida. Venezuela Teléfono: 0274-2403171. E-mail: nelsond@ula.ve. ndj0227@gmail.com.

² Grupo de Ingeniería Biomédica de la ULA (GIBULA). Avenida Don Tulio, Facultad de Ingeniería, Postgrado en Ingeniería Biomédica de la Facultad de Ingeniería. Mérida, estado Mérida. Venezuela.

RESUMEN

Este trabajo presenta el desarrollo de un sistema formado por dos partes. La primera parte consiste en un módulo hardware diseñado para digitalizar el electrocardiograma (ECG) de cualquier electrocardiógrafo con salida analógica, y transmitir los datos a un computador personal (PC). La segunda parte del sistema consiste en un software programado en el computador, que tiene por finalidad manipular y almacenar los datos del paciente y el registro del ECG obtenido, en un formato de historia médica computarizada aplicada a cardiología. Entre las tareas que realiza el sistema se pueden nombrar: adquisición y muestreo de la señal ECG proveniente del electrocardiógrafo analógico, transmisión en forma serial al computador, visualización de la señal en tiempo real, almacenamiento digital de la historia médica de cada paciente, así como de cada una de las consultas y registros de ECG realizados, y generación de reporte para la impresión en papel de las 12 derivaciones electrocardiográficas. Como resultado de este trabajo se construyó un prototipo, el cual se encuentra actualmente en validación clínica en el Hospital Universitario de Los Andes. Este sistema ayuda a modernizar los antiguos electrocardiógrafos analógicos, transformándolos en electrocardiógrafos digitales de bajo costo, con todas las ventajas de los equipos de última generación. Además, permite el almacenamiento ordenado de las historias médicas de los pacientes, con fácil acceso a cada una de las consultas y los registros de ECG realizados con anterioridad.

Palabras clave: Instrumentación biomédica, Electrocardiógrafo computarizado, Electrocardiograma digital, Historia médica de cardiología.

SUMMARY

This work presents the development of a system formed by two parts. The first part consists on a module hardware designed to digitize the electrocardiogram (ECG) of any electrocardiograph with analog exit and to transmit the data to a personal computer (PC). The second part of the system consists on a software programmed in the computer that has the purpose of manipulate and store the patient’s data and also perform the registration of the obtained ECG, this data is taken in a format of on-line medical history applied to cardiology. Among the tasks that carries the system can be named: Acquisition and sampling of the sign ECG coming from the analog electrocardiograph, transmission in serial form to the computer, visualization of the sign in real time, digital storage of each patient’s medical history, as well as of each one of the consultations and registrations of carried ECG, and report generation for the impression in paper of the 12 derivations of ECG. As result of this work, a prototype was built, which is at the moment in clinical validation in the University Hospital of The Andes. This system helps to modernize the old analogical electrocardiographs, transforming them in digital electrocardiographs of low cost, with all the advantages of the teams of last generation. It also allows the orderly storage of the medical histories of the patients with easy access to each one of the consultations and the registrations of ECG carried out previously.

Key words: Biomedical instrumentation, on-line Electrocardiograph, digital Electrocardiogram, medical History of cardiology.

INTRODUCCIÓN

En épocas recientes, el hombre moderno se ha visto afectado enormemente por las enfermedades cardiovasculares, llegando a constituir una de las primeras causas de muerte en la población mundial (1); por consiguiente, es de suma importancia el estudio de las patologías cardiacas, destacándose para estos casos el uso del electrocardiógrafo (2).

El electrocardiógrafo es un instrumento médico que muestra el funcionamiento eléctrico del corazón mediante el registro de potenciales tomados en la superficie del cuerpo. Las señales captadas por el electrocardiógrafo son trazadas en un registro continuo denominado electrocardiograma (ECG) (3). La evaluación del electrocardiograma permite al médico diagnosticar rápida y de forma no invasiva, el estado en que se encuentra el sistema cardiovascular del paciente (4).

Las técnicas que el hombre ha utilizado para tratar de comprender el sistema cardiovascular en el cuerpo datan de épocas tan remotas como la medicina del antiguo Egipto. Los trabajos que aportaron la mayor contribución al estudio de la electrocardiografía fueron realizados por el danés Willem Einthoven Ueber, quien se dio cuenta de que podía medir las señales eléctricas generadas por el movimiento de cargas que se producen en el cuerpo como consecuencia de la contracción del corazón. En 1893, Einthoven introduce el término “electrocardiograma” en una reunión de la Asociación Médica holandesa y para 1905 hace la primera transmisión de un electrocardiograma vía telefónica, desde el hospital a su laboratorio, a 1,5 km, en un primer intento de hacer telecardiología (5).

Los electrocardiógrafos de primera generación sólo realizan el procesamiento analógico de la señal ECG (amplificación, filtrado, trazado en papel, etc.), motivo por el cual se denominaron electrocardiógrafos analógicos. Estos instrumentos fueron evolucionando hacia los electrocardiógrafos digitales los cuales, además del procesamiento analógico, realizan la digitalización de la señal, lo que permite efectuar tareas tales como el almacenamiento, procesamiento y transmisión digital de la señal ECG.

En la actualidad, los sistemas computarizados utilizan técnicas de análisis avanzadas para realizar diagnósticos más precisos, reducir el tiempo de trabajo de los cardiólogos, e incrementan constantemente los conocimientos científicos involucrados en esta especialidad de la medicina (6).

MATERIALES Y MÉTODOS

El sistema desarrollado para la digitalización del ECG e historia médica computarizada está estructurado en dos partes. La primera parte consiste en el diseño de un hardware, que acopla el electrocardiógrafo analógico al PC. La segunda parte del sistema trata sobre el software desarrollado, que se instala en el PC con la finalidad de visualizar, manipular y almacenar tanto el registro ECG como los datos que conforman la historia médica del paciente.

Descripción del hardware

El hardware (figura 1) viene a constituir la primera etapa de funcionamiento del sistema. El mismo está constituido por un módulo de interfase que funciona en conjunto con el electrocardiógrafo analógico y permite realizar la comunicación de datos con el computador personal. El módulo de hardware está conformado por una etapa de acondicionamiento de la señal, seguida de una etapa de conversión analógica/digital comandada por un microcontrolador (7), y por último la etapa que corresponde a la Interconexión necesaria para establecer la comunicación de datos con el PC.

El funcionamiento general del sistema se describe en cuatro pasos: en primer lugar se digitaliza la señal ECG proveniente del electrocardiógrafo (8); en segundo lugar se transmite la información al computador; en tercer lugar se presenta gráficamente la señal en un formato estandarizado en la pantalla del computador; y por último se tiene la opción de guardar la información en la base de datos  e imprimir el ECG en papel común tamaño carta. Ademásdel manejo de la señal ECG, el sistema permite almacenar la información básica requerida en el historial médico de cardiología. Los dos primeros pasos son ejecutados por el hardware del sistema; el tercer y cuarto paso son realizados por el software instalado en el computador.

Acondicionamiento de la señal

El acondicionamiento de la señal proveniente del electrocardiógrafo es la primera etapa de funcionamiento del hardware del sistema. Esta etapa, descrita en el diagrama de la (figura 2), consiste en un circuito activo compuesto por un amplificador operacional en una configuración de sumador, el cual tiene la función de ajustar los niveles de entrada de la señal ECG y realizar el acoplamiento de impedancias que permite utilizar la señal sin deformarla (9).

Proceso de conversión de la señal analógica en digital

El proceso de digitalización de la señal ECG se realiza muestreando la amplitud de la señal analógica del ECG, mediante un convertidor de analógico a digital (A/D) de 8 bits. La precisión de la conversión depende de la mínima división que el convertidor A/D pueda hacer sobre la máxima amplitud de la señal analógica (10). Dado que en este caso la amplitud máxima es de cinco voltios (V) y el número de divisiones que puede hacer un convertidor A/D de 8 bits de 256, entonces la precisión es dada por la solución de la ecuación 1.

La limitante para incrementar la frecuencia de muestreo es la transmisión serial. La transmisión serial implementada en este proyecto demora 520 microsegundos (µs) por cada dato de 8 bits transmitido; por lo tanto, la frecuencia de muestreo más elevada que se puede utilizar es de 1.900 datos por segundo, pero por comodidad y para prevenir errores en el proceso de recuperación de información se optó por tomar una frecuencia de muestreo de 1.000 datos por segundo.

Conexión entre el módulo hardware y la PC

La comunicación entre el módulo hardware y el software del sistema instalado en el PC, dependen del funcionamiento de la etapa de interfase. Las funciones de interfase las desempeña el microcontrolador del hardware diseñado, realizando la transmisión y recepción de información en formato RS232 (11). La comunicación serial en formato RS232 permite la selección de algunos de los parámetros de funcionamiento para ajustarse a las diferentes formas de trabajo de los usuarios. Las características seleccionadas en el PC para la comunicación serial en este proyecto son:

• Comunicación serial de 8 bits, por byte transmitido.

• Velocidad de transmisión de 19.200 baudios (donde los baudios indican el número máximo de bits que puede transmitirse por segundo).

• Formato con un solo bit de parada y un bit de arranque.

Dado que la transmisión serial se realiza a 19.200 baudios, el tiempo requerido para transmitir un dato de 8 bits, mas un bit de arranque y uno de parada, es dado por la solución de la ecuación 2.

La frecuencia de muestreo es de 1.000 datos por segundo, por consiguiente el intervalo entre las muestras tomadas es de 1 milisegundo (ms), lo que da tiempo suficiente para realizar la transmisión de la información digitalizada en tiempo real. Las señales digitales son transmitidas por cable y acopladas, tanto al equipo diseñado como al PC, por conectores del tipo DB9.

Descripción del software

La segunda etapa del sistema consiste en el manejo de la información en el computador, en un formato de historia médica aplicado a cardiología. El software del sistema se diseñó usando un lenguaje de alto nivel conocido como Visual Basic (12).

Las interacciones del operador con el programa instalado en el PC son realizadas por medio de acciones sobre objetos gráficos, que generan respuestas en forma de eventos. Cuando los eventos son activados por la acción del operador, se ponen en funcionamiento las rutinas dispuestas en los módulos de programa que realizan la operación deseada. Los eventos se producen como respuesta de actividades, tales como la acción clic del mouse sobre los botones de control, la llegada de datos por uno de los puertos del computador o la activación de alguna ventana de pantalla.

El programa diseñado está compuesto por 4 módulos principales y 5 módulos secundarios o auxiliares. Los módulos principales son utilizados para manejar la base de datos y controlar el hardware, mientras que los módulos auxiliares generan las acciones que complementan el control sobre la secuencia de trabajo.

El diagrama en bloques del software (figura 3), estructura la interconexión de funcionamiento de los módulos principales y los módulos secundarios.

La base de datos del sistema se compone de tres tablas diseñadas en Microsoft Access, el cual es un lenguaje de programación bajo Windows dedicado exclusivamente a controlar y manejar información. Se utilizó Microsoft Access como plataforma para el diseño de la base de datos, porque es un lenguaje de programación fácil de manejar, totalmente compatible con Visual Basic y con capacidad suficiente para el manejo de la información que se pretende almacenar en los respectivos expedientes médicos de los pacientes.

Cada tabla de datos bajo Microsoft Access es administrada por un módulo de programa diferente. De tal forma, la tabla que guarda los expedientes de historias es manejada por el módulo de Historia, la tabla de los registros de ECG por el módulo de Registros y la tabla de consultas por el módulo de Consulta.

La base de datos que contiene la información manejada  por el sistema es guardada en el disco duro del PC, limitandola densidad de información que se quiera guardar a la capacidad de almacenamiento de esta unidad. El manejo de información que el usuario realiza en las ventanas mostradas en la pantalla del PC, puede efectuarse de cuatro maneras posibles:

• Si la información es introducida por el usuario, la acción se realiza a través de cuadros de diálogo, los cuales se presentan sobre la ventana como espacios rectangulares destinados a aceptar caracteres de texto o numéricos escritos con el uso del teclado.

• Cuando la información proviene del banco de datos, es mostrada en los mismos cuadros de diálogo, pero protegida para que no pueda ser alterada o borrada.

• Si la información manejada es la presentación gráfica del ECG, bien sea en tiempo real o como registro grabado en el banco de datos, es utilizado un cuadro de imagen previamente cuadriculado con las medidas estandarizadas, en un formato semejante al del papel usado por los electrocardiógrafos.

• Se utilizan cuadros de mensaje cuando la información es proporcionada por el mismo programa. Esto se hace para indicarle al usuario que ha cometido algún error, pedir la confirmación de una instrucción crítica o para señalarle la forma correcta de controlar el sistema.

RESULTADOS

El sistema terminado está compuesto por el hardware contenido en una caja de plástico y el software grabado en un CD. Para poner el sistema en funcionamiento, el software se instala en el PC y el hardware se interconecta entre el electrocardiógrafo analógico y el PC.

En el lado frontal de la caja del hardware (figura 4) se encuentra el nombre, número de modelo y los elementos indicadores de funcionamiento con su respectiva descripción. En el lado posterior del chasis del instrumento se encuentran ubicados dos conectores, tipo DB9, que permiten enchufar los cables que acoplan el hardware con el resto del sistema.

Los circuitos electrónicos que integran el hardware del sistema están ensamblados en una tarjeta de circuito impreso (figura 5), la cual está contenida en la caja de plástico indicada en la (figura 4). La tarjeta de circuito impreso del hardware es conectada al resto del sistema por medio del conector SIP20. Los puntos de prueba TP1 y TP2 son usados en conjunto con los interruptores S1 y S2 para realizar la calibración correspondiente con los potenciómetros R2 y R3.

El software diseñado corresponde a los algoritmos de programación elaborados en Visual Basic, destinados a conducir las operaciones de control, graficación de la señal ECG y el manejo del banco de datos que componen la historia médica computarizada.

El programa fue diseñado para correr en un ambiente bajo Windows. Una vez que los equipos estén debidamente conectados y encendidos, se puede comenzar a trabajar con el sistema. Para inicializar el funcionamiento del programa se activa el ícono correspondiente al ejecutable, nombrado como SADSE (siglas iniciales de Sistema para la Adquisición Digital de la Señal Electrocardiográfica). Esta acción abre la pantalla de Inicio (figura 6).

En esta ventana se pueden elegir las posibles opciones de trabajo del sistema, con los cuales se accede a crear un expediente de historia médica nueva, abrir un expediente de historia existente, o entrar de forma inmediata a la pantalla de registro ECG. Desde esta ventana en pantalla también se permite acceder a la información de ayuda o salir del sistema.

En la pantalla de Historia médica (figura 7) se archivan los datos básicos correspondientes a la identificación y los antecedentes generales del paciente.

Cuando se acciona el botón Guardar, se cambia el modo de trabajo de paciente nuevo al de expediente de historia médica ya existente. Esta nueva presentación de la ventana de Historia inhabilita el botón Guardar y se hacen visibles los botones ECG, Consulta y Editar. En la presentación en pantalla de la historia grabada, el botón marcado como Consulta abre un nueva ventana (figura 8), en la cual se visualizan cuatro botones de control y los cuadros de dialogo, donde el médico puede introducir la información respectiva al examen médico de cardiología.

Desde esta ventana el usuario del sistema puede retornar a la ventana de Historia sin cerrar el expediente de consulta, guardar los datos recopilados o acceder a la información de consultas anteriores. El botón reseñado como ECG en la ventana de Historia, abre en pantalla la ventana de Registros (figura 9), por medio de la cual se maneja el hardware del sistema y se permite al usuario tomar el registro electrocardiográfico.

La ventana de Registros está diseñada para funcionar en dos formas de trabajo. La primera consiste en la visualización continua de la señal ECG, la cual se activa siempre que se abre esta ventana o cuando se pulsa el botón reseñado como Monitoreo en la ventana de inicio. Esta forma de trabajo puede ser usada en caso de emergencia para visualizar la gráfica del ECG en tiempo real, sin opción de grabar la señal, pero la acción del botón marcado como Monitoreo permite al usuario detener la operación, quedando congelada la imagen que en ese momento se ha graficado.

La segunda forma de trabajo que se implementa desde la ventana de Registros, permite al usuario realizar la adquisición grabada de cada uno de los canales que componen el registro de ECG. Esta forma de trabajo es activada cuando se acciona alguno de los botones contenidos dentro del espacio señalado como “Canal de entrada” y se utiliza en conjunto con los controles del electrocardiógrafo analógico.

El botón reseñado en la ventana de Registros como Reporte se utiliza para presentar una ventana en pantalla (figura 10), en donde se pueden observar todos los canales grabados del ECG. Desde la ventana de Reporte se puede retornar a la ventana de Registros o se puede realizar una impresión en papel corriente tamaño carta, del formato que se observa en pantalla.

DISCUSIÓN

La tendencia actual de muchos instrumentos médicos es utilizar un computador personal como parte de los equipos de diagnóstico (instrumentación virtual), ya que permiten no sólo almacenar y procesar los datos recopilados, sino que la información puede ser transmitida a otros lugares para su evaluación por otros especialistas.

Entre las múltiples ventajas que representa este proyecto cabe destacar que se tiene un software de diseño propio y una base de datos manipulable, que permite a otros investigadores la aplicación de nuevas técnicas de procesamiento. La posibilidad de implementar nuevas tecnologías en el futuro, abre las puertas a nuevos descubrimientos científicos y, por ende, al mejoramiento de los tratamientos médicos, que buscan curar las enfermedades que aquejan al ser humano.

CONCLUSIONES

El desarrollo de este proyecto representa un esfuerzo en convertir electrocardiógrafos analógicos en digitales, con sólo conectar un módulo electrónico entre el electrocardiógrafo y el PC. Por otra parte se adicionó la posibilidad de manejo y almacenamiento de datos de expedientes de historia médica de pacientes de cardiología en el mismo PC.

Las pruebas de validación que se realizan en la Unidad de Cardiología del HULA comienzan a emitir resultados favorables, con respecto a la aplicación del sistema. Hasta el momento, el número de pacientes que han sido evaluados con el uso de este sistema no son suficientes para arrojar resultados concluyentes, pero las opiniones que emiten los médicos usuarios de este equipo han sido muy satisfactorias.

Una de las bondades que se debe resaltar de este proyecto es el bajo costo de su implementación, ya que cualquier electrocardiógrafo comercial con salida analógica para registrador, se puede convertir en un equipo digital computarizado con altas prestaciones de análisis y aplicaciones en telemedicina, con una inversión no mayor a 10% de lo que cuesta un equipo comercial de este tipo. Además, se debe resaltar la importancia que tiene el desarrollo de un formato de historia médica computarizada, ya que contribuye enormemente con el archivo y manejo de la información médica, vital en el momento del tratamiento del paciente e indispensable para realizar estudios futuros.

AGRADECIMIENTOS

Deseamos agradecer al Dr. Jesús Bellera, medico cardiólogo perteneciente al Instituto de Investigaciones Cardiológicas del Hospital Universitario de la Universidad de Los Andes, por su asesoría en todas las etapas de este trabajo, y a los Ingenieros Paul Tucci y Abel Romero, investigadores del Laboratorio de Instrumentación Científica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Los Andes, por la colaboración prestada en el desarrollo de este proyecto. También dirigimos un reconocimiento especial al CDCHT de la Universidad de Los Andes por contribuir con el financiamiento de este proyecto.

REFERENCIAS

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