1 resumen biomedica

7/24/2019 1 resumen biomedica

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Procesamiento de Seales Biomdicas enElectrocardiogramas y Electroencefalogramas

Procesamiento de Seales Biomdicas en Electrocardiogramas y ElectroencefalogramasDiego Israel Samaniego Idrovo ([email protected]) !"ristian #erardo $lvare%Puluc"i (calvare%[email protected]).

$&stract'"is paper aims to present t"e importance of signal processing in medicine froman introduction of "at are t"e &iosignal to use in t"e process of o&taining useful resultst"at are used primarily in t"e *eld of medicine t"ese process re+ected in devices formonitoring vital signs or giving a diagnosis of a patient,s "ealt" t"is paper ill e-tend t"eprocessing of signals in electroencep"alograms (EE#) and electrocardiogram (E!#) due to

its importance in recent years in diagnosis and researc". Inde- erms'Seal Biomdica

I. I/0D1!!I0 2a de*nici3n de 4Seal Biomdica5 incluye todas la seales usadas enel diagnostico o investigaci3n medica 6ue se originan de alguna manera en el cuerpo estecampo "a sido impulsado principalmente en las 7ltimas dos dcadas gracias al desarrolloen el procesamiento de seales. !uando el prop3sito de la seal es el procesamiento noes muy relevante cual es la fuente de la seal o 6u tipo de seal &iomdica es lo 6ue esprimordial es el tipo de la seal sin em&argo se "ar8 una &reve resea al los tipos deseales Biomdicas. !ontinuando con el desarrollo de este documento se "ar8 unmodelado genrico del procesamiento partiendo de una seal

&iomdica. II. SE9$2ES BI0:;DI!$S Dependiendo del tipo de origen 6ue tenga la&ioseal se puede emplear la siguiente clasi*caci3n. < S E9$2ES DE B I0I:PED$!I$ =2a impedancia elctrica de los te>idos contiene informaci3n importante so&re lacomposici3n volumen y distri&uci3n sangu?nea informaci3n so&re el sistema nervioso ymas las mediciones de &ioimpedancia se reali%an generalmente con dos tipos deelectrodos unos 6ue inyectan corrientes elctricas en el te>ido y otros electrodos 6ue seu&ican so&re el te>ido a estudiar y miden la ca?da de tensi3n generada por la corriente y laimpedancia del te>ido. < S E9$2ES B I0$!1SI!$S = en3menos ac7sticos producidos

por funciones normales del cuerpo desde el +uir de la sangre el latir del cora%3n inclusomovimiento de los m7sculos generan sonidos 6ue ayudan al diagnostico medico de unasituaci3n en particular la seal &ioacustica se puede ad6uirir desde la super*cie utili%andotransductores ac7sticos. < S E9$2ES B I0:$#EI!$S = Aarios 3rganos como el cere&roel cora%3n y los pulmones producen campos magnticos en e-tremo d&iles la medici3nde estos campos &rinda informaci3n 6ue ning7n otra &ioseal provee.


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SE9$2ES B I0:E!I!$S = Incluyen seales generadas por procesos mec8nicos delcuerpo como locomoci3n y despla%amiento +u>o presi3n estas seales por ser decar8cter mec8nico no se propagan tan f8cilmente por el cuerpo en consecuencia la

medici3n se "ace so&re el sitio donde se origina y re6uiere una gran variedad detransductores. < S E9$2ES B I0C1:I!$S = #eneralmente son el resultado de mediciones6u?micas de te>idos vivos o muestras anali%adas en la&oratorio. < Seales Bioopticas= Sonresultado de reacciones 3pticas 6ue ocurren naturalmente o son inducidas para sumedici3n como e>emplo se puede o&tener informaci3n importante de un feto a partir de la+uorescencia del li6uido amni3tico. < S E9$2ES B I0E2E!/I!$S = 2as seales&ioelectricas son propias de sistemas &iol3gicos su fuente es el potencial transmem&rana6ue ante ciertas condiciones genera una diferencia de potencial 6ue si se lo mide a nivelde clulas aisladas con micro electrodos puede ser en si la seal &iomdica. si se usaelectrodos de super*cie el campo elctrico 6ue acumulan las clulas constituye la seal

&ioelectrica Este grupo de seales pro&a&lemente sean las m8s importantes por el "ec"o6ue todo sistema &iol3gico posee clulas e-cita&les adem8s 6ue las seales elctricas sepropagan con facilidad por el cuerpo y no es necesario un mtodo invasivo para o&tener laseal. $ pesar de 6ue en el procesamiento no interesa el origen de la &ioseal estaclasi*caci3n es importante al momento de elegir un sensor &iomdico 6ue dependiendo dela seal entre otros pueden ser= < :icr3fonos < $celer3metros < Indicador de estiramientode metal 2i6uido < Sensores de presi3n miniatura


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< Sensores electromagnticos de +u>o < erm3metros. En con>unto todos estos sensorestienen por o&>etivo cam&iar la seal reci&ida en una seal elctrica.etivo de e-traer la informaci3n de una &iosealpara 6ue se pueda usar en un sistema en particular com7nmente son utili%adosso*sticados e6uipos y tcnicas de ad6uisici3n de datos es de suma

importancia 6ue la &ioseal original se preserve a lo largo del procedimiento de o&tenci3nde datos. El procedimiento a seguir generalmente es el siguiente= F) El primer paso esdetectar la presencia de las &ioseales en una clula o a travs de la piel con la ayuda de

un sensor. El sensor convierte la medici3n f?sica en una salida elctrica generando as? unpuente de informaci3n entre el sistema &iol3gico y el instrumento de registro electr3nico. Esimportante elegir el sensor adecuado para 6ue este no afecte las caracter?sticas de la&ioseal. ) 1na ve% detectada la &ioseal con la ayuda del sensor generalmente esampli*cada y *ltrada ya 6ue las &ioseales suelen ser de muy &a>o potencial por el ordende los micro voltios (uA) la ampli*caci3n permite a>ustar la seal a las especi*caciones del"ardare 6ue se use y el proceso de *ltrado

elimina el ruido propio de la &ioseal yGo el generado durante el proceso de censado y

ampli*caci3n. H) 2a &ioseal ampli*cada y *ltrada es una seal continua 6ue ingresa a unconvertidos $GD ($n8logo Digital) 6ue cam&ia esta seal anal3gica continua en una sealdigital discreta. 2a seal discreta contiene una secuencia de n7meros 6ue puede serf8cilmente almacenada y procesada en un ordenador. En este proceso podemos apreciar6ue el desarrollo de esta tecnolog?a se enfoca en la o&tenci3n de &ioseales con*a&les yme>oramiento de la capacidad de procesos de los ordenadores.

El operador representa el proceso 6ue se propuso anteriormente teniendo solo una&ioseal de entrada y un c3digo digital a la salida

III. E2E!/0!$/DI0#/$:$ (E!#) $plicando el procesamiento de &ioseales a uncampo en espec?*co como el cardiovascular tenemos los electrocardiogramas 6ue son unregistro de la actividad elctrica del cora%3n medida entre dos puntos de la super*ciecorporal con este registro es posi&le detectar anomal?as en el cora%3n. $un6ue el cora%3nse encuentra controlado por el Sistema ervioso $ut3nomo este late sin est?mulo algunopor6ue est8 conformado por una red de *&ras mioc8rdicas especiali%adas y autoe-cita&les los electrocardi3grafos se enfocan en recoger estas seales &ioelctricas y


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ampli*carlas a travs de unos transductores conectados en el pec"o o e-tremidades delpaciente para luego

procesar esta actividad elctrica y plasmada en un electrocardiograma (E!#).

$. ransductores $nteriormente se di>o 6ue los transductores son los 6ue captan yampli*can las seales &ioelctricas para los E!# se usan ampli*cadores operacionaleslos transductores proporcionan la proyecci3n del vector cardiaco en la direcci3n 6ue semueva.

igure F. JFKE SC1E:$ #E;/I!0 DE2 P/0!ES0 DE 1$ SE9$2 BI02L# I!$

En la *gura se ve el proceso desde la generaci3n de la &ioseal en el cuerpo del pacientela informaci3n es entregada en forma de seales elctricas por parte del transductor

(diversos sensores) sta seal anal3gica antes de pasar a la tar>eta de conversi3n $GDde&e ser llevada a la forma apropiada esto signi*ca cam&iar la seal anal3gica al nivel devolta>e re6uerido eliminar las seales indesea&les y limitar el espectro de interferencia delsensor. 2a seal de salida digital se almacena o procesa. odo el procedimiento anterior loreali%a un circuito electr3nico se lo puede representar como la siguiente *gura.

igure H.

/$SD1!0/ P$/$ E!#

Es6uema de un transductor 6ue usa un ampli*cador operacional 6ue se encarga de reci&irlas seales del paciente y ampli*carlas para 6ue se puedan procesar por un "ardare yentregar una seal entendi&le para el operador

B. Seal E!# Para e-plicar la seal resultante de la actividad del cora%3n podemoso&servar un ciclo de latido completo=


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igure .

E SC1E:$ SI:P2II!$D0 DE2 P/0!ES0 DE 1$ BI0SE9$2

H

igure M. igure N. E $P$S DE 1 !I!20 DE 2$ID0 O S1S SE9$2ES

S E9$2 E!# !0 /1ID0

En la *gura es evidente apreciar c3mo se genera la seal seg7n avan%a el ciclo del latidodesde el punto (a) en el 6ue los m7sculos est8n en reposo "asta 6ue retoman el reposo en

:ediante el an8lisis de la transformada de ourier se puede anali%ar en el dominio de lasfrecuencias.

igure .

JQKS E9$2 E!# 0/:$2

En la *gura se ve 6ue en la seal se consideran varias etapas para tener un me>or controlde estos par8metros los valores normales de estos intervalos se presentan en la siguientePar8metros E!# Intervalo P/ Intervalo C/S Segmento S Intervalo C Intervalo ///ango ormal RFRR RRMRFR RRRF RHRF RMRF

igure T.

/$S0/:$D$ DE 01/IE/ DE E!#

En la *gura se o&serva la presencia de ruido tiene su componente principal de R "% y suarm3nico de FRR"% si aplicamos un *ltro rec"asa &anda de R"% y FRR "% ya sea por DSPso por softare en un ordenador o&tendremos la siguiente seal.

a&le I / $#0S 0/:$2ES P$/:E/0S E!#

!. /uido Electrocardiogr8*co. $l estar tratando con seales de ingreso de F JmAK o tal ve%menos el ruido se vuelve un factor considera&le su origen puede ser m7ltiple puede tenerorigen en los e6uipos 6ue se usen o pueden ser generados *siol3gicamente como laactividad


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muscular en la etapa de los comple>os C/S. !omo sea el caso cada tipo de ruido de&e sercom&atido con un algoritmo en especi*co esto se "ace para procurar mantener intacta laspropiedades de la seal &ioelctrica. 2a eliminaci3n del es un pro&lema 6ue se de&eeliminar en el procesamiento de las seales tomemos una seal E!# de muestra con unruido producido por la por la red elctrica de R"%

igure U.

I2/$D0 DE /1ID0 DE R V O FRR V

En la parte superior de la *gura un *ltrado parcial del ruido de R"% en la seal inferior seemplea un *ltro de las seales

N

de a"% y FRR"% es o&via la diferencia entre la seal sin *ltrado y la *ltrada este procesopermite una mayor *delidad en los datos o&tenidos. D. $lgoritmo Electrocardiogr8*co $continuaci3n se presenta un algoritmo de los procesos 6ue sigue un electrocardi3grafopara o&tener el E!#

electrodos de los transductores var?a dependiendo de 6u seal se pretende captar.

igure FR.

E 2E!/0D0S DISP1ES0S $ IAE2 DE 2$ PIE2

2as mediciones a nivel del cere&ro arro>an como resultado N tipos de ondas cere&ralesrelacionadas con el estado de vigilia de una persona.

igure FF.

0 D$S !E/EB/$2ES

igure Q.

$2#0/I:0 DE P/0!ES0 DE SE9$2 DE

E!#

De&ido a 6ue la o&tenci3n del EE# es similar al E!# procederemos al an8lisis de ruido y alalgoritmo de procesamiento. $. $n8lisis de /uido. !omo es de suponer la red de


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alimentaci3n tam&in introduce un ruido en estas seales 6ue tienen un tratamiento similaren el procesamiento de la seal un nuevo ruido 6ue se considera en estas seales son losruidos de parpadeo 6ue se caracteri%an por ser un valor inversamente proporcional a lafrecuencia de la seal por este "ec"o se le llama 4ruido FGf4 las causas del ruido deparpadeo no se comprenden &ien sin em&argo siempre est8n presentes en circuitos

electr3nicos y su presencia se "ace signi*cativa para frecuencias menores de de FRR% lasoluci3n para limitar este ruido es usando resistencias de *lamento enrollado o resistenciasde pel?cula met8lica en lugar de las de "a&ituales de composici3n de car&3n. B. $lgoritmoElectroencefalograma De igual manera 6ue para el E!# se presenta el algoritmo delprocesamiento de EE# 6ue se lo puede implementar a un diagrama de &lo6ues.

Este algoritmo muestra con m8s detalle el procesamiento de la seal en elelectrocardi3grafo para una implementaci3n solo 6uedar?a transferir el algoritmo a undiagrama de &lo6ues y "acerlo tan sencillo o complicado como el diseador lo 6uiera. IA. E2E!/0E!E$20#/$:$ (EE#) De una manera similar al electrocardiograma el

electroencefalograma consiste en registrar los potenciales &ioelectricos generados por laactividad neuronal del cere&ro esta amplitud es aun m8s &a>a 6ue las seales del cora%3npor el orden de los FR JuAK para un adulto normal en


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vigilia. El EE# se usa para diagnosticar enfermedades cere&rales tales como epilepsia$l%"eimer tumores trastornos de sueo etc. am&in se emplea para determinar lasreacciones 6ue ocurren en el cere&ro ante distintos est?mulos. 2a recolecci3n de sealeslas reali%an transductores 6ue captan y ampli*can las seales &ioelctricas estostransductores son similares a los usados para E!# la disposici3n de los

El convertido $GD transforma una seal - (t) de ingreso en una secuencia digital - (n) 2aconversi3n se lleva a ca&o en dos etapas una primera de muestreo 6ue toma una muestraceda segundos y la cuanti%acion apro-ima cada muestra a un valor discreto asignado lasalida se o&tiene en codi*caci3n &inaria con B &its de precisi3n.

igure FN.

! 0AE/S0/ $ $2L#I!0 GD I#I$2

igure F.

$ 2#0/I:0 DE P/0!ES$:IE0 DE SE9$2 EE#

/uido mioelectrico Este es otro tipo de ruido producido en el sistema &iol3gico puedeprovocar confusi3n en la interpretaci3n de datos para el procesamiento para eliminar esteruido se implementan otros algoritmos 6ue compensen estos ruidos aun6ue en otroscampos utili%an estas seales para reali%ar procesos 7tiles tal es el caso de las pr3tesis

mioelectricas. / EE/E!ESJFK

A. ! 0!21SI0ES El electrocardiograma (E!#) es por e-celencia la forma no invasivay sencilla de o&tener informaci3n de la e-citaci3n del cora%3n.

"ttp=GG6uegrande.orgGapuntesGEIG0PGIBGteoriaGRQFRGanalisisWdeWsenalesW&iomedicas.pdfJK "ttp=GGatc.ugr.esGXaprietoGI!WsocioWsanitarioG$FFWNWRMW:onitori%acionW&iomedica.pdfJHK "ttp=GG."a&RRF.sld.cuGarrepdfGRRFT.pdf JNK

"ttp=GG.upc.edu.peG"tmlGRGRGcarrerasGingelectronicaGproyectosGelemedicinaInalam&rica.pdf JK "ttp=GG.angel*re.comGunG&iomedica*meG!2$SEWN.pdf JMK"ttp=GGceres.ugr.esGXampGdocenciaGpdsHGPDSWemaF.pdf JTK"ttp=GG.i&erca>alav.netGimgGSenalesBiomedicasF.pdf JUK"ttp=GG.i&erca>alav.netGimgGSenalesBiomedicas.pdf JQK"ttp=GG.i&erca>alav.netGimgGSenalesBiomedicasH.pdf JFRK"ttp=GGminerva.uca.esGpu&licacionesGaspGdocsGtesisGDSanc"e%:orillo.pdf JFFK .gii.upv.es


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igure FH.

E SPE!/0S DE 2$S DIE/EES !0:P0EES !$/DI$!$S .

Desde el punto de vista del procesado de seales "ay 6ue tener en cuenta el anc"o de&anda de la seal electrocardiogr8*ca 6ue se muestra en la iguraFH 2as mediciones delas ondas cere&rales a mas de diagnosticar enfermedades revela indicios de comofunciona el cere&ro "umano al revelar las cuatro tipos de seales cere&rales claro 6ue eso&vio 6ue para encontrar el espectro de cada seal "ace falta un proceso muy comple>oas? nos podemos dar en cuenta 6ue en el an8lisis no solo en el campo de la &iomedicinasino en cual6uier 8m&ito el nivel de informaci3n o&tenida la marca el procesamiento einterpretaci3n de las seal medida. $ PPEDIY !onversi3n $GD

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