TECNOLOGÍA FPGA APLICADA A LA SALUD CARDIOVASCULAR:

Medidor de volumen intraventricular embebido en

dispositivo FPGA

María de los A. Gómez LópezMyriam C. Herrera, Carla B

GoyFrancisco A. Migliorino, Juan B.

AcuñaUniversidad Nacional de Tucumán

Misión a plazo Implementar un monitor hemodinámico

implantable para medir la función ventricular izquierda

INTRODUCCIÓNLa Insuficiencia Cardíaca Congestiva (ICC) afecta la

capacidad del corazón para bombear eficientemente la sangre al resto del cuerpo resultante de

condiciones patológicas

El corazón como bomba. El ciclo completo se puede dividir en tres períodos:

Contracción de aurículas Contracción de ventrículos, Relajación de aurículas y

ventrículos

CONSECUENCIAS DE LA INSUFICIENCIA CARDÍACA

American Heart Association Heart Disease and Stroke Statistics 2005 Update Dallas Tx / AHA 2005

Estados Unidos5 000 000 IC / 200 000 muertes

1 000 000 ICA / añoMortalidad a 60 dìas: 10%

Reinternaciòn a 60 dìas: 25%Costos: 30 billones de US anuales

Insuficiencia Cardiaca Aguda Epidemiología

CONSECUENCIAS DE LA INSUFICIENCIA CARDÍACA

Registro Nacional de Internación por Insuficiencia Cardíaca 2007. Rev. argent. cardiol. v.77 n.1 Ciudad Autónoma de Buenos Aires ene./feb. 2009

ArgentinaSobre 31 centros hospitalarios de todo el país

Mortalidad : 8%Internación en último año: 47%Reinternación a 90 días: 24,5%

CAUSAS MÁS IMPORTANTES DE LA INSUFICIENCIA CARDIACA

Causas

Hipertensión arterial: produce sobrecarga

paulatina y crecimiento del corazón (hipertrofia ventricular izquierda).

Enfermedad coronaria: obstrucción parcial o total de una o más

arterias coronarias por distintas causas.

Infarto Agudo de Miocardio: Muerte de las

células musculares cardíacas (miocitos)

Miocardiopatías: procesos inflamatorios del

músculo cardíaco.

Valvulopatías: Enfermedades de las válvulas cardíacas que restringen el paso de la sangre a las cavidades (estenosis)

o no pueden evitar que ésta retorne (insuficiencia valvular).

Consumo de sustancias tóxicas: alcohol o las drogas

Otros factores: Aquellos que llevan a que el corazón

sobrepase su capacidad volumétrica como la anemia

o el hipotiroidismo

Detección de la Insuficiencia Cardiaca

Diagnóstico de la Insuficiencia

Cardiaca

Exámenes de sangre: Determinaciones de glucemia,

niveles de sodio, potasio y keratina.

Electrocardiograma: Funcionamiento eléctrico del

corazón

Radiografía del tórax: Informa sobre condiciones de

crecimiento anormal del corazón

Ecocardiograma: Estudio dinámico del corazón mediante

ultrasonido.

Prueba de esfuerzo: Realización de un

electrocardiograma dinámico

Gammagrafía cardíaca: Estudio de Medicina Nuclear que inyecta una

sustancia radiactiva (radioisótopo) en la circulación

Arteriografía coronaria: Inyecta una sustancia radioopaca

directamente en las arterias coronarias y se observa mediante

rayos X.

Cateterismos: Técnica catéter de conductancia.

DPV

Conductance Catheter

CONSIDERACIONES SOBRE LA TÉCNICA

Evaluaciónfunción ventricular y contractilidad en procesos quirúrgicos. (Wu et al , 1997; Caputo et al , 2000; Tulner et al , 2006; Lim et al , 2008),

monitorear el efecto de drogas (Ohno et al , 2008)

TÉCNICA INVASIVA

Gold standardConcepto:“monitoreo hemodinámico” de cardiópatas (Al-Khalidi et al , 1997; Ohlsson et al , 1998; Yamakoshi et al , 1999; Steendijk et al , 2004; Soderqvist et al , 2006; Bal et al , 2008),

Con los desarrollos de marcapasos (de Cock et al , 2007) y defibriladores implantables

Se trata de dispositivos implantados en el paciente, capaces de medir parámetros hemodinámicos y comunicarlos a dispositivos externos por técnicas telemétricas (Wadas et al , 2005).

NUEVOS BRIOS

....Qué nos proponemos:

- Electrodos para medir la conductancia intracavitaria con un sensor de presión, - Dispositivo implantable similar los marcapasos, - Transmisor-procesador externo comunicado con tecnología wireless(CM) con una PC- PC con software dedicado,- Calibración de volumen y función cardíaca (por operador externo)- ECG externo simultaneo

Dispositivos de monitoreo ambulatorio

Parámetros hemodinámicos monitoreadosFunción del ventrículo izquierda (LV) directamente

relacionada con la función del corazón como bomba. Se mide por: - Fracción de eyección del LV (LVEF); dependiente de la contractilidad (precarga y poscarga). - Determinación del volumen del LV -volumen de fin de sístole (LVESV) y el volumen fin de diástole (LVEDV) son mas usados para predecir un resultado clínico. - El monitoreo simultaneo del volumen del LV y la presión

permiten caracterizar el funcionamieto como bomba del corazón mediante los diagramas presión-volumen.

- La presión de llenado del LV y el LVED son marcadores confiables de medida de la prograsión de la ICC.

Kadhiresan et al. Stud Health Technol Inform. 2004.Lee et al, Ann Pharmacother 2002.En el lado izquierdo del corazón,

-El Volumen LV se obtiene por la técnica catéter de conductancia-La presión del LV se obtiene con sensores miniturizados

ObjetivoMonitoreo Ambulatorio de la función cardíaca de pacientes con IC crónica para optimizar el tratamiento a largo plazo

Construir un equipo de volumetría cardíaca para uso experimental con hardware mínimo

Dispositivo implantable

FUNDAMENTOS TEÓRICOS. IMPEDANCIMETRÍA

UI

IUZ

Impedancia

ρ

L

S

SLR .

ρ: ResistividadL: LongitudS: Sección transversal

Resistencia

RZ En el caso de la sangre:

VOLUMETRÍA CONDUCTIMÉTRICA

ρ

L UI

VOLUMETRIA CARDÍACA

ρ

L UI

I

GLV .. 2

L1L2L3L4L5

CATÉTER DE CONDUCTANCIA ( BAAN, 1981 )CONDICIONES IDEALES

L1L2L3L4L5

I

GLV .. 2

i

i2

iiTotal G.L.VV

Real ti

me

El volumen de cada cilindro es:

Donde :ρ es la resistividad de la sangreSi es la sección transversal del iesimo-cilindro de volumen Vi= Si*L.L= distancia interelectródicaVseni(t): tensión sensada.IREF(t): corriente inyectada.

isen

REFi v

ILVolumen .. 2

REF

isenmedmed

isen

REF

IvZY

vI

CATÉTER DE CONDUCTANCIA ( Baan, 1981 )Condiciones Reales

Los nuevos estudios afirman que la admitancia ventricular no solo es una conductancia pura sino que en realidad contiene una componente capacitiva. Esta capacidad es debida exclusivamente al musculo miocárdico y por lo tanto hay que restarla de la medición.

Cm: capacitancia del miocardio [F]

|Ymeas|: magnitud de la admitancia [S]

Ф: fase de la admitancia [grados]

gm: conductancia del miocardio. [S]

f : frecuencia de la señal inyectada [Hz] σ: conductividad del miocardio Ԑ: permitividad del miocardio

Fundamentos Teóricos de la medición de admitancia (Wei &Wu , 2008)

gb: Conductancia de la sangre [S]|Ymeas|: Módulo admitancia ventricular medida. [S]Ф: Fase medida [grados]gm: Conductancia del miocardio [S]

Fundamentos Teóricos de la medición de admitancia

Calibración de admitancia a volumen

Ecuación clásica de Baan

Ecuación de Wei

Asume campo eléctrico homogéneo

No asume campo eléctrico homogéneo

Medición de fase

Medición de MagnitudCaracterísticas de la señal sensada en cada sección del catéter.

Esquema General del Sistema

Esquema etapa digital en FPGA (Flex10k70 Altera)

Bloque Lógico Fase

Simulación del bloque lógico Fase

Fundamentos de la detección de picos

Bloque Lógico Módulo

Simulación Bloque Lógico Módulo

Bloque Lógico Multiplexado y Transmisión

Trama de datos. Protocolo RS232

Simulación Bloque Multiplexado y Transmisión.

Pruebas de BancoMedición de Fase utilizando circuito desfasador.Medición de Módulo y Fase utilizando un

modulador AM y el circuito desfasador.Medición con impedancias patrones conocidas.

Medición de Fase utilizando circuito desfasador

Resultados Medición Fase

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

f(x) = 0.97448708950223 x + 1.25985599554094R² = 0.994370153468883

Desfasaje medido en Osciloscopio [grados]

Desf

asaj

e m

edid

o en

Equ

ipo

[Gra

dos]

Medición de Módulo y Fase utilizando un modulador AM y el circuito desfasador.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

10

20

30

40

50

60

70

80

f(x) = 0.913068023724929 x + 2.55394383978425R² = 0.996663135848208

Desfasaje medido por el equipo [Grados]

Desf

asaje

med

ido

po el

osc

ilosc

opio

[Gra

dos]

Volver

Medición de Fase utilizando circuito desfasador mas modulador

Medición de módulo utilizando circuito desfasador mas modulador

Osciloscopio

N°

Frecuencia medida por Osciloscopio

[Hz]

Módulo [V]

PC

N°Frecuencia medida por Equipo [Hz]

Módulo [V]

Max. Mín. Max. Mín.

1 1 2 0,6 1 1 2 0,72 5 2 0,6 2 4,7 2 0,73 13,7 2 0,6 3 13,22 2 0,74 20 2 0,6 4 19,4 2 0,75 28,4 2 0,6 5 28 2 0,76 60 2 0,6 6 58 2 0,77 78 2 0,6 7 79,5 2 0,78 89 2 0,6 8 87 2 0,79 102 2 0,6 9 97 2 0,7

10 140 2 0,6 10 145 2 0,711 200 2 0,6 11 175 2 0,712 240 2 0,6 12 218 2 0,5

Medición con Impedancias Patrones

Medición del módulo y ángulo de Impedancias patrones

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

1

2

3

4

5

6

f(x) = 0.0935718734123277 x + 0.0598747889932314R² = 0.918493388608109

Tensión medida vs módulo impedancia patron de entrada |Zp| de una sola sección

Sección 5Linear (Sección 5)

|Zp| de entrada [Ω]

Valo

r de t

ensió

n [V

]

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

f(x) = 0.962890625 x − 1.423828125R² = 0.993453250348797

Ángulo de Zp esperados vs Ángulo de Zp medidos por el equipo.

Sección 1Sección 2Sección 3Sección 4Sección 5

Ángulos Zp esperados [Grados]

Ángu

los

de Z

p m

edid

os p

or e

l equ

ipo

[Gra

dos]

Medición del Ángulo de Impedancias patrones

Conclusiones (1) Se ha construido y probado un equipo capaz de medir

fase y módulo de la impedancia de cada sección de un sistema conductimétrico multielectródico de volumetría implementado en un dispositivo FPGA.La funcionalidad de la etapa digital y analógica del equipo han sido probadas con los diagramas temporales y pruebas de banco respectivamente.

RANGO DE MÓDULO de impedancias : 6,8Ω a 47Ω por sección.

RANGO DEL ÁNGULO DE DESFASAJE: 2° a 90°. Los elevados valores de correlación del 0,9 obtenidos en

las mediciones de fase permiten concluir que la respuesta del sistema es lineal.

Conclusiones (2) No se hicieron pruebas todavía con impedancias

biológicas A pesar de que las pruebas de banco son aceptables,

es necesario realizar lazos presión volumen, para determinar la correcta evaluación de la función cardíaca

Este sistema incorporado a un monitor hemodinámico implantable tiene la ventaja de obtener las señales del LV en forma continua.

DEECDepartamento de Electricidad,

Electrónica y ComputaciónFACET-UNT