Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
5. SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN Y MONITORIZACIÓN IMPLANTADO.
5.1. INTRODUCCIÓN.
En el presente capítulo se desarrollan los diferentes bloques de los que consta el
sistema diseñado, realizando cada uno de ellos una función específica (figura 5.1.). Su
aplicación permite captar y registrar los diferentes parámetros cardíacos comentados en
el capítulo 3 (electrocardiograma, presión intraventricular y dP/dt) tras someter al
corazón a un protocolo de criopreservación, tenerlo almacenado durante un periodo de
tiempo y aplicarle la fase de recalentamiento para realizar un análisis médico de su
estado. Todo lo que se registra se almacena en soportes de memoria, lo que facilita el
estudio de los resultados.
Figura 5.1. Esquema general del sistema completo.
ESI. Universidad de Sevilla. 34
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Los diferentes bloques que forman el sistema son los siguientes:
Bloque de captación de presiones. Es el instrumento físico construido para
captar las presiones intraventriculares. Fundamentalmente es un balón de
látex alojado en el interior del ventrículo izquierdo, y un transductor de
presión que traduce la presión soportada por el balón a una señal de tensión
analógica.
Bloque de exploración de electrocardiograma (ECG). Lo constituyen el
conjunto de cables y electrodos necesarios para realizar las medidas
eléctricas del órgano.
Bloque de acondicionamiento de señal. Consiste en un aparato llamado
Sirecust 302, que se encarga de recibir las señales procedentes de los bloques
anteriores y aplicarles un proceso de filtrado y amplificación. A la salida
ofrece las señales introducidas con una potencia adecuada y, prácticamente,
sin ruido.
Bloque de digitalización. Toma las señales analógicas enviadas por el bloque
anterior y las convierte a señales digitales, proporcionándolas a través de
puertos estándar de 9 pines.
Bloque de adquisición de datos. Lo forman el Screw-Panel, la tarjeta de
adquisición de datos, el PC y el software y drivers necesarios para su
intercomunicación. El Screw–Panel facilita la conexión de las señales
digitalizadas a la tarjeta, mientras que el PC se encarga de albergar el
programa necesario para la manipulación e interpretación de los datos.
Bloque de programación. Se presenta el programa CRYOCA diseñado en el
entorno que proporciona el software HP VEE en su versión 5.0. Su
interconexión con la tarjeta de adquisición le proporciona los datos medidos
y, mediante un sistema de menús de ventanas, permite elegir entre las
opciones de representación de datos nuevos o de datos previamente
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
almacenados, tanto para un electrocardiograma como para un registro de
presiones. De esta forma se proporciona al experimentador, mediante una
interfaz gráfica, un programa basado en menús de ventanas de fácil manejo.
Bloque de monitorización y presentación. Mediante un PC se ejecuta el
programa CRYOCA y los datos registrados se muestran al experimentador a
través del monitor. Al mismo tiempo es posible imprimir estos resultados.
Para el desarrollo del proyecto se trabaja de forma paralela en uno de los
Laboratorios de Física de la Escuela Superior de Ingenieros. Se colabora en la
instalación de equipos informáticos y la instalación de una red de área local (LAN), que
sirve como base a la fuente de información proporcionada por internet. La creación de
esta infraestructura permite al grupo desarrollar simultáneamente sus proyectos de
forma dinámica.
5.2. BLOQUE DE CAPTACIÓN DE PRESIONES.
Su misión consiste en capturar las presiones que, mediante un balón de látex
introducido en el ventrículo izquierdo, se registran. Para ello se cuenta con ayuda de un
transductor de presiones. Finalmente se envía la señal producida al siguiente bloque.
Para ello se construye una estructura rígida donde se localizan los distintos
componentes.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.2. Balón intraventricular antes de ser introducido en un corazón
durante la fase de recuperación del protocolo de criopreservación.
5.2.1. BALÓN.
Se trata de un balón de látex para registro de presión intraventricular para
corazones (ver tabla 5.1.). Para poder introducirlo se realiza un corte en la aorta desde la
cual se accede a la aurícula izquierda y, posteriormente, a la válvula mitral para alojarlo
finalmente en el interior del ventrículo. Para facilitar este proceso se une el balón a una
cánula metálica conseguida mediante la adaptación de un catéter radiopaco metálico
modelo Abbocath-T 14G x 51 mm (figura 5.3). Esta cánula, además de facilitar la
introducción del balón a través de la aurícula, permite el paso de fluido hacia el balón y,
así, llenarlo hasta la obtención de una presión de referencia, por lo que cualquier
esfuerzo que se ejerce desde el exterior provoca un empuje en sentido ascendente a
través de la cánula. A su vez, la cánula está conectada hidráulicamente (tubos de
silicona y llaves de tres pasos) a un transductor de presiones que recibe los empujes
provocados por las presiones sobre el balón y a un sistema de inyección de líquido que
alberga el fluido que se introduce en el balón y en el transductor. Para las llaves de tres
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
paso se utiliza el modelo estándar suministrado por la marca Sendal. Para más
información a cerca del material se remite al Anexo I, donde aparece una relación de
productos y proveedores.
Figura 5.3. Balón sujeto a la cánula y conexión al transductor.
Balón en venizquierdo
Figura 5.4. Posición del balón en el interior del ventrículo
izquierdo para captación de presión isovolumétrica en un
corazón bajo protocolo de criopreservación.
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Transductor
Cánula aórtica
trículo
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
A continuación se detalla en la tabla 5.1 la aplicación y caracterización del
conjunto de balones de látex según la especie animal y su peso.
Especie
animal
Peso del
animal (Kg) Nº Volumen (ml)
Dimensiones
d;l (mm)
0.05-0.1 3 0.03 3;7
0.1-0.2 4 0.06 4;8
0.3-0.4 5 0.1 5;9 Rata
0.5 6 0.2 6;10
0.7 8 0.35 8;12 Conejo
1.2 10 0.7 10;14
1.7 12 1.3 12;17
2.5 15 2.4 15;20 Gato
3.5 19 4.7 19;25
15-20 24 10 24;32 Perro
30 30 20 30;40
Tabla 5.1. Tamaños y aplicaciones de balones de látex asociados a medidas intraventriculares.
Es importante realizar todos los pasos siguientes antes de practicar una medida,
y se aplican según el protocolo de recuperación. Se resumen a continuación:
Se introduce la cánula en el balón y se sujetan.
Se realiza un corte en la aurícula.
Se introduce el balón en el ventrículo izquierdo a través de la aurícula
izquierda y la válvula mitral.
Se regula el conjunto de las llaves para llenar el sistema de líquido y purgar
el aire existente.
Una vez establecido el circuito, se procede al llenado del balón hasta la
obtención de la presión de referencia.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Se cambia la configuración de las llaves para establecer el circuito entre el
conjunto cánula-balón y el transductor.
Tras comprobar que se han realizado todos pasos, se activa el programa
asociado al registro de presiones. Con él se monitoriza y almacena el registro
obtenido.
Una vez finalizado el proceso, se vacía el balón y se extrae con sumo
cuidado del corazón.
Dada la posibilidad de almacenamiento del proceso, se pueden estudiar de
forma más detallada los resultados obtenidos.
5.2.2. TRANSDUCTOR DE PRESIÓN.
Un transductor es un dispositivo encargado de captar los valores de la variable a
medir y traducir sus variaciones a las de otra magnitud más manipulable. En particular,
en medicina, se utilizan con frecuencia los transductores eléctricos, es decir, traducen la
variable recogida a una variable eléctrica, en nuestro caso, a tensiones analógicas. Esto
se debe fundamentalmente a dos factores: por un lado, la gran cantidad de fenómenos
que alteran las propiedades eléctricas de los cuerpos; y por otro, la facilidad que
presentan las variables eléctricas para su transmisión y manipulación.
En medicina existen diversos tipos de transductores. Se expone, a continuación,
un resumen de los más utilizados, haciendo un especial análisis al transductor de
presión, al ser el empleado para el registro de la presión intraventricular:
• Transductores de temperatura.
El más conocido es el termómetro de mercurio, donde el volumen de una
masa determinada de mercurio varía, con gran exactitud, linealmente con la
temperatura.
Otro muy conocido es el termómetro de resistencia, de gran precisión,
que se basa en la variación de resistencias eléctricas de los cuerpos por efecto de
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
la temperatura. Así, para los metales, su resistencia varía con la temperatura
obedeciendo a una fórmula del tipo:
)1(0 tRR α+= Ecuación 5.1.
αα11
0
−= RR
t Ecuación 5.2.
en la cual R0 es la resistencia a 0ºC, R es la resistencia a t grados y α es un
coeficiente característico del metal
El termistor es otro termómetro que posee el mismo fundamento físico
que el termómetro de resistencia, con la diferencia de utilizar en vez de un metal,
un cuerpo semiconductor. Esto supone tres diferencias respecto al termómetro
de resistencia: primero, el coeficiente α es negativo, con lo cual, al aumentar la
temperatura disminuye la resistencia del semiconductor (ecuación 5.1); en
segundo lugar, para una misma variación de temperatura, la variación de
resistencia es bastante mayor, comparativamente, que para los metales, con lo
que se tiene más sensibilidad; y tercero, los semiconductores presentan mayor
resistividad que los metales, por lo que para una misma resistividad, el volumen
del semiconductor es menor que el de un metal. En definitiva, el termistor es de
menor tamaño y mayor sensibilidad que el termómetro de resistencia.
Por último, se puede hablar del termopar, basado en el efecto Seebeck, a
partir del cual una fuerza electromotriz aparece entre las soldaduras de metales
distintos. Si una de las soldaduras se mantiene a una temperatura fija de
referencia y con la otra soldadura se toca el cuerpo cuya temperatura se desea
medir, se producirá un desequilibrio entre las fuerzas electromotrices
correspondientes a cada soldadura, lo que dará lugar a una corriente eléctrica de
intensidad registrable por un galvanómetro y que será tanto mayor cuanto más
amplia sea la diferencia entre las temperaturas de las soldaduras. Las ventajas
que aporta un termopar son su facilidad de construcción y su alta velocidad de
respuesta.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
• Transductores de sonido.
Son muy utilizados y no sólo en el campo de la medicina. Uno de ellos es
el llamado micrófono capacitor, basado en que la presión del sonido altera la
capacitancia entre una placa fija y un diafragma móvil.
Otro es el medidor de magnetostricción, donde son las propiedades
magnéticas las que se aprovechan al conocerse que cambian ante una presión de
sonido determinada.
Por último, el detector piezoeléctrico. Su principio de operación se
fundamenta en la generación de una fuerza electromotriz (fem) cuando una
fuerza externa se aplica a ciertos materiales cristalinos como, por ejemplo, el
cuarzo.
• Transductores de presión.
El utilizado en el proyecto corresponde a este tipo. Se pueden distinguir
dos tipos de manómetro: los de medida directa, que son aquellos en los que el
fluido actúa directamente sobre el elemento sensible del manómetro y los de
medida indirecta, en los que el fluido actúa sobre el manómetro, pero sin salir de
la propia cavidad que lo contiene ni introducir el manómetro en ella. El ejemplo
más claro de este último tipo es el esfigmomanómetro, sistema que utiliza
rutinariamente el médico para medir la presión sanguínea mediante un brazalete
hinchable y el fonendoscopio.
Casi todos los métodos de medida directa se basan en la medida de la
desviación que sufre un diafragma que se encuentra en el interior de una cámara,
en la cual actúa, por una parte, la presión de referencia y, por otra, el fluido cuya
presión se va a medir. En ausencia de presión la del fluido coincide con la de
referencia y el diafragma no sufre deformación. A medida que la presión del
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
fluido es mayor el diafragma se abomba. Según sea el tipo de transductor varía
el procedimiento utilizado para evaluar el desplazamiento del diafragma. En
particular, para el transductor utilizado en el proyecto, las variaciones de presión
que actúan provocan variaciones de forma y de resistencia.
Estas variaciones de forma tienen como consecuencia cambios en la
resistencia eléctrica. En los manómetros de semiconductores se disponen cuatro
trozos de material sobre el diafragma y se conectan eléctricamente entre sí y a
una fuente de tensión en la forma que se indica en la figura 5.5.
Figura 5.5. Configuración puente. La información se obtiene a
través de la diferencia de potencial entre los puntos A y B.
En base a esto, la diferencia de potencial entre los puntos A y B es:
+
−+
=
=+
−+
=−=
43
3
21
2
43
3
21
2
RRR
RRR
V
RRR
VRR
RVVVV BAAB
Ecuación 5.3.
En ausencia de deformaciones todas las resistencias son iguales, por lo
que se tiene VAB = 0. Si la presión en uno de los lados es mayor que en el otro,
dos de los trozos de semiconductor aumentarán su resistencia por estar
sometidos a un estiramiento (R2 y R4) mientras que los otros dos (R1 y R3) la
disminuirán por estar comprimidos. En este caso, a partir de la ecuación 5.3 se
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
comprueba que VAB aumenta, y se incrementa cuanto mayor es la presión que se
ejerce.
Para el estudio de sensibilidades y respuesta en frecuencia se supone que
la cámara del transductor es cilíndrica y de sección s, y que un desplazamiento
dx del diafragma se puede medir por el volumen del cilindro esa sección y altura
dx (lo cual es sólo una aproximación) como:
sdV
dxdxsdV 1=⇒⋅= Ecuación 5.4.
Llamando Φ al flujo (volumen de fluido por unidad de tiempo) se cumple
que:
dtdV ⋅Φ= Ecuación 5.5.
E igualando,
sdtdxdtdxs Φ
=⇒⋅Φ=⋅ Ecuación 5.6.
En un diafragma que posea gran sensibilidad, pequeños aumentos de
volumen dV provocarán desplazamientos dx relativamente grandes, por lo cual,
según la ecuación 5.4, interesa que la superficie del diafragma sea pequeña con
el fin de que su sensibilidad sea adecuada.
Además, para que el diafragma tenga una buena respuesta en frecuencia
debe ser capaz de sufrir desplazamientos dx relativamente grandes en intervalos
de tiempo dt muy pequeños. Desde el punto de vista de la respuesta en
frecuencia interesa, pues, que el coeficiente dx/dt sea lo mayor posible, es decir,
que , de acuerdo con la ecuación 5.6 la superficie del diafragma sea lo menor
posible y el flujo de fluido que ingresa en la cámara del transductor sea lo mayor
posible.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Dentro de este tipo de transductores, la gran mayoría funciona
manteniendo la cámara en el exterior del cuerpo y haciendo llegar el fluido
mediante un tubo muy estrecho o catéter introduciéndolo, en este caso, en
ventrículo cardíaco usando para ello un balón de látex.
Dado que el valor de Φ que llega a la cámara del transductor es pequeño,
la superficie del diafragma a de ser muy pequeña para obtener una sensibilidad
y respuesta en frecuencia buena.
El transductor que se utiliza en el sistema es el modelo Statham P23XL (figuras
5.6 y 5.7), que permite un rango de presión de entre –50 a +300 mmHg al alimentarlo
con una tensión dentro del intervalo de 2 a 10 V y que se construye a partir de
resistencias de valor nominal 350 omhs. El resto de las especificaciones se detallan en el
Anexo II.
Figura 5.6. Transductor de presión empleado en el sistema.
Permite traducir a tensiones continuas los pequeños cambios
de presión producidos en el balón.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Diafragma
Entrada de fluido
Salida de fluido y puesta a cero
Cables para señales eléctricas Carcasa
Figura 5.7. Dimensiones del transductor empleado.
5.3. BLOQUE DE EXPLORACIÓN DE ECG.
Está formado por el conjunto de cables y electrodos necesarios para realizar las
medidas eléctricas del órgano. Con el fin de evitar posibles interferencias en el
momento del registro, se han de seleccionar unos electrodos adecuados.
Existen electrodos de aguja con los que la exploración se realiza
introduciéndolos directamente en el músculo. Para evitar la toma de señales de una zona
demasiado amplia y recoger las correspondientes a una más localizada, se suele utilizar
una combinación coaxial de electrodos que consiste en un estrecho cilindro metálico
que contiene en su eje una fina aguja aislada eléctricamente de las paredes de éste. Todo
el conjunto va rodeado de una capa aislante, excepto en el extremo del cilindro. Otra
forma de captación se efectúa empleando una clase de electrodos que se unen al corazón
mediante succión.
En el proyecto se utiliza un total de tres electrodos de aguja (más fáciles de
obtener) que se colocan en contacto con el órgano formando un triángulo (figura 5.8).
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Con ellos se recogen las diferencias de potencial eléctrico existentes en el miocardio,
siendo transmitidas por los cables blindados hasta el siguiente bloque.
Figura 5.8. Colocación de los electrodos en el corazón.
5.4. BLOQUE DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL.
Las señales provenientes del bloque de captación de presión y del bloque de
exploración de ECG son señales débiles, con apenas algunos milivoltios de amplitud y
acompañadas de ruido. Por ello, antes de ser digitalizadas se introduce un bloque de
acondicionamiento de señal que amplifica y filtra dichas señales registradas en el
miocardio hasta rangos adecuados.
Para ello se dispone entre el material suministrado por el Hospital Virgen del
Rocío de un registrador analógico de cabecera marca Siemens y modelo Sirecust 302.
Este equipo (figura 5.9) está capacitado para gestionar la adaptación de diversas
medidas, las cuales se detallan en los siguientes subapartados.
Dada la antigüedad del equipo, la escasez de documentación y medios
personales que permitiesen una rápida familiarización y conocimiento acerca del
alcance de su funcionamiento y funcionalidad, se dedicó un periodo de tiempo a
investigar con el equipo. Los resultados de este proceso de exponen a continuación.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Sección registro de presiones
Sección de monitorización
Sección registro de pulsaciones
Sección registro de E CG
Figura 5.9. Frontal del registrador analógico
de cabecera Sirecust 302 de Siemens.
5.4.1. SECCIÓN DE REGISTRO DE PRESIONES.
Posee una sección dedicada a registro de presiones. En ella existe la posibilidad
de seleccionar algunos parámetros del registro, como el tipo de presión a medir
(sistólica, diastólica o media) o la configuración de alarmas sonoras y visuales que
advierten de rangos alcanzados no deseados por el experimentador.
Para la conexión con el transductor de presiones, dispone de un conector de 5
pines, de los cuales únicamente se utilizan cuatro: dos para proveer de alimentación al
transductor con una señal de 6 V y otros dos a través de los cuales se recibe la
información que éste le proporciona.
El equipo permite la conexión de algún periférico (registradores de agujas)
mediante un conector de 37 pines desde el que se obtienen las señales analógicas de
información ya acondicionadas. La señal de presión se presenta desde el pin 23 (figura
5.10) dentro de un rango de tensiones positivas de 0 V a 5V.
ESI. Universidad de Sevilla. 48
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.10. Conector de Salida del Sirecust 302. La señal de presión
está disponible desde el pin 23 y el ECG desde el 36.
También posee un display ,basado en LEDs de siete segmentos, que proporciona
información numérica sobre la exploración. Sin embargo, muchos de estos segmentos
no funcionan correctamente, con lo que no resultan de utilidad.
5.4.2. SECCIÓN DE REGISTRO DE ECG.
Análogamente dispone de varios controles que permiten configurar el registro de
ECG. Para seleccionar el tipo de medida se habilita un conmutador de derivaciones, que
ofrece la posibilidad de cambiar continuamente de punto de derivación.
Para la conexión con el bloque de captación de electrocardiograma dispone, al
igual que para la sección anterior, de un conector de 5 pines, del que únicamente se
utilizan tres.
ESI. Universidad de Sevilla. 49
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Al mismo tiempo, a través del conector de 37 pines anteriormente indicado, se
puede adquirir la señal registrada del ECG a través del pin 36 (anterior figura 5.10).
Para obtener el rango de tensiones que proporciona durante una exploración se conectó
el sistema a un corazón de conejo de 1,8 Kg. de peso, dando a la salida una onda dentro
del rango de –2 V a +2 V.
5.4.3. SECCIÓN DE REGISTRO DE PULSACIONES.
El equipo Sirecust 302 también permite captar y registrar pulsaciones. Al mismo
tiempo las representa mediante un display análogo al de presiones y con su mismo
problema. Sin embargo, este tipo de registros no son de utilidad para el grupo de
investigación, por lo que no se profundiza en sus características.
5.4.4. SECCIÓN DE MONITORIZACIÓN.
La posibilidad de visualizar de forma gráfica los procesos de exploración facilita
al experimentador un rápido reconocimiento del órgano. Se dispone de un monitor de
tubo de rayos catódicos. Para ello cuenta con dos canales que pueden emplearse al
mismo tiempo y unos conmutadores para seleccionar la señal a representar.
Debería mostrar las formas de ondas deseadas aunque, en ningún caso, ofrece
información numérica acerca de los rangos alcanzados (aspecto que suplirían los
displays). Una vez chequeado el equipo se comprueba que no funciona correctamente.
Tampoco permite almacenar los registros en soportes de memoria, con lo que precisa un
análisis “in situ”.
Por lo tanto, esta sección no resulta de utilidad según las especificaciones
demandadas por los investigadores, y es por esto por lo que se desarrollan los bloques
posteriores con el fin de crear un sistema que contemple esas características.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
5.5. BLOQUE DE DIGITALIZACIÓN.
La información que suministra el bloque de acondicionamiento de señal se
transmite en forma de señal analógica. Sin embargo, el sistema de adquisición de datos,
que permite la introducción de los datos al ordenador, está basado en el tratamiento de
señales digitales. Se precisa, por lo tanto, un bloque de digitalización que convierta las
señales de información analógica en señales digitales.
5.5.1. REQUISITOS.
Antes de diseñar el sistema es necesario definir las necesidades de
funcionamiento: acondicionamientos adicionales de señal, tipos de conexiones,
requisitos de señales a introducir y a sacar del circuito, velocidad, niveles de
codificación, etc.
El Sirecust 302 ofrece a su salida tensiones analógicas filtradas y amplificadas
en un rango diferencial de 5 V. Sin embargo, dependiendo de la naturaleza de la señal,
este rango puede contener valores negativos de tensión (en el caso del ECG), con lo cual
se ha de reacondicionarla para situarla en rangos positivos de entre 0 V y 5 V.
Las señales a introducir en el circuito son:
Señales de alimentación constante de 5 V y 15 V. Para la alimentación de los
distintos dispositivos que componen el bloque.
Señal regulable de tensión. Necesaria para el reacondicionamiento de la
señal ECG.
Señales de información. Son las procedentes del Sirecust 302, y contienen la
información de los parámetros cardíacos.
ESI. Universidad de Sevilla. 51
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
En cuanto a las señales a extraer:
Señal digital de información relativa a presión intraventricular.
Señal digital de información relativa al electrocardiograma.
Señales de tierra.
Por lo tanto, los conectores necesarios para la introducción de señales han de
poseer dos entradas cada uno. En cuanto a los de salida se precisan conectores de 9
pines, 8 de los cuales están asignados a bits de datos y el noveno para la transmisión de
tierra.
Tras realizar medidas experimentales y analizar las formas de onda a convertir
se considera que velocidades de muestreo de 50 milisegundos son más que suficientes
para garantizar una señal digitalizada de gran calidad. Al mismo tiempo se determina
que conversores de 8 bits de salida (256 niveles de cuantización y codificación)
representan en buenas condiciones la forma de onda introducida.
5.5.2. CARACTERÍSTICAS DE UN CONVERSOR ANALÓGICO-DIGITAL.
Un convertidor analógico-digital (en lo sucesivo, ADC) es un dispositivo cuya
función consiste en convertir las señales analógicas que se le introducen a un formato
digital. El proceso que tiene lugar durante la conversión involucra a tres operaciones
distintas: muestreo, cuantización y codificación (figura 5.11). Un reloj permite que la
conversión comience y termine cada Tc segundos (Tc representa al periodo de
conversión). En este intervalo, una señal analógica a la entrada se convierte en una señal
codificada en binario a la salida.
ESI. Universidad de Sevilla. 52
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.11. Distintas fases que intervienen durante una
conversión AD. El circuito S/H suele venir incluido e los
sistemas de alto rendimiento.
• Muestreo.
Un ADC opera bajo la suposición de que la señal analógica a la entrada
no cambia durante el proceso de conversión. Para asegurar que esto es cierto, los
sistemas de ADC de alto rendimiento suelen incluir un circuito de sample-and-
hold. Un circuito de sample-and-hold (S/H) muestrea una señal analógica
(dependiendo de las especificaciones del circuito lo realiza en el flanco de
bajada o en el de subida de la señal de reloj) y mantiene el valor obtenido
durante el “tiempo de conversión” (Tc). Esto provee a la entrada del convertidor
la señal constante que se requiere. Por ejemplo, cuando la señal de salida es una
rampa, a la salida del circuito se obtiene una forma de onda similar a una
escalera (figura 5.12).
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.12. Versión muestreada de una rampa tras aplicarse un proceso
de sample and hold. En el eje de abcisas se muestran los intervalos y en el
eje de ordenadas la codificación correspondiente.
LSB define el tamaño del escalón y da lugar al error de discretización.
En este caso (como en el del ADC0804) el máximo error de discretización
posible se establece en 1 LSB.
Un posible circuito S/H se muestra en la figura 5.13. Dado el uso de
amplificadores aparece un “error de offset”. Este implica que ante una señal de
entrada nula al amplificador, se produzca un valor a la salida distinto de cero,
por lo que al aparecer amplificadores en cascada, no sólo se aumenta la señal,
sino también el error. Distintas configuraciones para el circuito S/H consiguen
reducir de forma drástica este error, por ejemplo mediante la conexión de la
salida del segundo amplificador con la entrada negativa del primero.
Figura 5.13. Circuito de muestreo y retención ( Sample & Hold). Se utilizan amplificadores
operacionales como seguidores de tensión para desacoplar del resto del circuito.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
• Cuantización.
Consiste en asignar a cada intervalo de señal muestreado un número
entero en relación a su nivel de amplitud. En el ejemplo anterior (figura 5.12), a
cada escalón se le asigna un valor entre uno y ocho.
• Codificación.
El número de valores anteriormente comentado está directamente
relacionado con el número de bits disponibles para la codificación (ecuación
5.7).
nvaloresn 2º = Ecuación 5.7.
siendo n el número de bits disponibles por el codificador.
Finalmente, lo conseguido con el cuantizador se codifica en binario.
En los párrafos posteriores se presentan el resto de características y parámetros
de importancia para el análisis de un ADC.
La salida digital del ADC debe ser proporcional a la tensión de entrada
analógica. El valor digital en decimal que se obtiene a la salida del convertidor se
calcula a partir de la ecuación 5.8, mientras que en términos binarios se expresa desde la
ecuación 5.9.
⋅=
ref
inn
VV
D 2 Ecuación 5.8.
Ecuación 5.9. kn
kkbD 2
1
0∑
−
=
=
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Lógicamente, Vin ha de ser menor que Vref para que la salida se pueda codificar
con n bits, de esta forma, el valor máximo D obtenible viene dado por 2n-1. Indicar, que
si la señal de entrada es mayor o igual a Vref, el sistema se satura, dando como resultado
a la salida el valor 2n-1.
El número de bits n a utilizar está íntimamente ligado a un parámetro llamado
“resolución”, que indica el incremento de señal analógica que se produce desde un valor
digital D hasta su valor inmediatamente superior. A menudo se llama resolución al
número de bits n disponibles a la salida.
La “velocidad de muestreo” determina la precisión con la que la secuencia de
códigos digitales representa la entrada analógica. Así, cuanto más muestras se toman en
una determinada unidad de tiempo, más precisa es la señal digital.
Por último, la “precisión” es una comparación entre la salida real de un ADC y
la salida esperada. Incluye varias fuentes de error (de linealidad, de offset, etc.) y se
expresa como un porcentaje de la tensión de salida respecto a la de fondo de escala. Los
errores que incluye esté término se clasifican en estáticos y dinámicos:
Errores estáticos: Son los errores lineales y no lineales.
Errores dinámicos: Son los que se introducen durante el proceso de muestreo
de la señal.
La mejor manera de medir la precisión es a partir de la relación señal-ruido
(SNR, Signal to Noise Ratio) medida en dB y que suministra el fabricante. Este
parámetro engloba los diferentes tipos de errores y con él se puede calcular el número
efectivo de bits (ENOB, Efective Number Of Bits) que debe tener el convertidor
mediante la expresión:
02.6
75.1−=
SNRENOB Ecuación 5.10.
ESI. Universidad de Sevilla. 56
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
5.5.3. TIPOS DE CONVERTIDORES.
Existen muchas diferencias entre un tipo y otro de convertidores. Una de ellas,
por ejemplo, puede estar en la tensión de alimentación necesaria; otra, en los
mecanismos internos de conversión; también, la calidad disponible de la conversión
puede ser muy dispar de un ADC a otro.
En cuanto a las técnicas de implementación se clasifican en convertidores de
bucle abierto y convertidores de bucle cerrado. Dentro de los primeros destacan el
paralelo, el de rampa simple y el de rampa doble, y se caracterizan por su rapidez. En
los segundos los métodos que se pueden destacar son el de rampa digital, el de
seguimiento y el de aproximaciones sucesivas. Los de bucle cerrado necesitan un
convertidor digital-analógico (DAC) para realimentar la salida digital a la entrada
analógica. Por lo tanto, la precisión de cualquiera de ellos (mayor que los de bucle
abierto) dependerá de la precisión alcanzada por el DAC. Se presenta una breve
introducción de los distintos tipos, profundizando en los de bucle cerrado dado su
mayor potencial.
• ADC paralelo (flash).
El paralelo está basado en la utilización de 2n-1 comparadores en un
conversor de n bits para confrontar tensiones de referencia con una tensión de
entrada analógica. De esta forma, cuando la señal analógica es superior a una
tensión de referencia, a la salida del comparador se establece un nivel alto.
Las tensiones de referencia se obtienen a partir de divisores de tensión.
Por otro lado, la salida de los comparadores se introducen en un codificador de n
bits, que se encarga de construir la señal digital final.
Su ventaja es la rapidez de conversión, y su inconveniente el número
elevado de comparadores necesarios para la digitalización de algunas señales.
ESI. Universidad de Sevilla. 57
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
• ADC de rampa simple.
Se utiliza un generador de rampa lineal para obtener una señal analógica
cuya curva es una recta de pendiente constante positiva y fijada por Vref. Para
ello se emplea un circuito integrador a partir de operacionales, resistencias y
condensadores. Precisamente, debido al deterioro de la resistencia y el
condensador empleados, la constante RC puede variar con el tiempo provocando
distorsiones a la salida.
• ADC de doble rampa.
Su funcionamiento es similar al de rampa simple, sólo que aquí se
introducen dos rampas, una positiva de pendiente fija y otra negativa de
pendiente variable. La introducción de la segunda rampa evita el problema de la
distorsión, ya que se consigue independizar al tiempo de conversión de la señal
analógica.
• ADC de rampa digital.
Este es el primero de los pertenecientes a los de bucle cerrado. También
es conocido como método de rampa en escalera o método contador. En la figura
5.14 se muestra el esquema del convertidor.
ESI. Universidad de Sevilla. 58
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.14. Convertidor AD tipo bucle cerrado de rampa digital.
Inicialmente el contador está a cero. El valor digital ataca al DAC que da
como salida el valor analógico más bajo. Por pequeña que sea la entrada
analógica, la salida del comparador será a nivel alto. EL reloj puede pasar a
contador y éste comienza a incrementarse, lo que hace que la salida del DAC
incremente su valor hasta que llegue un momento en que la salida del DAC sea
mayor que la entrada analógica (hasta entonces va dando uno en la salida). En
este instante, el comparador proporciona una salida a nivel bajo bloqueando el
reloj y parando el contador. La lógica de control carga la cuenta binaria en los
latches y pone a cero el contador para que pueda iniciar una nueva conversión.
El valor almacenado en los latches es la salida digital.
Presenta el problema de que el tiempo de conversión es variable y
dependiente de la señal de entrada, por lo que normalmente, convierte en
intervalos irregulares.
• ADC de seguimiento.
Este método utiliza un contador ascendente/descendente y es más rápido
que el método de rampa digital, porque el contador no se pone a cero después de
ESI. Universidad de Sevilla. 59
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
cada muestreo, sino que sigue a la entrada analógica. Se muestra en la figura
5.15.
Figura 5.15. Convertidor AD tipo bucle cerrado de seguimiento.
Si la salida digital, una vez convertida a analógica, es menor que la
entrada, el comparador da salida positiva para que la cuenta sea ascendente y
viceversa. El problema que presenta es que si la entrada analógica se mantiene
constante durante un intervalo de tiempo, la salida permanece oscilando entre
dos valores digitales entorno a la señal de entrada.
• ADC de aproximaciones sucesivas.
Es el método más usado de conversión AD. Tiene un tiempo fijo de
conversión para cualquier entrada analógica y además, es mucho menor que el
empleado en los otros métodos, a excepción del flash. La salida digital se busca
de forma dicotómica. La figura 5.16 muestra el esquema de un ADC por
aproximaciones sucesivas de 8 bits. Está formado por un DAC, un comparador y
una lógica de aproximaciones sucesivas.
ESI. Universidad de Sevilla. 60
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.16. Convertidor AD tipo bucle cerrado de aproximaciones sucesivas.
Su funcionamiento básico es el siguiente: inicialmente el bit más
significativo está a 1 y el resto a 0. El sistema utiliza n ciclos de reloj y en cada
uno de ellos se evalúa uno de los bits, comenzando por el más significativo.
Cuando se finaliza con un bit, se pone a nivel alto y se comprueba la salida que
genera el comparador para ese valor. Si la salida es 1 indica que ese bit mantiene
el nivel alto y si es 0 pasa a nivel bajo. Una vez que se ha fijado un bit del
registro se pasa a evaluar el siguiente menos significativo de la misma manera
hasta llegar al último.
5.5.4. CHIP ADC0804.
Aquí se describen las principales características técnicas del dispositivo
seleccionado para la conversión, el ADC0804 de National Semiconductor, aunque para
mayor información se remite al Anexo III que contiene con todo detalle estas
características de forma ampliada, así como las distintas opciones de uso,
configuraciones posibles, etc. Las razones de esta elección están basadas en las buenas
cualidades que posee con respecto a los requerimientos de velocidad y niveles de
cuantización del sistema físico. Se considera como valor añadido su reducido precio, ya
que, para otros dispositivos en el mercado con mayor velocidad de conversión el precio
se incrementa en demasía.
ESI. Universidad de Sevilla. 61
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
• Descripción.
Se trata de un conversor analógico-digital con 8 bits de salida, basado en el
método de aproximaciones sucesivas aceptando a la entrada tensiones diferenciales en
un rango de 0V a 5V. Los distintos pines de conexión se detallan en la figura 5.17.
Figura 5.17. Pines de conexión del ADC0804. Las
señales con barra superior se consideran activas a nivel
bajo, el resto lo están a nivel alto.
El pin de salida INTR indica la finalización del proceso de conversión. El chip
WR , activa los procesos de escritura. La entradaCS (chip select) permite la activación
de los circuitos internos en el chip. El pin de entrada RD (read) permite lecturas. Para
iniciar una conversión, los pines CS y RD deben estar a nivel bajo al mismo tiempo. La
entrada diferencial de datos se hace a través de Vin+ y Vin-, mientras que la salida de
datos digitalizados se proporciona desde el pin DB0 (bit menos significativo) al DB7
(bit más significativo). Con Vref /2 se elige el valor de fondo de escala (siempre con Vref
comprendida entre 0 y 5V), así, para una conversión de valores entre 0 y 4V, se
introduciría Vref /2 = 2.
Por último, el reloj se consigue a través de los distintos usos de CLK R y CLK
IN. Se utiliza para controlar los diferentes pasos dentro de un proceso de conversión
ESI. Universidad de Sevilla. 62
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
mediante aproximaciones sucesivas. El chip contiene en su interior un oscilador interno
que se habilita cuando en los dos pines anteriores se conectan un condensador y una
resistencia como en la figura 5.19. Estos dos componentes determinan la frecuencia del
reloj del ADC. También ofrece la posibilidad de introducir una señal de reloj externa
para obtener mayor precisión (no suele usarse desde que los chips incorporan la función
de notificar al PC cuándo finaliza el proceso de conversión).
De los distintos modos de funcionamiento que permite, se configura (mediante
circuitería) el llamado free-running mode, mediante el cual el conversor, desde que es
alimentado, comienza un proceso de digitalización continua de la señal analógica
introducida.
Una vez establecido el nivel de Vref/2, el valor digital en decimal correspondiente
viene dado por la siguiente ecuación:
⋅=
ref
in
VV
D 255 Ecuación 5.11
que en términos de salida binaria significa:
Ecuación 5.12. 00
55
66
77 2222 bbbbD ++++= K
• Funcionamiento.
La tensión analógica diferencial se introduce a través de los pines Vin+ y
Vin-. Cuando finaliza la conversión se transfiere el resultado a los latches de
salida y se activa la señal INTR a nivel bajo. El dispositivo se configura para
funcionar en free-running mode, conectando la salida INTR a la entrada de
escritura (WR ) y manteniendo la entrada de inicio de conversión (CS ) a nivel
bajo.
ESI. Universidad de Sevilla. 63
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Cuando las entradas WR y CS están a nivel bajo, el ADC se encuentra en
un estado de RESET. En el momento que una de ellas conmute a nivel alto se
inicia un proceso de conversión.
Para leer el resultado de la conversión se ponen a nivel bajo las entradas
CS y RD . Cuando una de ellas pasa a nivel alto, las salidas digitales
DB0,..,DB7 pasan a triestado.
En la figura 5.18 se muestra el diagrama de tiempos que se produce
durante una conversión.
Figura 5.18. Diagrama de tiempos para distintos pines del ADC durante un proceso de conversión.
• Características.
Se recuerda que el Anexo III contiene las especificaciones completas del
dispositivo, así como distintas configuraciones dependiendo del tipo de interface
a utilizar. Se detallan aquí las características más importantes y que han influido
en la elección del dispositivo:
ESI. Universidad de Sevilla. 64
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Modelo estándar de chip con 20 pines.
Alimentación con 5V.
Entrada diferencial en el rango de 0V a 5V.
Ajuste de cero no requerido.
Valor de referencia ajustable de hasta 5V.
8 bits de resolución.
Error total máximo de ±1 LSB.
Tiempo de conversión igual a 100µs.
Tasa de conversión en free-running mode entre 8870 y 9708 conv/s.
5.5.5. CIRCUITO DISEÑADO. MATERIAL NECESARIO.
La circuitería de este bloque tiene como fin captar señales analógicas a la
entrada (las relativas a presión y electrocardiograma) y proporcionar a la salida la
misma información, pero de forma digitalizada. Los valores de tensión referentes al
electrocardiograma y los relativos a presión intraventricular se introducen en el circuito
a través de conectores distintos, y pasan por circuitos paralelos para su conversión a
digital por lo que usaremos dos ADC0804.
Como se comenta anteriormente, los ADC empleados se configuran mediante
circuitería en el modo de conversión continua (free-running mode) conectando entre sí
los pines INTR y WR . La tensión de fondo de escala se activa a su valor máximo
permitido (+5V). Para un correcto funcionamiento, tras la activación del circuito se hace
necesaria la activación de un reset cuyo fin es puentear a tierra momentáneamente la
entrada WR . Para ello, se introduce un botón de reset que será necesario activar al
iniciar cualquier proceso de adquisición de datos.
Para la extracción de señales se emplean conectores estándar de 9 pines, unidos
mediante circuitería a las salidas de datos del ADC0804, es decir, desde los pines 18
(para el menos significativo) al 11 (para el más significativo).
ESI. Universidad de Sevilla. 65
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
El esquema del circuito de digitalización diseñado para las señales de presión se
presenta a continuación (figura 5.19):
Figura 5.19. Esquemático del circuito de digitalización para la señal de presión.
Para la parte del ECG se implementa un bloque previo de reacondicionamiento
de señal. Esto se debe a que las señales que provienen del Sirecust 302 relativas al ECG
de un corazón de conejo, lo hacen, aproximadamente, en un rango de tensiones de –2V
a +2V, mientras que el ADC0804 especifica para su entrada señales positivas de entre
0V y 5V. Para solucionarlo se incorpora un circuito sumador basado en los dos
amplificadores operacionales que proporciona el chip 747. Dada la incertidumbre en el
rango exacto a examinar se permite regular al experimentador la señal a sumar a la
tomada desde el Sirecust 302, elevándola de forma que el rango resultante esté dentro
de los márgenes permitidos por el ADC. Este proceso se realiza de forma sencilla una
vez ejecutado el programa de adquisición de ECG desde el ordenador y observando en
pantalla que la señal captada no ha sufrido ningún proceso de saturación. Además, para
los casos en los que la señal de entrada esté fuera del rango permitido se dispone de una
estructura tipo divisor de tensiones entre dos amplificadores operacionales, que la
desacopla del resto del circuito. El circuito resultante se muestra a continuación (figura
5.20). La identificación de los conectores del chip 747 se muestra en la figura 21.
ESI. Universidad de Sevilla. 66
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.20. Esquemático del circuito de digitalización para la señal de ECG. El chip 747 contiene
amplificadores operacionales, con los que se diseña, por un lado, un sumador regulable para elevar la
señal de ECG, y por otro, dos seguidores de tensión.
Figura 5.21. Descripción de patillas de conexión del chip 747.
Finalmente, y para una mejor manipulación se protege al circuito
introduciéndolo en una caja, donde se localizan en los laterales los conectores de 9 pines
ESI. Universidad de Sevilla. 67
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
de salida y todas las entradas necesarias. En la parte superior se dispone del botón de
reset.
5.6. BLOQUE DE ADQUISICIÓN DE DATOS.
Para monitorizar y poder almacenar todo el experimento se necesita un sistema
de adquisición de datos que permita introducir las señales digitalizadas por el bloque
anterior en el ordenador. Para ello, en el PC se instala una tarjeta de adquisición de
datos, modelo DT331 de Data Translation, de la cual, únicamente, se utilizan dos de sus
puertos digitales (puerto B y puerto C) configurados como puertos de entrada.
La tarjeta permite comunicar al programa diseñado en HP VEE 5.0 (subcapítulo
5.7) con el exterior, proporcionando una interfaz entre las señales digitalizadas
anteriormente (que representan a los parámetros coronarios medidos: presión
intraventricular y electrocardiograma) y el software diseñado, siendo capaz de
representar gráficamente los datos medidos y almacenarlos para un posterior
tratamiento.
Debido a la diversidad de requerimientos provenientes de los distintos proyectos
satélites que forman en proyecto global en su fase experimental, se precisa una tarjeta
que permita una gran polivalencia y que satisfaga las demandas de puertos de
comunicación necesarios. A saber: varios puertos digitales de entrada/salida, que
puedan ser configurados según el uso; y 4 puertos analógicos de salida, para el control
de las bombas en el sistema de perfusión. La introducción de una señal analógica en el
PC puede evitarse introduciéndola, previamente, en un bloque de digitalización, por lo
que no se considera necesaria la existencia de entradas analógicas.
En cuanto a los rangos de tensión requeridos para los distintos puertos, se
determina que los puertos digitales deben permitir un correcto funcionamiento para un
rango de entre 0 V y 5 V, mientras que los puertos de salida analógica han de ofrecer
un rango de tensión que permita controlar las bombas.
ESI. Universidad de Sevilla. 68
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Por otro lado, para el diseño del software se establece que ha de realizarse sobre
HP VEE 5.0 (Hewlett Packard Visual Engineering Enviroment), por lo que la elección
de la tarjeta también queda determinada por la compatibilidad entre ambos.
Tras evaluar las ventajas e inconvenientes de las distintas soluciones existentes
en el mercado, se decide por la adquisición de la Tarjeta DT331, perteneciente a la serie
DT330 de Data Translation.
5.6.1. TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DT331.
Pertenece, como se ha indicado anteriormente, a la familia de tarjetas de
adquisición de datos con múltiples canales de entrada-salida de la serie DT330 de Data
Translation y cubre los distintos objetivos que se planteaban en el proceso de selección
de material.
Consta de 4 canales de salida analógicos con una resolución de 12 bits, aunque
su principal virtud es la versatilidad que proporciona, al ofrecer una amplia gama de
rangos de tensiones disponibles y configurables vía software: De –10 V a +10V, de 0 V
a 10 V, de –5 v a +5 V y de 0 V a 5 V. Además, garantiza una intensidad de salida
mínima de 5 mA (para ver el resto de especificaciones técnicas se remite al Anexo IV).
El conjunto estos cuatro canales se destina, íntegramente, a controlar las 4 bombas
peristálticas dentro del sistema de perfusión, por lo que no se utilizan en el proyecto que
se presenta.
Ofrece 32 líneas digitales bidireccionales (es decir, de entrada/salida o I/O),
agrupadas en cuatro puertos de 8 líneas cada uno: puerto A, puerto B, puerto C y puerto
D. Cada uno de ellos puede ser configurado como entrada o como salida, ahora bien,
dentro de un mismo puerto no es posible tener líneas configuradas en sentidos distintos.
El rango de tensiones que permite es de 0 V a 5 V, garantizando una correcta
interpretación de niveles de entrada para cada uno de los cuatro puertos en función de lo
siguiente: un nivel alto de entrada, para tensiones por encima de 2 V; y un nivel bajo de
entrada, para tensiones por debajo de 0.8 V. Por otro lado, mientras que los puertos A, B
ESI. Universidad de Sevilla. 69
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
y C se utilizan con propósito general, el puerto D permite la generación de
interrupciones, mediante el cambio de estado de cualquiera de sus 8 líneas. Esta
característica es muy útil cuando se requiere supervisar señales críticas o cuando se
precisa indicar al ordenador la transferencia de datos a través de cualquiera de los
puertos restantes.
Para el proyecto se han utilizado 2 de los 4 puertos, ambos configurados como
canales de entrada de datos. El puerto B se destina a la adquisición de señales que
provienen del transductor de presiones, es decir, contiene información a cerca de las
presiones intraventriculares captadas. El puerto C se ocupa de adquirir las señales
procedentes de los electrodos, es decir, contiene el perfil del electrocardiograma. El
resto de puertos (A y D) quedan libres y disponibles para un posterior uso adicional,
como la captura de otra serie de parámetros coronarios o la realización de un bucle
cerrado para el control del sistema de perfusión.
5.6.2. INSTALACIÓN FÍSICA.
La conexión de las tarjetas de la serie DT330 y, en particular, de la DT331 a un
PC, se realiza a través de un bus PCI (figura 5.22). El diagrama de bloques de conexión
se muestra en la figura 5.23.
Tarjeta de la serie DT330
Conector de bus PCI
Figura 5.22. Instalación de la tarjeta de adquisición de datos a través del bus PCI.
ESI. Universidad de Sevilla. 70
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.23. Diagrama de bloques para la conexión de los puertos disponibles desde la tarjeta.
5.6.3. SOFTWARE NECESARIO.
Como se advierte anteriormente, la elección de la tarjeta de adquisición de datos
está condicionada a la compatibilidad con el software HP VEE 5.0 en el programa de
monitorización. Pero además de éste, se necesita un software para programar la tarjeta
DT331 y ajustarla a los requerimientos deseados, tal que pueda comunicarse con el HP
VEE y permita una correcta interpretación de datos durante el proceso de
comunicación. Por ejemplo, una señal de salida a nivel alto por la línea 1 del puerto A,
ordenada desde HP VEE a nivel gráfico, ha de provocar la misma situación a nivel
físico. El programa encargado de establecer dicha correspondencia se denomina DT
VPI, y la versión a usar es la 5.0.
No obstante, la adquisición de la tarjeta trae consigo una importante colección de
software y documentos adicionales que, en su mayor parte, no se llega a utilizar en el
proyecto:
ESI. Universidad de Sevilla. 71
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
• Contenidos del Data Acquisition CD OMNI.
DT330 Series Device Driver. Son los drivers necesarios para la serie DT330.
Deben ser instalados y cargados para poder usar la tarjeta con cualquiera de
los programas o utilidades que lo soporten.
The Quick Data Acq application. Esta aplicación permite una rápida puesta
en funcionamiento de la tarjeta y verificar sus características, así como
monitorizar y guardar datos en disco.
Calibration Utility. Permite calibrar las salidas analógicas.
Test PointTM, consiste en un sistema de desarrollo profesional orientado a
objetos con capacidades de arrastrar y dejar caer (drag-and-drop).
DT VPI 6.0., que no resulta válido, debido a que la versión disponible y
compatible con él de HP VEE, es la demo 6.0, cuyas características están
limitadas.
ScopeTM. Básicamente consiste en un emulador gráfico de varios
instrumentos, entre ellos un osciloscopio multicanal con display en tiempo
real y configurable tanto en tiempo como en frecuencia.
Versión demo de VEE 6.0. No resulta válido para la realización del
programa necesario, debido a las limitaciones que trae consigo.
Acrobat Reader 4.0. Para poder visualizar los documentos asociados a esto
programas.
• Otros programas y aplicaciones disponibles en el mercado.
DTx-EZTM para el uso de controles de ActiveX, para adquisición de datos y
ploteado de alta velocidad.
VEE ProTM con DT VPI y MATLAB.
Script, que es un entorno de programación gráfica para crear aplicaciones de
pruebas y medidas que soporta toda la funcionalidad de las tarjetas de Data
Translation.
VEE One Lab, versión reducida y de bajo coste de VEE Pro, para ingenieros
y científicos individuales.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
DT-LV LinkTM, para los usuarios que utilicen como lenguaje de
programación el proporcionado por Lab View.
HP Instrument Drives. Permite actuar sobre un conjunto de dispositivos de
medida fabricados por la marca Hewlett Packard.
HP I/O Libraries for Instrument Control. En este caso, son equipos de
control los que pueden ser manipulados desde el PC.
Debido a las limitaciones de la versión demo HP VEE 6.0, se plantean dos
soluciones. Por un lado, la compra de la licencia de la versión completa, del alto coste
económico. Y por otro lado, la compra del software DT VPI 5.0, compatible con la
tarjeta y con la versión 5.0 de HP VEE (programa del que sí se dispone de la versión
completa, con su correspondiente de licencia).Tras un largo proceso de negociación se
adquiere el DT VPI 5.0 a coste cero, por lo que se convierte en la solución óptima y
definitiva.
Para una información más detallada se remite a los siguientes documentos:
The DT330 Series User´s Manual (UM-17416). Incluido en el CD OMNITM
de adquisición de datos proporcionado con las tarjetas de la serie DT330.
Describe las características de las tarjetas de la serie DT330 y su dispositivo
driver al detalle.
DataAcq SDK Getting Started Manual (UM-18326). Incluido en el CD
OMNITM de adquisición de datos proporcionado con las tarjetas de la serie
DT330. Describe como desarrollar un programa propio de aplicación
utilizando el compilador Microsoft C y como usar el DT-Open Layers
DataAcq SDKTM para acceder a las capacidades que ofrecen las tarjetas de
adquisición de datos de Data Translation.
DTx-EZ Getting Started Manual (UM-15428). Describe como usar los
controles del ActiveX proporcionados en DTx-EZTM para acceder a las
capacidades que ofrecen las tarjetas de adquisición de datos de Data
Translation utilizando Microsoft Visual Basic o Visual C++.
DT VPI User´s Manual (UM-16150). Describe como usar el DT VPITM y el
Agilent VEETM como lenguaje de programación visual para acceder a las
capacidades de las tarjetas de adquisición de datos de Data Translation.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
DT-LV Link Getting Started Manual (UM-15790). Describe como usar el
DT-LV LinkTM con el lenguaje de programación gráfica para acceder a las
capacidades de las tarjetas de adquisición de datos de Data Translation.
5.6.4. SCREW-PANEL.
El conjunto de las señales disponibles en la tarjeta DT331 se suministran a través
del conector de 68 pines ubicado en la parte exterior. En las tablas 5.2 y 5.3 se
identifican cada uno de ellos.
• Salidas analógicas y alimentación:
Descripción Pin Descripción Pin
Salida +5 V 1 Tierra de alimentación 35
Salida DAC0 28 Retorno DAC0 27
Salida DAC1 62 Retorno DAC1 61
Salida DAC2 30 Retorno DAC2 29
Salida DAC3 64 Retorno DAC3 63
Salida DAC4 32 Retorno DAC4 31
Salida DAC5 66 Retorno DAC5 65
Salida DAC6 34 Retorno DAC6 33
Salida DAC7 68 Retorno DAC7 67
Tabla 5.2. Identificación de pines relacionados con las salidas analógicas y alimentación de la tarjeta
DT331.
ESI. Universidad de Sevilla. 74
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
• Entradas-Salidas digitales:
Descripción Pin Descripción Pin
Tierra digital 57 Tierra digital 23
Puerto A, Línea 0 56 Puerto A, Línea 1 22
Puerto A, Línea 2 55 Puerto A, Línea 3 21
Puerto A, Línea 4 54 Puerto A, Línea 5 20
Puerto A, Línea 6 53 Puerto A, Línea 7 19
Tierra digital 52 Tierra digital 18
Puerto B, Línea 0 51 Puerto B, Línea 1 17
Puerto B, Línea 2 50 Puerto B, Línea 3 16
Puerto B, Línea 4 49 Puerto B, Línea 5 15
Puerto B, Línea 6 48 Puerto B, Línea 7 14
Tierra digital 47 Tierra digital 13
Puerto C, Línea 0 46 Puerto C, Línea 1 12
Puerto C, Línea 2 45 Puerto C, Línea 3 11
Puerto C, Línea 4 44 Puerto C, Línea 5 10
Puerto C, Línea 6 43 Puerto C, Línea 7 9
Tierra digital 42 Tierra digital 8
Puerto D, Línea 0 41 Puerto D, Línea 1 7
Puerto D, Línea 2 40 Puerto D, Línea 3 6
Puerto D, Línea 4 39 Puerto D, Línea 5 5
Puerto D, Línea 6 38 Puerto D, Línea 7 4
Tierra digital 37 Tierra digital 3
Tabla 5.3. Identificación de pines relacionados con las entradas/salidas digitales para tarjeta DT331.
• Pines no conectados:
2, 24, 25, 26, 36, 58, 59, 60.
ESI. Universidad de Sevilla. 75
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Una vez identificados los distintos pines y las señales que suministran, se aprecia
la necesidad de separarlos físicamente, de forma que se pueda acceder a ellas mediante
conexiones independientes. Se construye, entonces, un dispositivo denominado Screw-
panel que facilita el acceso a los distintos grupos de señales usados en la fase
experimental del proyecto global. Es decir, puertos analógicos 1, 2, 3 y 4 (para el
control de las bombas peristálticas) y puertos digitales B y C (para la monitorización de
la presión intraventricular y el electrocardiograma, respectivamente), como se muestra
en la (figura 5.24).
Figura 5.24. Tarjeta de conexiones multipuerto o Screw-panel. Facilita
la conexión a los distintos puertos disponibles desde la tarjeta.
Así mismo, se precisa la implementación de un interfaz que conecte el sistema
digitalizador con el Screw-panel. Para ello se han fabricado cables con conectores
estándar de 9 pines (figura 5.25).
ESI. Universidad de Sevilla. 76
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.25. Cables de conexión entre Screw-panel y Bloque de digitalización
5.6.5. REQUISITOS DEL PC .
DT VPI 5.0 y HP VEE 5.0 necesitan:
Microprocesador 80386 a 33 MHz o superior, aunque se recomienda un PC
con procesador igual o superior al Pentium I.
Memoria RAM de, al menos, 8 MB. Se recomienda un mínimo de 16 MB.
Monitor SVGA 800x600. Se recomienda UltraVGA 1024x768.
Lector de CD ROM.
Al menos 100 MB. de espacio libre en el disco duro.
Hoy en día estos requisitos son fácilmente asumibles por cualquier organización
con infraestructura medianamente actualizada.
5.7. BLOQUE DE PROGRAMACIÓN. PROGRAMA CRYOCA.
En presente bloque tiene como fin último ofrecer al experimentador una interfaz
gráfica sencilla con el equipo de instrumentación (programa CRYOCA). Además, debe
representar los registros realizados en tiempo real, almacenarlos en memoria, permitir
recuperarlos posteriormente y poder seleccionar el tipo de exploración a realizar
(presión o ECG).
ESI. Universidad de Sevilla. 77
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Los potentes programas existentes en el mercado permiten simular el panel
frontal de un instrumento de medida apoyándose, para ello, en dispositivos hardware
accesibles desde el ordenador (tarjetas de adquisición de datos, tarjetas DSP, etc.).
Todo esto da pie el control de instrumentación por ordenador, cuya gran expansión se
produjo en la década de los noventa tras la incorporación de procesadores de 16 y 32
bits a equipos accesibles.
La construcción de estos instrumentos virtuales se realizaba en lenguajes de
programación en modo texto y requerían de un arduo proceso de aprendizaje. Sin
embargo, con el tiempo han aparecido diversas herramientas de programación gráfica
que han simplificado notablemente su proceso de creación, potenciando,
particularmente, la reducción del tiempo de desarrollo. Ejemplos de esto programas son:
Lab View, de National Instruments; HP VEE, de Hewlett Packard; y Visual Designer,
de Burr Brown. Los dos primeros son los más utilizados actualmente y proporcionan
características similares. Como información adicional se remite al Anexo V donde se
ofrece una comparativa entre algunos de ellos.
Normalmente, el funcionamiento de estos programas está basado en la
utilización de dos ventanas. En una de ellas se implementa el panel frontal, es decir, el
lugar donde se localizarán los controles disponibles y los monitores para la
representación de variables de forma gráfica o numérica, representando el frontal de un
equipo físico de instrumentación. La segunda ventana se encarga de soportar en nivel de
programación y se puede decir que hace las veces del circuito impreso. Además, se
dispone de múltiples librerías que ofrecen todo tipo de controles, indicadores y
monitores ya diseñados, aunque el usuario siempre puede optar por el diseño y
realización de instrumentos totalmente personalizados.
5.7.1. HERRAMIENTA GRÁFICA DE PROGRAMACIÓN HP VEE.
Se establece como el software de programación a usar en el proyecto. Esto se
debe a la gran compatibilidad que presenta con las tarjetas de adquisición de datos
presentes en el mercado, la programación en alto nivel orientado a tareas que permite, y
ESI. Universidad de Sevilla. 78
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
su uso por otros grupos de investigación relacionados con el proyecto. Con él se
consigue simular un aparato de monitorización y almacenamiento de parámetros
cardíacos, mediante la creación de menús de ventanas que va guiando en todo momento
al usuario para la utilización del mismo.
En particular, HP VEE permite la importación de datos desde diversos
programas de aplicación (Excel, Word, MATLAB, etc.), lenguajes de programación
(Visual C++, Lab View, etc.) y equipos robotizados a través de la herramienta ActiveX.
De esta forma es posible utilizar la gran multitud de funciones preprogramadas que, por
ejemplo, ofrece Matlab.
Una vez arrancado el programa aparece en la parte superior la barra de
herramientas principal, a partir de la cual puede accederse a los distintos menús. Justo
debajo, se localiza una región configurable por el programador donde se pueden situar
accesos directos (mediante iconos) a las funciones más utilizadas (figura 5.26).
Figura 5.26. Barra de herramientas y algunos iconos disponibles como accesos directos a las funciones
más empleadas.
En HP VEE, el desarrollo de las distintas aplicaciones se realiza en la ventana de
programación (en HP VEE, Detail View), mediante la incorporación e interconexión de
objetos. Sin embargo, se puede crear un panel frontal (en HP VEE, Panel View) donde
sólo aparezcan los objetos del Detail View deseados.
Una vez finalizada la programación, se inicia una secuencia de ejecución,
mediante la cual se recorren todas estas conexiones y objetos. Estos objetos provienen
de las librerías disponibles en los múltiples menús e incluyen gráficos, displays,
funciones matemáticas avanzadas, procesamiento de señal y otra serie de características
de gran potencial. Mediante el objeto denominado UserObject se permite la creación de
ESI. Universidad de Sevilla. 79
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
objetos personalizados, añadiendo las entradas y salidas de datos requeridas e
incluyendo los objetos necesarios. Con esto se consiguen bloques de mayor entidad y
funcionalidad. Puede hacerse de forma manual o automática. Para la manual, se hace
creando un UserObject, ubicado en la barra de herramientas principal, en el menú
Device; para la automática, se seleccionan los objetos que se desean incluir y activando
Create UserObject dentro de Edit.
La gran ventaja de utilizar UserObject es que permite una programación
modular, de forma que pueden ser reutilizados a lo largo del programa si se convierten,
previamente, en UserFunction seleccionando Make UserFunction en el menú del
objeto. Así se pueden llamar las funciones tantas veces como se quiera dentro de un
programa.
Todos los objetos son de forma rectangular y a cada lado tiene un tipo de
conexión diferente. En la parte superior de cada objeto se dispone de un solo pin de
conexión, que representa la entrada de la secuencia. Con esta entrada se controla cuando
se quiere que se ejecute el objeto. De forma análoga, en la parte inferior del objeto se
tiene un único pin de conexión para la salida de la secuencia. Con esta salida se controla
que los objetos a los cuales esté conectada se ejecutan después del objeto. En la parte
izquierda del objeto puede haber un número variable de pins, que permiten la entrada de
datos al objeto. Por último, en la parte derecha, también puede ser configurado otro
número variable de pins para la salida de datos. Todo esto depende del tipo de objeto
seleccionado y de la aplicación que se le quiera dar en cada caso. Además, la conexión
de pins de secuencia es opcional, y sólo se utiliza cuando es necesario controlar el orden
de ejecución de los objetos. Además, un objeto puede verse de dos maneras: abierto o
cerrado. Si está abierto, nos muestra su contenido o la operación que realiza y la
identificación de los distintos pines; mientras que cerrado, únicamente muestra su
nombre y su icono. En la fase de programación es conveniente tener los objetos abiertos
para tener una visión real de todas sus posibilidades de configuración (figura 5.27). Una
vez creado e interconexionado el objeto se recomienda cerrarlo con el fin de simplificar
la presentación en pantalla y mejorar el tiempo de ejecución.
ESI. Universidad de Sevilla. 80
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.27. A la izquierda se muestra el objeto Function Generator en su formato cerrado. A la
derecha, el mismo objeto aparece abierto, apreciándose las distintas opciones de configuración,
dos de las cuales (Function y Amplitude) se realizan, a deseo del programador, a través del los
pines de entrada de datos.
Cada objeto dispone de su propio menú de edición donde se configuran sus
parámetros como el formato numérico, el título, el color, las escalas, etc., dependiendo
del objeto seleccionado. Este menú se activa haciendo clic con el botón derecho del
ratón en cualquier punto de la barra de título del objeto o las zonas de los terminales y
también haciendo clic con el botón izquierdo en el cuadro superior izquierdo del objeto
abierto. Se debe tener en cuenta que el menú puede ser diferente para un mismo objeto
dependiendo de que éste se encuentre abierto o cerrado.
Para la creación del Panel View, debe activarse Add to Panel en el menú Edit
una vez hayan sido seleccionados los objetos que se deseen tener en él. Una vez allí, se
pueden variar sus características (tamaño, escalas, colores, etc.), aun siendo los mismos
que en el Detail View y sin que varíen en este último. Si lo que se persigue es que un
objeto determinado aparezca en el Panel View mientras se ejecuta (por ejemplo, para
configurar parámetros del programa), se ha de activar Show Panel on Exec en el menú
del UserObject.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Por otro lado, para la ejecución y observación de resultados no se precisa la
creación del Panel View, aunque sí se recomienda si lo que se pretende es simplificar la
manipulación al usuario, de forma que no tenga que acceder al código.
5.7.2. CÓDIGO DEL PROGRAMA CRYOCA. DETAIL VIEW.
En este subapartado se explican cada una de las partes de las que consta la
estructura del programa mediante la identificación y justificación de todos los objetos
utilizados. Para más información se ha incorporado a la memoria del proyecto el Anexo
VI a modo de manual de programador donde se muestran, de forma detallada, las
definiciones, ubicaciones, funcionalidades y aplicaciones de cada uno de estos objetos.
El programa se diseña según un modelo de programación estructurada, con el
objetivo de obtener un resultado lo más claro y eficiente posible. Para ello se tiene un
especial cuidado a la hora de programar, simplificando el código en lo posible (en este
caso, el número de objetos a utilizar).
En la figura 5.28 se muestra un esquema básico que facilita el seguimiento a
través de los diferentes bloques de los que consta el programa. Éste es válido tanto para
el Detail View como para el Panel View.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
SELECCIÓN TIPO DE
REGISTRO.
REGISTRO DE
ECG.
REGISTRO DE
PRESIONES.
LEER ANTIGUO REGISTRO DE
ECG.
CREAR NUEVO REGISTRO DE PRESIONES.
SELECCIÓN ORIGEN DE
DATOS
SELECCIÓN ORIGEN DE
DATOS LEER ANTIGUO REGISTRO DE PRESIONES.
CREAR NUEVO REGISTRO DE
ECG.
INICIO.
Figura 5.28. Conjunto de módulos que constituyen el programa CRYOCA.
• Inicio.
Es la ventana con la que comienza el programa (Main). En ella se decide
el tipo de registro que se desea realizar: un electrocardiograma o un registro de
presiones.
El objeto Inicio es uno de tipo Start, mediante el cual, una vez presionado
se activa la secuencia del programa.
El objeto Selección es un User Object, al igual que Registro de ECG y
Registro de presiones. Con ellos se diseñan los restantes bloques del programa.
ESI. Universidad de Sevilla. 83
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.29. Ventana inicial Main. Contiene los distintos User Object a partir de los cuales se
desarrolla el programa. Con el objeto Inicio se activa la ejecución.
Para contemplar el caso en el que se desee finalizar la ejecución del
proceso se introduce el objeto Fin, del tipo Stop.
Por último, el objeto Note Pad permite introducir texto informativo
adicional. En este caso se utiliza para indicar el autor del proyecto y el nombre
del grupo de investigación en el Panel View.
• Selección tipo de registro.
Realiza una captura desde teclado para optar entre las distintas opciones,
ECG o presiones. Para ello se configura el objeto Integer Input tal y como
aparece en la figura 5.30.
ESI. Universidad de Sevilla. 84
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.30. User Object Selección tipo de registro. Con Integer Input se realiza una captura desde
teclado para indicar la opción.
Registro de ECG, Registro de presión y Terminar son objetos tipo Label,
que permiten introducir una etiqueta de texto con el fin de utilizarlo en el Panel
View.
En cuanto al objeto If/Then/Else, se emplea para hacer efectiva la opción
requerida desviando la secuencia del programa hacia ella.
• Registro de ECG. Selección origen de datos.
Mediante este User Object se diseña el esquema que permite seleccionar
el origen de los datos que se desean monitorizar. Se basa en el empleo de otros
User Objects que se detallan más adelante: Selección origen de datos, Crear
nuevo registro de ECG y Leer antiguo registro de ECG.
ESI. Universidad de Sevilla. 85
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Se dispone de un objeto Stop denominado Fin por si se desea acabar con
la aplicación.
Figura 5.31. Registro de ECG. Selección origen de datos. Ventana encargada de seleccionar el
origen de los datos de ECG que se desean monitorizar.
• Registro de presiones. Selección origen de datos.
Su aplicación y descripción es análoga que para el esquema de
programación adoptado en el caso del Registro de ECG. En este caso, los User
Objects empleados se denominan Crear nuevo registro de ECG y Leer antiguo
registro de ECG, y el objeto Stop nombrado como Fin.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.32. Registro de presiones. Selección origen de datos. Ventana encargada de seleccionar
el origen de los datos de presión que se desean monitorizar.
• Selección origen de datos.
Es el mismo tanto para el registro de ECG como para el registro de
presiones (figura 5.33). Además, si se compara con el Detail View llamado
Selección tipo de registro (figura 5.30), se comprueba que su estructura es
similar, utilizando el mismo tipo de objetos: Label, para los textos de las
distintas opciones; Integer Input, para la captura desde teclado de la opción a
realizar; e If/Then/Else para distinguir entre los distintos caminos a tomar por la
secuencia.
El origen de estos datos puede provenir de dos fuentes distintas: de una
fuente de adquisición de datos en tiempo real, para la cual se utilizan todos los
bloques diseñados en el proyecto; o bien de una captura anterior almacenada en
memoria, ya sea de ECG o presión, que emplea únicamente el programa
software realizado a tal efecto.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.33. Selección origen de datos. User Object que posibilita indicar al usuario el origen de los
datos a representar.
• Crear nuevo registro de ECG.
Pretende representar datos relativos al ECG en tiempo real y ofrecer la
posibilidad de almacenar el proceso en un archivo.
Es en este User Object y es los sucesivos donde existe una marcada
diferencia entre las funcionalidades del Detail View y del Panel View. En el
primero se programa todo lo relativo a la adquisición de los datos a representar,
el tratamiento de los mismos y se indican los objetos que han de representarse en
el Panel View. En el segundo se determina el aspecto visual de los objetos que se
han de mostrar al experimentador.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.34. Esquema del User Object Crear nuevo registro de ECG.
La secuencia comienza en el objeto File Name Selection, mediante el
cual se indica al programa el nombre del fichero sobre el que se quiere actuar.
En el caso de una adquisición de datos desde el exterior ha de configurarse para
que dichos datos queden almacenados seleccionando, para ello, la opción
Writing. Otro parámetro importante a configurar es el directorio inicial sobre el
que se opera. En el caso de señalar para el proceso a un archivo ya existente se
alerta al usuario, debido a que los datos anteriormente almacenados se borran
dando paso a los nuevos.
Dado que se trata de la adquisición de nuevos datos se precisa de la
utilización de la tarjeta de adquisición disponible a tal efecto. Dicha tarjeta
disponía de cuatro puertos digitales de entrada/salida, dos de los cuales (puertos
ESI. Universidad de Sevilla. 89
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
B y C) se destinan a la adquisición de datos. El puerto que se dedica
exclusivamente a captura de datos de ECG es el C, y para su elección y
configuración se dispone del objeto Digital In Config. Una vez abierto aparece
un botón con el nombre de Configuration, a través del cual se le indica el puerto
desde el que debe tomar los datos.
Con Get Single Value se realiza una llamada a esta función mediante el
objeto Call. Require como entrada la salida del objeto Channel, establecida con
el valor 0 para un proceso digital. Se consigue adquirir desde la tarjeta el valor
que se encuentre a su entrada en ese instante.
Por lo tanto, para una adquisición continua de datos se precisa de un
objeto que realice esta operación de forma repetitiva y con ese fin se emplea On
Cycle. En él se define el periodo de adquisición, es decir, el tiempo tras el cual
se procede a la captura de un nuevo dato. Este valor se fija a 50 milisegundos.
Lo capturado se dispone a través del terminal de salida Value existente en Get
Single Value y su contenido se manipula con diferentes fines.
Por un lado, junto con el terminal de salida File Name de File Name
Selection, estos valores se almacenan en el fichero especificado con la ayuda del
objeto To File, cuyos parámetros han de configurarse como se muestra en la
figura 5.35. Esta configuración es muy importante debido a que To File permite
el almacenamiento de datos de formatos muy diversos.
Figura 5.35. Configuración del objeto To File para un correcto almacenamiento de los datos.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Por otro lado, los datos se tratan para su posterior representación a través
de distintos objetos incluidos a tal fin. Para acondicionar la representación
gráfica se introducen dos objetos Sliding Collector y Build Waveform. Con el
primero, los datos adquiridos se introducen en un array de dimensión
configurable con el parámetro Array Size. Los valores que se incorporan son
puestos en su terminal de salida Array tras un número determinado de datos
(parámetro Trigger Every). Con el segundo se crea una forma de onda a partir
de los valores del array, que determina la amplitud, y del parámetro Time Span
que indica el margen de tiempo en segundos en el cual se distribuyen los datos
del array. Por lo tanto, hay que tener el cuenta el valor que se fija en On Cycle.
Posteriormente, los datos se interpretan y representan gráficamente en el visor
que posee el objeto Waveform (Time) llamado Electrocardiograma, en el que se
disponen de multitud de características opcionales, la mayoría de las cuales se
activan en el Panel View ya que ahí es donde realmente se visualizan y analizan
los resultados.
Otra forma de representación de los datos adquiridos se realiza a través
del objeto display AlphaNumeric. Representa valores comprendidos entre 0 y
255 debido a que este intervalo es el que cubierto por un número digitalizado
con ocho bits.
Por último, para finalizar la captura aparecen Counter, Integer,
Conditional (If A==B) y Stop. Se va contabilizando el número de datos que se
adquiere (Counter) y cuando se llega al valor fijado en Integer, se cumple la
condición y se activa el objeto Stop deteniendo la ejecución.
• Leer antiguo registro de ECG.
En este caso, se supone que se desea analizar una captura previa de ECG
almacenada en memoria. Por este motivo, la parte asociada a la representación
no contiene objetos adicionales, siendo los relativos a la adquisición de datos los
que presentan variación.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.36. Esquema de Leer antiguo registro de ECG. Las diferencias fundamentales con el de
nuevo registro se encuentran en los objetos que determinan el origen de los datos a representar.
En este caso, mediante File Name Selection se indica al programa el
nombre del fichero desde el cual se han de tomar los datos. Para incluir el
carácter de extracción de datos desde el archivo en cuestión se activa la opción
Reading (en lugar de Writing). Por su puesto se sigue contando con la
posibilidad de configurar el directorio inicial sobre el que se opera.
Ahora, el objeto destinado a leer estos datos se denomina From File y su
configuración se indica en la 5.37. Con ella se determina el formato de los datos
a tratar.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.37. Configuración del objeto From File.
Debido a la manera en la cual se almacenan los datos, también se precisa
el objeto On Cycle para extraer la señal completa desde archivo.
• Crear nuevo registro de presiones.
Al igual que para el caso de ECG, se encarga de representar en tiempo
real un registro continuo de presión intraventricular.
Para una nueva captura de datos se emplea un esquema similar al
ultilizado para un nuevo registro de ECG en lo relativo a los objetos File Name
Selection, Digital In Config, Get Single Value, On Cycle, To File, Sliding
Collector, Build Waveform, AlphaNumeric, Counter, Integer, Conditional y
Waveform (Time).
Con Digital In Config, al comunicarse con la tarjeta de adquisición, ha de
imponer al puerto B como canal exclusivo de captura de presiones. Los datos
obtenidos indican, directamente, la presión intraventricular, sin embargo, a partir
de ella puede obtenerse una medida de la contractilidad cardíaca (véase Capítulo
3) a partir de la derivada con respecto al tiempo de la forma de onda que se
obtiene (dP/dt). Como se necesita representar ambos parámetros, los valores a la
salida del Build Waveform se emplean de dos formas distintas. Por un lado, se
conectan a la entrada de un display tipo Waveform (Time) llamado Presión para
ESI. Universidad de Sevilla. 93
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
representar a ésta como actividad intraventricular. Por otro lado y de forma
paralela los datos pasan por un objeto Formula que aplica una función
matemática establecida a su entrada. En este caso la función a emplear es la
derivada, por lo que se configura el objeto introduciendo como función
deriv(x,1) donde 1 equivale al orden de la derivada y x representa a la entrada. El
resultado es un array del mismo tamaño y forma que el de la entrada, lo que
facilita su representación al admitir ser conectado directamente a un display tipo
Waveform (Time), dP/dt.
También paralelamente a lo anterior se utilizan objetos tipo Formula para
calcular el máximo, el mínimo y la media de ambos para la presión, y la dP/dt
máxima y mínima registradas. Los máximos se calculan introduciendo la
función max(x) y los mínimos con min(x). Para el valor medio de presión la
función a utilizar es (A+B)/2, siendo A y B los valores máximos y mínimos de
presión en cada instante. Todos estos resultados se representan a través de
objetos AlphaNumeric.
La programación de esta ventana se completa con la introducción y
configuración de los objetos necesario para ajustar los datos que se obtienen y
representen los valores físicos reales. Para calibrar el eje y se vuelve a emplear el
objeto fórmula, aunque la función a realizar es distinta y se obtiene de los
resultados obtenidos de la calibración (subcapítulo 5.8). Para establecer la
correspondencia en el eje temporal (eje x) se configuran los objetos On Cycle,
Sliding Collector y Built Waveform (Time) de forma que el tiempo de
adquisición de un dato sea controlable, y se conozca en todo momento la
duración de una onda de un número de datos determinado.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.38. Esquema de Crear nuevo registro de presiones. A partir de la onda de presión se calcula la
dP/dt, parámetro que se emplea para medir la contractilidad cardíaca. Para ello se insertan objetos tipo
Formula que permiten aplicar funciones matemáticas a una entrada determinada, conservando la longitud
del array y la forma de la onda a la salida.
• Leer antiguo registro de presiones.
Si se desea profundizar en el análisis de un registro almacenado en
memoria se dispone de un software análogo al de Leer antiguo registro de ECG
en lo que se refiere a la forma de adquirir los datos desde archivo. Lógicamente,
aparecen los objetos explicados en el punto anterior ya que la función a
desempeñar es la misma: calcular los máximos, mínimos y medias de presión, y
obtener la dP/dt junto con sus valores máximos y mínimos.
ESI. Universidad de Sevilla. 95
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.39. Leer antiguo registro de presiones. La secuencia de datos sufre el mismo proceso que
cuando el registro es nuevo.
5.7.3. REPRESENTACIÓN EN CRYOCA. PANEL VIEW.
Anteriormente se comentan las distintas funcionalidades que poseen el Detail
View y el Panel View. Con el primero se accede a la configuración de la tarjeta de
adquisición de datos y se programa para obtener los distintos resultados, y con el
segundo se ofrece al usuario una interfaz más sencilla a través de la cual puede acceder
a dichos resultados e incluso introducir parámetros determinantes que se le requieran
durante la ejecución.
La creación un Panel View está asociada a la existencia previa de un Detail
View. De esta forma, el primero contiene únicamente los objetos seleccionados desde el
segundo. Para la creación del Panel View se actúa con el botón derecho del ratón sobre
la zona mostrada en la figura 5.40. Esto activa un menú donde se marca la opción
Create Panel.
ESI. Universidad de Sevilla. 96
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.40. Creación del Panel View. El menú se surge al pulsar el botón derecho del ratón
sobre el frontal superior azul.
Una vez creado el Panel View, para la inserción de objetos en él basta con
seleccionarlos en el Detail View y, pulsando el botón derecho de ratón, activar el
comando Add to panel.
La programación asociada en este sentido se expone a continuación.
• Inicio.
La apariencia que con la que el programa se presenta al usuario (figura
5.41) se determina con la preselección y adición de los objetos necesarios.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
El usuario comienza la ejecución del programa al pulsar Inicio. Por otro
lado, en la parte inferior derecha aparece el contenido del objeto Note Pad
previamente introducido en el Detail View.
Por último, existe la posibilidad de establecer como fondo del panel una
imagen o figura existente en la librería propia del HP VEE o bien una diseñada
por el programador. En este caso se ha escogido el primer diseño del logotipo
representativo del Grupo de Investigación Cryobiotech.
Figura 5.41. Ventana inicial Main. Contiene los objetos previamente seleccionados con Add to
panel.
• Selección de tipo de registro.
El procedimiento se repite sistemáticamente proporcionando de manera
continua al usuario una interfaz amena e intuitiva.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Figura 5.42. Selección tipo de registro. La ventana Integer Input posibilita la introducción
desde teclado de la opción.
Los objetos Label renombrados como Registro de ECG, Registro de
presión y Terminar se introducen en el panel, mientras que la programación del
objeto If/Then/Else permanece opaca al usuario.
La opción a introducir ha de ser un número entre 1 y 3. En otro caso
surge una ventana indicando el error.
• Registro de ECG. Selección origen de datos.
En este caso no se considera necesario incluir el Panel View asociado,
pues no aporta nada al usuario.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
• Registro de presiones. Selección origen de datos.
De igual manera tampoco se crea su Panel View.
• Selección origen de datos.
Su estructura es muy similar a la que presenta la ventana de Selección
tipo de registro (figura 5.42), empleando los objetos Label e Integer Input y
ocultando el If/Then/Else.
De nuevo se facilita al experimentador personalizar el registro decidiendo
entre realizar una adquisición de datos en tiempo real, o bien obtener los datos
de un proceso anterior almacenado en memoria
Figura 5.43. Selección origen de datos. El usuario decide si realizar la captura de nuevos datos o
representar resultados de experimentos anteriores.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
• Crear nuevo registro de ECG.
Como panel frontal aparece una pantalla a modo de osciloscopio. En ella
se hayan dos marcas que se utilizan para localizar y obtener las coordenadas
exactas de un punto determinado.
Figura 5.44. Crear registro nuevo de ECG.
Con Auto Scale la pantalla se ajusta según los valores máximos y
mínimos de la señal.
• Leer antiguo registro de ECG.
La ventana que surge es idéntica a la anterior (figura 5.44), puesto que la
diferencia está, exclusivamente, en el origen de los datos.
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Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
• Crear nuevo registro de presiones.
Para representar los datos obtenidos desde la presión de una manera
cómoda para el experimentador, se muestran en una misma ventana todos los
datos disponibles: gráficas de presión y dP/dt, presiones máximas, mínimas y
media, y dP/dt máxima y mínima.
Figura 5.45. Crear nuevo registro de presión. El experimentador dispone en una misma ventana de todos
los datos relacionados con la adquisición.
• Leer antiguo registro de presiones.
De forma análoga a lo que ocurría con el ECG, el Panel View también
coincide con el de adquisición de nuevo registro (figura 5.45).
ESI. Universidad de Sevilla. 102
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
5.8. AJUSTE Y CALIBRADO DEL SISTEMA.
Una vez construido y programado el sistema se procede a la fase de ajuste,
mediante la cual se adoptan las medidas oportunas para establecer una correcta relación
entre los valores físicos reales y los representados en las gráficas que el programa
proporciona. Para ello se busca el diseño de un montaje que permita obtener un perfil de
equivalencia mínimo para, posteriormente, interpolarlo a todo el rango de
funcionamiento.
5.8.1 SISTEMA DE REGISTRO DE ECG.
La información relevante en un electrocardiograma es, principalmente, la forma
de la onda y las amplitudes relativas que se obtienen. Así, el objetivo consiste en
identificar cada una de las ondas implicadas en la función cardíaca. Por ello únicamente
se ajustan los tiempos, que vienen representados en el eje x.
El ajuste de tiempos se explica anteriormente en el subcapítulo 5.7 y se realiza
programando correcta y coherentemente los objetos implicados en la captura y
formación de la onda.
5.8.2 SISTEMA DE REGISTRO DE PRESIONES.
La calibración de este bloque es bastante más compleja. En lo referente al eje x
(tiempo de captura), el proceso de ajuste se realiza de manera idéntica al sistema de
registro de ECG. Sin embargo, ahora es necesario conocer los rangos y valores en el eje
y, donde se representan las presiones en unidades de mmHg.
El montaje del transductor de presiones y el balón de látex introducido en el
corazón forma un sistema físico muy complejo donde intervienen multitud de fuerzas.
Además, la forma que adquiere el balón una vez introducido en el corazón y rellenado
de líquido, la resistencia elástica que ofrece y las peculiares características de
ESI. Universidad de Sevilla. 103
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
funcionamiento del transductor hacen que varios montajes, en principio válidos, no
proporcionen resultados satisfactorios.
Como solución final se adopta la utilización de un registrador de presiones HP
existente en el Hospital Universitario Virgen de Rocío que, unido a un bloque de
captación de presiones idéntico y paralelo al construido, proporciona un sistema
alternativo totalmente analógico. Dicho sistema se usa como patrón para el ajuste
conectando las distintas partes del sistema como se indica en al figura 5.46.
Introducción de una presión determinada en el recinto.
Sistema de llenado del circuito.
Transductor B
Transductor A
de
ES
Balón A
Ambo
presión d
I. Universida
Balón B
Figura 5.46. Montaje para calibración del sistema de registro de presiones.
s balones se introducen en un recinto cerrado donde se fuerzan situaciones
istintas. Las llaves de tres vías mantienen una comunicación permanente
d de Sevilla. 104
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
entre los dos sistemas, de forma que tanto volumen de líquido introducido en los
balones como las presiones soportadas en los transductores sean idénticas en ambos. Se
registran las distintas situaciones de presión impuestas durante la calibración, pero
mientras que el patrón las marca en unidades de mmHg, el otro sistema las ofrece en el
rango de valores de 0 a 255 (de acuerdo con el sistema digital de 8 bits). A partir de los
datos obtenidos (tabla 5.4) se calcula, mediante recta de regresión de mínimos
cuadrados (ecuación 5.13).
bxmy +⋅= Ecuación 5.13.
Medidas en el
sistema patrón
(mmHg)
Medidas en el
sistema a calibrar
(nº de pasos)
0 0
22 97
28 109
42 134
58 167
70 186
78 205
90 226
Tabla 5.4. Datos registrados en ambos sistemas durante la calibración.
Los datos medidos se obtienen dentro de un rango coherente para que posibles
desviaciones de la recta no afecten al conjunto. Con estos datos el valor de la pendiente
m es igual a 2,741365777, mientras que b toma el valor cero. Esta pendiente es la que se
introduce en el objeto Formula que precede al Sliding Collector en las figuras 5.38 y
5.39 (módulos de Crear registro nuevo de presiones y Leer registro antiguo de
presiones respectivamente).
ESI. Universidad de Sevilla. 105
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
5.9. OTRAS MEDIDAS DE IMPORTANCIA.
Los registros que se contemplan en el proyecto son el electrocardiograma, la
presión intraventricular izquierda y la dP/dt asociada a dicha presión. Además de estos
parámetros existen otras medidas adicionales, en algunos casos alternativas,
relacionadas con la función cardíaca y que ayudan a completar el análisis medico del
órgano.
En particular y asociada a las medidas de contractilidad, se puede aplicar otra
técnica quizás menos agresiva que la que implica la introducción del balón en el
ventrículo. Su principal ventaja es el montaje y la forma de capturar la señal,
permitiendo manipular corazones de menor tamaño a los requeridos por el sistema del
balón. Para ello se dispone de un transductor (galga extensiométrica) conectado
mediante un hilo al extremo inferior del miocardio. Así, los esfuerzos implican
movimientos del hilo que se traducen a señales de tensión y se tratan de forma similar
que las asociadas al resto de parámetros. El esquema se muestra en la figura 5.47.
Figura 5.47. Medidor de esfuerzos mediante técnica no invasora para medidas de contractilidad.
ESI. Universidad de Sevilla. 106
Capítulo 5. Sistema de Instrumentación y Monitorización Implantado.
Si en lugar de conectar el hilo en el extremo inferior se sujeta a la parte lateral,
se obtienen gráficas relacionadas con las anteriores, pero con características propias. El
ventrículo izquierdo se fija a un arco de metal y el ventrículo derecho se conecta al
transductor. Con este montaje se consigue una distribución más circular del la fuerza
que es capaz de desarrollar el corazón (figura 5.48).
Figura 5.48. Medidor de esfuerzos desde la pared lateral del ventrículo izquierdo.
ESI. Universidad de Sevilla. 107
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