Integración de la Adquisición y Visualización de Señales Biomédicas: BIOLAB

Sayra M. Cristancho S.

Carlos D. Giraldo T.

Alex A. Monclou S.

Universidad Pontificia Bolivariana. Colombia

Resumen/Abstract

Utilizando las facilidades ofrecidas por las herramientas hardware (DAQ, chasis) y software (LabView) de National Instruments, se integró bajo una misma plataforma y con una orientación pedagógica el estudio del procesamiento de señales del cuerpo humano. Es así como surgió BIOLAB concebido como un laboratorio conformado por cuatro módulos didácticos para la adquisición y acondicionamiento de señales cardíacas (BIOLAB-ECG), señales cerebrales (BIOLAB-EEG y BIOLAB-STIM) y señales musculares (BIOLAB-EMG). De esta forma BIOLAB se convierte en el proyecto pionero que da inicio formal a la línea de Ingeniería Biomédica dentro del programa de Ingeniería Electrónica de la UPB-Bucaramanga.
The use of National Instruments services hardware (DAQ, chasis) and software (LabView), were integrated under the same platform.  Its focus was toward a pedagogical study of processing signals of the human body.  This is how BIOLAB conceived of a laboratory made up of 4 didactic modules for the acquisition and conditioning of cardio signals (BIOLAB-ECG), brain signals (BIOLAB-EEG AND BIOLBAB-STIM) and muscular signals (BIOLAB-EMG).  BIOLAB converts itself into the pilot project that begins a formal branch of Biomedical Engineering within the Engineering program of Electrical Engineering at the UPB-Bucaramanga. 

1. Introducción

Debido a la proyección de la Universidad Pontificia Bolivariana de implementar los laboratorios enfocados a biomédica, surge la necesidad de adquirir los equipos necesarios que faciliten el estudio de biopotenciales. Dentro de los equipos esenciales para el cumplimiento de tal fin se encuentran el Electrocardiógrafo (ECG), Electroencefalógrafo (EEG), Electromiógrafo (EMG) y el Equipo de Estimulación Externa (STIM).

Dada esta proyección de formar laboratorios en los cuales los equipos implementados sean creados por los mismos estudiantes de Ingeniería Electrónica, nació la idea de diseñar un laboratorio de biomédica que tuviera una plataforma en la cual se puedan observar las señales eléctricas más importantes generadas por el cuerpo humano. Esta plataforma lleva el nombre de BIOLAB y se compone de cuatro módulos: BIOLAB-ECG, BIOLAB-EEG, BIOLAB-EMG y BIOLAB-STIM.

La adquisición de señales médicas del cuerpo humano es uno de los grandes aportes de la Electrónica a la Medicina. Esto debido a que en la actualidad los equipos electrónicos se han convertido en herramientas importantes en el diagnóstico de enfermedades, por tanto, los Ingenieros Electrónicos nos hemos preocupado por conocer a fondo el comportamiento fisiológico del ser humano para crear nuevas herramientas u optimizar los ya existentes con nuevas tecnologías.

Esta integración se basa sobre una plataforma que reúne los cuatro módulos en un computador, para esto se utiliza el software de programación gráfica LabVIEW 7 Express con el cual, adicionalmente, se diseñó el soporte didáctico para la realización de las prácticas de laboratorio.

2. Integración de Plataforma

2.1 Fase de documentación

Se revisó documentación del tema de bioingeniería, los proyectos de grados realizados y se proyecto la integración de los cuatro módulos

2.2 Fase de pruebas

Con los conocimientos básicos de los equipos biomédicos y de anatomía del cuerpo humano se realizaron pruebas de los módulos, objetos de esta integración, ECG, EEG, EMG y STIM.

2.3 Fase final

En esta fase se realiza las prácticas de laboratorio para cada módulo BIOLAB.

Después de realizar esto se procede a Integrar en una sola plataforma los cuatro módulos BIOLAB más un módulo introductorio donde se tratan algunos conceptos importantes a tener en cuenta. Finalmente se realizan las prácticas de laboratorio para cada módulo BIOLAB y cerciorarse que realmente funcionan y sean acordes al tiempo estimado para cada sesión.

3. Módulos Biolab

3.1 ECG

El sistema desarrollado mantiene al paciente como fuente de las variables que sirven de entrada a los diferentes procesos. La visualización y almacenamiento de los registros electrocardiográficos se realizan mediante un PC y con ayuda de un software diseñado para tal fin.

3.1.1 Diseño del sistema

El módulo de la plataforma BIOLAB para la adquisición de señales cardiacas tiene tres etapas de manejo de la información2.


3.1.2 Etapa de adquisición

Se encarga de la toma de las señales electrocardiográficas y permitirá realizar el procesamiento de la señal2.

3.1.3 Procesamiento de la señal

Luego de haber adquirido la señal electrocardiográfica, se realiza un tratamiento adecuado de la señal para su posterior conversión de formato análogo a digital. Esta etapa se divide en otras etapas que se muestran en la figura 1.

Figura 1. Canal Electrocardiográfico

3.1.4 Visualización

Se basa en un instrumento virtual creado en Labview 7 Express, tal que permite la aparición de las señales del registro electrocardiográfico. Este software es especial para desempeñar funciones complejas2.

3.2. EEG

El electroencefalograma (EEG) es una técnica no invasiva que permite el registro de la actividad eléctrica cortical, cuyo principio general de registro es el potencial de campo, siendo este la suma total de los potenciales postsinápticos llevados al medio conductor.

3.2.1 Captación del EEG

Normalmente, los registros superficiales de la actividad eléctrica cerebral se obtienen en forma de diferencias de potencial entre un electrodo activo y otro de referencia (idealmente inactivo) en función del tiempo; esto da como resultado un conjunto de señales recogidas en distintos puntos del cuero cabelludo. El esquema mas utilizado es el sistema internacional 10/20 (figura 2). La configuración de base contiene 19 electrodos, pero se puede extender hasta 706.

Figura 2. Sistema Internacional 10-205.

  • Adquisición de señal: Para adquirir las señales del EEG se utiliza una capa de electrodos de BIOPAC SYSTEMS, tamaño mediano (54 – 58cm) dado su alto rechazo al ruido y fácil manipulación. La capa consiste de 20 electrodos ubicados de acuerdo con la norma 10-20, mas 2 electrodos de referencia los cuales son colocados en los lóbulos de los oídos3.

    Procesamiento de la señal: pre-amplificación, eliminación componente 60 Hz, filtrado DC y RF, aislamiento análogo, control interno y fuentes de alimentación como se ve en la figura 3.

    Figura 3. Esquema Global Canal EEG.

  • Interfaz gráfica: La interfaz, BIOLAB-EEG fue creado bajo la plataforma LabView 7-Express y está compuesta de 3 partes principales:Tutorial para guía del usuario. Modo de adquisición y Despliegue de la señal registrada.Se hizo especial énfasis en su característica modular la cual le permite al estudiante hacer un seguimiento detallado al proceso de diseño.

3.3 EMG

Para la adquisición de la señal Electromiográfica se debe tener en cuenta el tipo de examen a realizar ya que puede ser superficial o invasivo, por esta razón se implementaron dos canales que difieren en el tipo de electrodo, en la red de entrada y en los niveles de voltaje de las señales (ver tabla 1), pero el tratamiento tras la adquisición de la señal es similar4.

3.3.1 Canal superficial

El canal utiliza electrodos de superficie para adquirir la señal. En el diseño se tienen en cuenta cuatro etapas fundamentales para el acondicionamiento de la señal electro-miográfica, estas etapas son la adquisición, filtrado, ajuste de ganancia y aislamiento, como se muestra en la figura 4 4.

3.3.2 Canal invasivo

Existen patologías en las cuales se necesita analizar el músculo en puntos específicos, para estos casos se practica el examen EMG invasivo. El registro en este canal se realiza utilizando electrodos de aguja. Este canal difiere del canal superficial únicamente en la red de entrada ya que un solo electrodo de aguja concéntrica entrega las dos señales necesarias para obtener la resultante electromiográfica como se muestra en la figura 5 4.

Figura 5. Diagrama canal invasivo.

TABLA 1. RANGOS DE LAS SEÑALES ELECTROMIOGRÁFICAS

3.3.3 Electroestimulador

Para la captación del EMG con estimulo externo se implementó un sistema de con base en la generación de señales cuadradas variables en amplitud y frecuencia (figura 6), que posteriormente son elevadas a niveles de potencia aptos para la estimulación muscular 4.

Figura 6. Diagrama Electroestimulador.

3.4 STIM

Con la creación de BIOLAB-EEG se dio también la necesidad de generar un complemento para dicho módulo el cual fuera capaz de generar los estímulos necesarios para realizar un dictamen eficaz y confiable sobre el comportamiento del cerebro. Se llegó a la conclusión de que los estímulos que aportaban más y mejores señales eran los visuales y auditivos 1.

Para generar un potencial evocado auditivo (PEA) es necesario disponer de un implemento capaz de: generar las frecuencias necesarias y de amplificar y controlar el sonido (ver figura 7).

Para generar un potencial evocado visual (PEV) se tienen diferentes métodos y uno de los más utilizados es con luces tipo flash. Para generar un potencial evocado visual de manera óptima es necesario generar una luz tipo flash que trabaje en un rango de frecuencia ya establecido, que se le pueda variar la frecuencia de destello y que permita cambiar el color de la luz cada vez que sea necesario (ver figura 8)1.

3.4.1 Generación de un potencial evocado auditivo (PEA))

Para un PEA se generan sonidos a frecuencias que cubran todo el rango de escucha del oído humano 2Hz-20kHz y que el volumen de dichos sonidos sea el suficiente para ser bien escuchados y no muy fuerte tal que llegue a comprometer órganos involucrados en el proceso de escuchar 1.

Figura 7. Estimulación auditiva

3.4.2 Generación deun potencial evocado visual (PEV)

Para generar un PEV el equipo BIOLAB-STIM utiliza la técnica con lámpara tipo flash, a la cual se le puede variar la frecuencia de destello por medio de la interfaz grafica, además se puede seleccionar el color de la luz que se desee. Para el módulo BIOLAB-STIM los colores utilizados son los primarios y la luz blanca, sin embargo cabe aclarar que estos colores se pueden cambiar removiendo los filtros del módulo y remplazándolos por los colores deseados para algún estudio especifico, dándole versatilidad al equipo1.

Figura 8. Estimulación visual.

4. Plataforma BIOLAB

Los anteriores módulos forman parte de la plataforma BIOLAB, por lo tanto se requiere hardware y software para su integración.

  • La DAQ (tarjeta de adquisición)
  • El SCXI-1353 Shielded Cable (cable de unión entre el chasis y la DAQ)
  • Adaptador SCXI-1349
  • El software de visualización y procesamiento de señal LabVIEW 7 Express

5. Resultados

  • Integración del la plataforma BIOLAB la cual unifico los módulos con su respectiva información en unas guías de operación.
  • Desarrollo de guías para la realización de prácticas de los módulos con diferentes adquisiciones y almacenamiento de señales para un análisis posterior.
  • Interrelación de temas de la medicina con la electrónica logrando el desarrollo de un prototipo de laboratorio de Bioingeniería construido por estudiantes de Ingeniería Electrónica de la Universidad Pontificia Bolivariana Bucaramanga, que cumplen con las características técnicas y de seguridad que estos deben presentar, con el fin de adelantar futuros proyectos en estos temas, teniendo como base el desarrollo de estos proyectos.

6. Conclusiones

BIOLAB como prototipo académico cumple las características de los equipos de uso médico puesto que en los diseños se tomaron en cuenta factores como la seguridad que deben presentar los equipos médicos y el manejo adecuado de las señales captadas para causar el mínimo efecto de distorsión sobre estas y obtener resultados en tiempo real y con la mayor fidelidad posible, brindando la posibilidad de realizar procesos médicos experimentales bajo supervisión médica.

Fortalecimiento del Semillero de Investigaciones de Bioingeniería y del grupo de bioingeniería, señales y microelectrónica BIOSEMIC UPB-Bucaramanga.

Referencias

  1. Centeno Catalina, Cáceres Holman, “BIOLAB-STIM, Módulo de la plataforma BIOLAB para la generación de potenciales evocados”, Tesis de pregrado, Facultad Ingeniería Electrónica, Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga, 2005
  2. Cristancho Diego, Blanco Ivan, “BIOLAB-ECG, Módulo de la plataforma BIOLAB para la adquisición de señales cardiacas”, Tesis de pregrado, Facultad Ingeniería Electrónica, Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga, 2004
  3. Gómez J., Parada Angela, “BIOLAB-EEG. módulo de la plataforma BIOLAB para la adquisición de señales cerebrales”, Tesis de pregrado, Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad Pontificia Bolivariana, Bucaramanga, Colombia, 2004.
  4. Rocha Aura, Gómez Leonardo, “BIOLAB-EMG, Módulo de la plataforma BIOLAB para la adquisición de señales musculares”, Tesis de pregrado, Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga, 2005
  5. Velez, W. Rojas, J. Borrero, J. Restrepo, Electroencefalografía, “Fundamentos de Medicina”, 4ª ed., Corporación de Investigaciones Biológicas, Medellín, Colombia. 1991.
  6. Webster J., Medical Instrumentation, 3rd. ed., Ed. John Wiley, New York, 1998.

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