Sistem portabil de telemonitorizare a activității electrice a inimii [302267]

Universitatea Politehnica din București

Facultatea de Inginerie Medicală

Sistem portabil de telemonitorizare a activității electrice a inimii

Autor: Bogdan-Mihăiță Lefter

Coordonator Științific: Ș.L. Dr. Ing. Mădălin Corneliu Frunzete

Iulie 2014

Cuprins

Cuprins

1.Introducere………………………………………………………………………………………………3

2.Aparatul Cardiovascular…………………………………………………………………………..5

2.1 Anatomia Aparatului Cardiovascular…………………………………………….6

2.2 Fiziologia Aparatului Cardiovascular…………………………………………..11

2.3 Analiza Morfologică a Electrocardiogramei………………………………….16

2.3.1 Electrocardiograma……………………………………………………..16

2.3.2 Interpretarea Electrocardiogramei…………………………………18

2.3.3 Derivațiile Electrocardiogramei…………………………………….21

2.4 Afecțiuni ale Aparatului Cardiovascular……………………………………….23

2.4.1 Tulburările de ritm………………………………………………………..24

2.4.2 Insuficiența coronariană………………………………………………..26

3 Sistemul propus si echipamentele similare………………………………………………..28

3.1 Sistem de telemonitorizare a activității electrice a inimii………………..28

3.1.1 Arduino Uno…………………………………………………………………28

3.1.2 Shield EKG…………………………………………………………………..35

3.1.3 Shield GSM………………………………………………………………….37

3.1.4 Antena GSM/GPRS ………………………………………………………38

3.1.5 Electrozi………………………………………………………………………39

3.1.6 Gelul de electrod…………………………………………………………..41

3.2 Echipamente similare sistemului propus……………………………………….41

3.2.1 Sistem Holter EKG……………………………………………………….41

3.2.2 Sistem Medical V-Patch………………………………………………..47

4.Desfășurarea Experimentului…………………………………………………………………52

4.1 [anonimizat]………………………………………………………………..53

4.2 Proiectarea unei carcase……………………………………………………………55

4.3 Descriere Experiment………………………………………………………………..57

4.4 Achiziția și vizualizarea semnalului EKG…………………………………….62

5.Concluzii………………………………………………………………………………………………66

6.Bibliografie ………………………………………………………………………………………….67

7. Anexe………………………………………………………………………………………………….69

Introducere

Odată cu înaintarea în vârstă a populației și cu o creșterea bolilor cronice la nivel global, a luat naștere o [anonimizat].

Progresele realizate în domeniul tehnologiilor de telecomunicații utilizate în sistemele de sănătate din ultimul deceniu au extins posibilitațile de dezvoltare ale aplicațiilor dedicate acestuia. Astăzi aplicațiile destinate acestui domeniu sunt în extindere datorită posibilitaților de utilizare a serviciilor de stocare si de transmitere a informațiilor, realizate în ultimul timp.

La ora actuală s-au proiectat și produs serii întregi de dispozitive și platforme de monitorizare a parametrilor vitali, cu un spectru larg de utilizări, de la utilizarea lor în spitale, până la a fi implementate în variante portabile destinate utilizării în timpul desfășurării activităților cotidiene sau la domiciliu.

Primul electrocardiograf a fost inventat de către Willem Einthoven în anul 1901 și funcționa cu electrozi din argint, apoi în anul 1903 obține prima înregistrare electrografică. În anul 1924 Einthoven a câștigat premiul Nobel pentru inventarea electrocardiografului. Această invenție stă la baza electrocardiogramei de astăzi. Aparatele ECG actuale pot efectua autonom analiza semnalelor, oferă afișarea în timp real și chiar permit dispozitivelor portabile înregistrarea activității electrice cardiace pe o perioadă extinsă de timp.

Echipamentele portabile de monitorizare EKG pot fi folosite atât pe raze scurte, cât și la distanțe mai mari, existând o varietate de astfel de produse, cum ar fi sisteme wireless ce facilitează monitorizarea pacienților. Aceste sisteme sunt proiectate să aibă design miniaturizat, o greutate redusă, și o durată de viață a bateriei de alimentare cât mai lungă, sunt discrete și ușor de purtat, spre exemplu, pe sub haine, oferindu-le pacienților libertatea de a se mișca și a se simți cât mai comod în timpul monitorizării.

Sistemele de monitorizare ECG actuale sunt ideale în combinație cu senzori și componente de înaltă calitate, pentru măsurarea non-invazivă a parametrilor cardiaci vitali. Utilitatea acestora constă în mai multe aspecte, de la a diagnostica, până la a preveni, a evalua pe termen lung afecțiunile ce nu pot fi depistate pe înregistrări sporadice sau a stabili medicația administrată pacienților cu patologii cardiace.

Lucrarea de față își propune să dezvolte un sistem de monitorizare a activității electrice a inimii, proiectat să atenționeze personalul medical în cazul detectarii unor neregularități ale ritmului cardiac. Monitorizarea se poate realiza în timp ce pacientul își desfășoară activitatea sa cotidiană, sistemul fiind proiectat să fie portabil.

Lucrarea este susținută în 5 capitole, o bibliografie si anexele atașate la sfârșitul lucrării.

Primul capitol se referă la prezentarea pe scurt a lucrării, conținând informații generale și prezentând evoluția dispozitivelor folosite pentru înregistrarea ECG.

În al doilea capitol se realizează o descriere într-o maineră detaliată a aparatului cardiovascular, punând în evidență caracteristicile anatomice, fiziologice și patologice ale acestuia. În continuare se prezintă o analiză morfologică a electrocardiogramei, precum și derivațiile electrocardiografice.

În cel de-al treilea capitol sunt prezentate componentele din care sistemul este alcătuit, alături de caracteristicile acestora, folosite în mod particular la realizarea acestei lucrări. De asemenea, sunt prezentate în mod comparativ câteva echipamente, deja existente pe piață, similare sistemului propus în lucrarea de față.

In cel de-al patrulea capitol este descrisă partea experimentală a lucrării, constând în proiectarea unei protecții pentru sistem, modul în care este asamblat și programat, analiza semnalului achiziționat, precum și modalitatea de alertare în cazul unei suspiciuni de afecțiune cardiacă.

În ultimul capitol sunt illustrate concluziile și perspectivele legate de ulterioare dezvoltări și îmbunătățiri ale sistemului propus în cadrul lucrării.

Aparatul Cardiovascular

Aparatul cardiovascular (Fig 2.1) reprezintă in ansamblul său o funcție integrativă, care asigură corpului uman prin intermediul sângelui circulant legătura dintre diferitele compartimente ale organismului, prin aceasta el având un rol important în menținerea homeostazei (proprietate a organismului de a menține în limite apropiate si constante mediul intern al copului), astfel el asigură aportul necesar de oxigen și substanțe nutritive metabolismului celular, omogenizează temperatura între diferitele regiuni ale corpului și poate asigura transportul hormonilor implicați în reglarea funcțiilor celulare.[12] El este împărțit în: sistemul sanguin și sistemul limfatic. Sistemul limfatic este format din vase limfatice si ganglioni limfatici. Sistemul sanguin este compus și el, la rândul lui, din: inimă si vase sanguine. După care vasele sanguine se împart și ele la rândul lor în: artere, vene și capilare.[1]

Anatomia Aparatului Cardiovascular

Inima sau Cordul reprezintă un organ musculo-cavitar, cu structură fibromusculară care este de formă conică, fiind învelit de un sac membranos fibro-seros ce se numește pericard și are rolul de pompă aspiro-respingătoare a sângelui. El prezintă o bază, un apex, trei fețe si o margine. Este format din patru cavități (tetracameral) : două superioare – atriile (stâng si drept) care au ca rol în aspirarea sângelui adus de cele două vene cave si prin cele patru valve pulmonare; și două inferioare – ventriculele(stâng si drept) care au rolul de a pompa sângele în arterele circulației mari si mici.[28] Fiecare atriu comunică cu ventriculul corespunzător prin câte un orificiu atrioventricular, stâng și drept.[18]

Inima se găsește in mediastinul mijlociu, axa longitudinală dintre vârf și bază este oblică de sus in jos, de la dreapta la stânga si dinspre posterior spre anterior, formând un unghi de apoximativ 45 grade cu planurile frontal și sagital ale corpului uman. Această poziție a inimii poate fi descrisă prin asemănarea sa cu o piramidă deformată, care are baza dispusă posterior și la dreapta, iar apexul anterior și la stânga după cum se poate obseva în Fig.2.2. Astfel, cordul unui adult măsoară, în medie, 12 cm de la bază la apex, 8-9 cm în diametru transversal și 6 cm diametrul anteroposterior. Prezintă o greutate, la tineri, de aproximativ 325 ±75 g la bărbat și 275±75g la femeie.[28] În general dimensiunile și greutatea inimii depind de vârstă, sex si individ.

Conform “Compendiului de boli cardiovasculare” redactat de către Maria Dorobanțu și colaboratorii săi [18], configurația exterioară a inimii prezintă 3 fețe(sternocostală, diafragmatică și pulmonară), o margine dreaptă, bază si vârf.

Baza cordului (basis cordis) este de formă patrulateră, având marginile curbate spre exterior fiind orientată posterior si către dreapta. Fiind situată in dreptul vertebrelor toracice T4-T8, acestea separându-le de către pericard, vena pulmonară dreaptă, canalul toracic, esofag și aorta decendentă toracică. Această bază corespunde atriului stâng si unei mici porțiuni din partea posterioară a atriului drept. Limita superioară se află la nivelul bifurcației arterei pulmonare și cea inferioară corespunde șanțului coronar.

Vârful (Apexul sau Apex cordis) corespunde vârfului ventricului stâng, care este orientat inferior, anterior si la stânga. În mod obișnuit, se proiectează în spațiul intercostal V stâng, pe linia medioclaviculară sau puțin medial de acesta.

Marginea dreaptă (margo dexter) este situată între fețele sternocostală și diafragmatică și aparține ventricului drept. Este orientată inferior și se întinde de la locul de vărsare al venei cave inferioare până la apex. Poate fi vizibilă doar pe cordul formolizat.

Fața pulmonară (facies pulmonalis) este situată între fețele sternocostală și diafragmatică. Acesta este alcătuită în cea mai mare parte de ventriculul stâng, având raporturi cu fața medială a plămânului stâng, datorită căruia determină impresiunea cardiacă.

Fața sternocostală (facies sternocostalis) este orientată anterior si superior, și este alcătuită, în raport cu șanțul coronar, dintr-o porțiune atrială, situată superior si la dreapta, si o porțiune ventriculară, inferior și la stânga. Porțiunea atrială aparține aproape în întregime atriului drept, atriul stâng fiind în cea mai mare parte acoperit de aorta ascendentă și trunchiul arterei pulmonare. O porțiune din auriculul său este proiectată anterior și la stânga trunchiului arterei pulmonare. Între cele două auricule, prelungite lateral, se formează o concavitate deschisă anterior, numită coroana cordului [18], care se pot observa in Fig. 2.3.

Fața diafragmatică (facies diaphragmatica) este o suprafață orizontală mare care în apropierea vârfului, se curbează spre interior si anterior. Este reprezentată de către ventriculi, în principal cel stâng, limita dintre cei doi ventriculi fiind marcată prin șanțul inter-ventricular posterior. Aceasta față se sprijină, în cea mai mare parte pe central tendinos al diafragmei, iar o mică parte, pe partea musculară stângă a acestuia. Astfel are raporturi cu fața diafragmatică a lobului stâng hepatic si fornixul gastric. Posterior de șanțul coronar se găsește o mică zonă formată din atrii [dorobantu] care se pot observa in Fig. 2.4.

Configuratia internă a cordului este împarțită in patru cavități. După cum a fost descrisă mai sus, inima este un organ tetracameral, având doi pereți numiți septuri, care sunt reprezentați in Fig2.5.

Septul longitudinal este cel care împarte inima în două părți: inima dreaptă (venoasă) și inima stângă (arterială). Septul transversal împarte fiecare inimă în două cavități: atriu, care este spre baza inimii, respectiv ventricul, care este spre vârf. Septul interatrial (denumit în Fig. 2.5 – ia) se află între atrii, iar septul interventricular (denumit in Fig. 2.5 – iv) se află între ventriculi. Septul transversal (denumit in Fig. 2.5 – av) se numește atrio-ventricular fiindcă se află între atrii și ventricule.[6]

Caracteristicile generale ale atriilor[27]:

Sunt cuboidale (au 6 pereți);

Au volum mic și pereți mai subțiri comparativ cu ventriculii;

Prezintă auricule (fiecare dintre despărțiturile superioare ale inimii, care comunică cu ventriculele);

Comunică cu cei doi ventriculi prin orificiile atrio-ventriculare, obturate intermitent prin valva mitrală si vala tricuspidă;

Atriul drept (AD) primește sânge din circulația venoasă sistemică prin venele cave și din sinusul coronar, în timp ce atriul stâng (AS) primește prin venele pulmonare sânge oxigenat din mica circulație;

Caracteristicile generale ale ventriculilor [27]:

Sunt pirmamidali;

Au pereți mai groși și volum mai mare. Comparativ cu atriile si ventriculul stâng (VS) prezintă o masă miocardică de trei ori mai mare decat cea a ventricului drept (VD);

Comunică cu atriile prin orificiile atrio-ventriculare și cu arterele mari prin orificiile aortice și pulmonare, la nivelul cărora se află valvele omonime, care nu permit regurgitarea sângelui în timpul diastolei ventriculare;

Pompează intermitent sângele de la inimă în arterele mari. Ejecția ventriculară este unul dintre factorii care condiționează valoarea tensiunii arteriale (TA).

Circulația sângelui în inimă se face prin[6]:

două orificii de legătură între venele cave și atriul drept;

ostiul atrio-ventricular drept între atriul drept și ventriculul drept (menținut închis /deschis de un dispozitiv valvular numit valva tricuspidă);

un orificiu de legătură între ventriculul drept și artera pulmonară (menținut închis /deschis de valve semilunare);

patru orificii de legătură între venele pulmonare și atriul stâng;

ostiul atrio-ventricular stâng între atriul stâng și ventriculul stâng (menținut închis /deschis de un dispozitiv valvular numit valva bicuspidă sau mitrală);

un orificiu de legătură între ventriculul stâng și aortă (menținut închis / deschis de valvulele semilunare ale aortei)

Din punct de vedere structural, cordul este prezentat din exterior spre interior sub forma unor trei tunici[15]:

Epicardul

Miocardul

Endocardul

Epicardul este format de către foița viscerală a pericardului seros.

Miocardul constituie cea mai mare parte a peretelui cardiac. Miocardul este de două tipuri: atrial si ventricular, acestea două fiind separate prin intermediul inelelor fibroase atrio-ventriculare. [15]:

Miocardul atrial este alcătuit din două straturi musculare suprapuse: superficial si profund; porțiunea superficială este comună celor două atrii, pe când cea profundă (comună) prezintă o serie de îngroșări la nivelul fiecărui atriu. Fibrele musculare superficiale sunt mai slab reprezentate în porțiunea posterioară si sunt așezate orizontal. Fibrele profunde sunt așezate astfel[15]:

Sub formă de anse ce trec de pe atrii pe ventricule

Sub formă de inele la nivelul ostiilor venelor

Aceste fibre determină formarea crestei terminale a limbului fosei ovale și a mușchilor pectanți.

Miocardul ventricular față de cel atrial este mult mai gros, în special la nivelul ventricului stâng. Acesta are fibrele dispuse în trei feluri [15]:

Superficial, fibrele acestui strat se inseră la nivelul scheletului fibros al cordului și vor avea direcție oblică spre apexul cardiac. Aceste fibre au capacitatea de a pătrunde spre mușchii papilari si trabeculele cărnoase și se vor insera la nivelul inelelor fibroase atrio-ventriculare.

Mijlociu, acesta este cel mai voluminos dintre cele trei, are fibrele musculare orientate circular, proprii fiecărui ventricul și se termină la nivelul septului interventricular în mușchii papilari.

Profund, este constituit din fibre musculare cu direcție longitudinală.

Endocardul este cel care căptușește cavitățile cordului și se continuă la baza acestuia cu tunica intimă vasculară. El acoperă ambele fețe ale lamei fibroase de la nivelul cuspidelor[15].

Fiziologia Aparatului Cardiovascular

Funcția principală a sistemului cardiovascular este aceea de a furniza oxigen și substanțe nutritive către țesuturi și de a înlătura bioxiul de carbon și metaboliții rezultați. Acest lucru se poate realiza prin intermediul celor două circulații conectate în serie: circulația pulmonară (dreaptă) care prezintă rezistențe vasculare mici și circulația sistemică (stângă) care prezintă rezistențe vasculare mari.

Dupa cum se poate observa in Fig. 2.6, din atriul stâng, sângele oxigenat trece prin valva mitrală (bicuspidă) în ventriculul stâng și este mai departe ejectat în aortă și sistemul arterial prin valva aortică. Apoi sistemul venos conduce sângele dezoxigenat la nivelul atriului drept prin vena cavă, care este golit în ventriculul drept prin valva tricuspidă și pompat mai departe prin valva pulmonară în artera pulmonară, la nivelul plămânului. La nivelul plămânului are loc hematoza (este un proces de eliberare a bioxidului de carbon în alveole și reîncărcarea cu oxigen a sângelui.) [9]

Dan Dobreanu, în lucrarea sa [12], precizează că activitatea electrică a inimii care este declanșată într-un anumit punct, se va propaga în intrega masă miocardică, datorită conexiunilor electrice existente între celule și în funcție de capacitatea lor de răspuns.

Miocardul descris în subcapitolul anterior, din punct de vedere anatomic, prezintă urmatoarele proprietăți [9]:

Excitabilitatea (funcția batmotropă): reprezintă proprietatea mușchiului cardiac de a răspunde printr-o depolarizare (potențial de acțiune) la un stimul electric care depășește o anumită valoare. Această proprietate prezintă la rândul ei 5 faze:

Faza 0 – se caracterizează prin creșterea bruscă a conductanței canalelor rapide de Na+. Se activează atunci când potențialul transmembranar scade la valoarea de circa 55 mV. Este faza în care ionii de sodiu pătrund în miocite.

Faza 1 – se caracterizează prin repolarizare rapidă, potențialul transmembranar revine în jurul valorii de 0 mV realizându-se prin închiderea canalelor de Na+și influxul de Cl- prin canale de voltaj dependente și efluxul de ioni de K+ prin activarea canalelor tranzitorii.

Faza 2 – reprezintă faza de platou care se caracterizează prin menținerea unui nivel constant transmembranar de 0 mV pentru circa 100 ms.

Faza 3 – este faza de repolarizare rapidă și se carcaterizează prin revenirea în final la potențialul transmembranar de repaus(-80 până la -90 mV).

Faza 4 – se caraterizează prin menținerea potențialului de repaus prin activarea pompei Na+ K+. ATP-aza care pompează în afara celulei de Na+ acumulat și reintroduce în celulă K+.

Contractilitatea (funcția inotropă): reprezintă funcția principală a mușchiului cardiac. Aceasta reprezintă capacitatea acestuia de a se contracta și de a efectua lucru mecanic. Mecanismul care declanșează această funcție este cuplarea excitație-contracție, care are ca rezultat contracția sistemelor de miofilamente și scurtarea sarcomerului, având nevoie de un consum energetic prin hidroliză (proces de desfacere a unei legaturi chimice în reacție cu apa) ATP.

Relaxabilitatea (funcția lusitropă): este caracterizată prin relaxarea ventricului stâng printr-un mecanism bine coordonat, care necesită consum energetic și permite umplerea ventriculară în condițiile unor presiuni normale și reluarea ciclului cardiac.

Automatismul si ritmicitatea (funcția cronotropă): constituie capacitatea celulelor cardiace specializate de a genera spontan impulsuri. Mecanismul are la bază incapacitatea anumitor celule de a menține un potențial electric transmembranar constant în cursul diastolei, fenomenul datorându-se absenței canalelor rectificatoare de K+ la nivelul celulelor din nodul atrio-ventricular și a prezenței canalelor „funny channels” la nivelul celulelor sinoatriale, atrioventriculare și ale sistemului His-Purkinje, cu un rol permisiv pentru influxul de ioni monovalenți. Ritmicitatea constă în capacitatea celulelor cardiace specializate de a genera ritmic impulsuri. Nodul sino-atrial constituie principalul pacemaker al inimii, cu o frecvență de 60-80 BPM. Celelalte structuri miocardice dotate cu proprietăți de automatism sunt pacemakere ”latente”, adică intră în acțiune când centrul superior nu funcționează.

Conductibilitatea (funcția dromotropă): constă în capacitatea de propagare a potențialului de acțiune de la nivelul pacemakerului principal(nodul sino-atrial) la celulele miocardice contractile (atriale si ventriculare), declanșând depolarizarea si contracția acestora. Este practic capacitatea miocardului de a transmite potențialul de acțiune în întreg teritoriul inimii. Datorită ultrastructurii sale mai complexe și neomogenității miocardului, acestă proprietate are o serie de particularități.

Ciclul cardiac reprezintă secvența de fenomene mecanice ale inimii în funcție de timp, din debutul activării cardiace și până în momentul începutului unei noi activări. La o frecvență de 75 bătăi/minut, durata unui ciclu cardiac este de 0,8 secunde, din care 0,3 secunde aparțin contracției (sistolei) și 0,5 secunde aparțin relaxării (diastole).[12]

Fiecare ciclu este inițiat de generarea spontană a unui potențial de acțiune în nodul sinusal. Nodul sinusal este localizat în peretele supero-lateral al atriului drept, în apropierea deschiderii venei cave superioare, iar potențialul de acțiune se propagă de aici cu rapiditate prin atrii și prin fasciculul atrio-ventricular, în ventriculi. Atriile acționează ca o pompă primară pentru ventriculi și în schimb, ventriculii furnizează forța majoră pentru deplasarea sângelui prin sistemul vascular al corpului.[16]

Ciclul cardiac este compus dintr-o perioadă de relaxare numită diastolă, urmată de o perioadă de contracție numita sistolă. Astfel, principalele trei fenomene ale ciclului sunt[9]: 1.Contracția ventricului stâng, 2.Relaxarea ventricului stâng, 3.Umplerea ventricului stâng.

Contractia ventricului stâng are loc în două faze:

În prima fază are loc contracția izovolumetrică, care începe după sfârșitul sistolei atriale și durează din momentul închiderii valvelor atrio-ventriculare (intre 0.04-0.06 secunde). Apoi când presiunea intraventriculară depașește presiunea diastolică din aortă, se deschide valva aortică și începe ejecția. Aceasta corespunde inceputului celei de a doua faze de ejecție ventriculară maximă; începe odată cu deschiderea valvei aortice și sfârșește cu începerea relaxării ventriculare. Corespunde depolarizării ventriculare și are o durată medie de 0.10 secunde.

Relaxarea ventricului stâng.

Imediat după finalizarea contracției atriale, are loc relaxarea ventriculului stâng și se realizează în două faze:

Prima fază – faza de ejectie lentă –are loc în momentul în care ventriculul începe să se relaxeze prin scăderea concentrației intrasarcoplastice de ioni de Ca+ și durează aproximativ 0.01-0.20 secunde. Acestă ejecție prin valva aortică continuă, la nivel redus, datorită inerției curgerii sângelui în sistemul atrioarterial (fenomenul Windkessel).

În cea de-a doua fază, corespunzatoare relaxării izovolumetrice, închiderea valvei aortice este determinată de către scăderea presiunii intraventriculare și sub presiunea intraaortică. Astfel, ventriculul stâng devine o cavitate închisă, având și volumul mai mic. Așadar, are loc o reducere a presiunii la un volum ventricular constant, iar în momentul în care scade sub presiunea intraatrială stângă, permite deschiderea valvei mitrale. Durează circa 0.05 secunde.

Umplerea ventricului stâng.

Fenomenul care are loc după relaxarea ventricului stâng. Constă în umplerea ventricului stâng, și se concretizează prin trei faze:

Prima fază este reprezentată de umplerea rapidă, care se realizează după deschiderea valvei mitrale, ca urmare a scăderii presiunii intraventriculare stângi sub cea atrială stângă; această fază contribuie la circa 70% din umplerea ventriculilor și are o durată medie de 0.12 secunde.

Cea de-a doua fază este umplerea lentă, aceasta reprezentând perioada diastolica în care presiunile atriale și ventriculare s-au egalizat, valva mitrală fiind deschisă într-o poziție intermediară, iar fluxul transmitral este minim; are o durată medie de 0.20 secunde la o frecvență de 70 bpm.

Cea de-a treia și ultima fază este umplerea atrială, care se realizează prin sistola atrială și reprezintă 20-25% din umplerea ventriculară, cu o durata medie de 0.10 secunde.

Analiza morfologică a electrocardiogramei

Electrocardiograma

Este reprezentarea grafică a activității electrice a inimii, fiind o linie continuă, care se desfașoară de la stânga la dreapta într-un sistem grafic bidimensional, care presupune pe orizontală înscrierea componentei temporale și pe verticală a sensului și amplitudinii fenomenelor bioelectrice cardiace (Fig.2.9) [27]. Cu alte cuvinte, putem spune despre electrocardiogramă că înregistrează variațiile de potențial electric care iau naștere la suprafata corpului uman, datorită activității cardiace.

În momentul în care se fac astfel de monitorizări ale activitatii electrice a inimii, pot interveni diverși factori care interferează acuratețea înregistrării EKG [27]:

Defectele electrocardiografului;

Interferențele electrice care se datorează altor aparate electrice aflate în vecinatate;

Mișcările executate de către pacient pe durata înregistrării electrocardiografice;

Contactele instabile ale electrozilor cu tegumentul prin neutilizarea gelului;

Dacă pacientul vorbește în timpul testării;

Efortul fizic efectuat înaintea achiziționării datelor;

Anxietatea sau apariția dispneei(jena respiratorie);

Plasarea eronată a electrozilor

Pe înregistrarea EKG a unui ciclu cardiac se descriu urmatoarele elemente [3]:

unde, segmente, intervale. (Fig.2.10)

Undele sunt abateri ale liniei traseului de la linia izoelectrică, acestora li se descrie[3]: durata (sutimi de secundă); amplitudinea (în mm, etalonare 10 mm/mV); axul (orientarea vectorială în plan frontal, exprimată prin unghiul cu H de O0); forma propiu-zisă, particularitățile care nu se pot exprima numeric (lărgiri, crestări, neregularități, etc);

In ordine alfabetică, undele unui traseu EKG sunt: P, Q, R, S, T, U

Unda P – reprezintă depolarizarea atriala, care declanșează sistola atrială;

Complexul QRS – reprezintă depolarizarea ventriculară (urmată de sistola ventriculară);

Unda T – repolarizarea ventriculară rapidă;

Unda U – un potențial ‘postdepolarizare’ ventricular;

Segmentele sunt porțiuni de traseu cuprinse între două unde. Au următoarele caracteristici:

Raportul cu linia izoelectrică (normal segementele sunt izoelectrice)

Dacă segmentul este decalat față de linia izoelectrică, se poate spune:

Amplitudinea decalării

Sensul decalării (supra sau subdenivelate);

Forma segmentului decalat

Segmentele traseului ECG sunt:

Segmentul ST – corespunde repolarizării ventriculare lente

Segmentul PQ – corespunde repolarizării atriale

Segmentul TP – corespunde diastolei și reprezintă nivelul liniei izoelectrice

Intervalele definesc doar o durată de timp între două repere de pe traseu și pot cuprinde în componența lor unde și segmente.

Intervalele traseului EKG sunt:

Intervalul PQ sau PR – de la începutul undei P la inceputul complexului QRS, exprimând durata conducerii atrovetriculare;

Intervalul QT – de la începutul compelxului QRS până la sfarșitul undei T, depolarizare si repolarizare ventriculară;

Intervalul PP și RR – reprezintă lungimea unui ciclu cardiac complet;

Interpretarea electrocardiogramei

În general, o electrocardiogramă trebuie să cuprindă analiza următoarelor elemente [3]:

tipul ritmului;

morfologia undei P;

intervalul PQ(PR);

frecvența cardiacă;

axul, durata (lărgimea), amplitudinea, morfologia complexului QRS;

segmentul ST (izoelectric supra sau subdenivelat);

morfologia undei T (aplatizată, negativă sau pozitivă);

morfologia undei U;

intervalul QT;

Ritmul normal este sinusal și implică existența undei P cu aspect normal și morfologie constantă înaintea fiecărui complex QR. Prezența undei P modificate implică tulburari de ritm atriale (supraventriculare), hipertrofii atriale etc.

Unda P reprezintă depolarizarea atrială. Prezintă o amplitudine maximă de 2.5 mm în D2 și o durată de cel mult 0.10 s. Aceasta se analizează cel mai bine în D2, unde prezintă o amplitudine maximă. Absența undei P implică fibrilație sau flutter atrial.

Intervalul PQ scurt semnifică prezența unui sindrom de preexcitație, iar PQ lung, blocuri atrioventriculare. Acest interval reprezintă timpul necesar conducerii impulsului electric de la nivelul nodului sinusal la ventriculi. Durata normală este cuprinsă între 0.12-0.21 secunde. [12]

Frecvența cardiacă normală este între 60-90 bpm, sub 60/min constituind bradicardie, iar peste 90/min, tahicardie. Determinarea frecvenței cardiace pe traseul ECG se realizează prin măsurarea distanței a 2 complexe QRS în mm și împărțirea valorii de 1500 la aceasta (1500/distanta R-R).

Complexul QRS reprezintă depolarizarea ventriculară, fiind o undă polifazică cu durata între 60-120 milisecunde, prin propagarea impulsului electric de la nodul atrioventricular la ventriculi, prin rețeaua His-Purkinje. Depolarizarea este determinată de către secvențele de activare succesive ale celor doi ventriculi [12]:

Unda Q este expresia depolarizării septului interventricular;

Unda R este expresia depolarizării regiunilor endocardice ale ventriculului stâng. Depolarizarea ventriculară începe în regiunea endocardică a vârfurilor ventriculare, propagându-se spre baze și cuprinzând mai întai ventriculul drept și ulterior regiunile epicardice ale ventricului stâng.

Unda S este expresia depolarizării regiunilor epicardice ale bazei ventricului stâng, în partea posterioară a acesteia.

Amplitudinea complexului QRS este influențată de diferența de potențial. Acesta crește în hipertrofiile ventriculare și scade când ceva se interpune între inimă și electrozi. Morfologia acestui complex este modificată prin apariția undelor Q patologice, în sechelele de infarct miocardic, sau apariția unor unde R sau S crestate, în tulburări de conducere.

Segmentul ST reprezintă prima fază a repolarizării ventriculare, fiind corespunzătoare platoului potențialului de acțiune al fibrelor miocardice ventriculare[dobreanu]. Acest segment este în mod normal izoeletric, fiind momentul în care sângele este ejectat prin valvele semilunare către vasele mari. Inflexuinea formată între unda S și segmentul ST, care marchează separarea dintre cele două, se numește punctul “J” [3].

Unda T reprezintă repolarizarea ventriculară, pe parcusul căreia potențialul de membrană revine la valoarea de repaus. Această fază marchează sfarșitul sistolei ventriculare electrice. Este în mod normal asimetrică, axul undei T fiind apropiat de cel al complexului QRS. În momentul în care această undă este simetrică și ascuțită, poate semnifica hiperpotasemie, ischemie, dar poate fi uneori și normala. Markerii standard ai ischemiei sunt undele T aplatizate sau inversate (negative în derivații în care ar trebui să fie pozitive și invers). [3]

Unda U reprezintă o mică deflexiune care urmează inconstant undei T, ea lipsind frecvent și fiind evidențiată la frecvențe scăzute. Semnificația acestei undei este incertă, fiind atribuită repolarizării fibrelor Purkinje, care au potențiale de acțiune mai lungi decât restul miocardului. [12]

Intervalul QT reprezintă durata activării ventriculare, care se măsoară de la începutul undei Q și până la sfarșitul undei T. Durata normală a acestui interval depinde de frecvența cardiacă, existând mai multe formule deduse empiric, care aproximează valoarea corectată în funcție de intervalul R-R. Acest interval poate fi prelungit în boli miocardice difuze, miocardite, infarct miocardic, hipocalcemie, administrarea unor antiaritmice etc. [12]

Derivațiile electrocardiografice

Electrozii pentru culegerea potențialelor generate de activitatea inimii sunt plasați în diverse puncte pe suprafața corpului. Un anumit raport între aceste puncte de plasare a electrozilor definește o derivație electrocardiografică. Din punct de vedere grafic, fiecărei derivații îi corespunde un ax, căruia i se atribuie convențional un sens. Pe acest ax se face proiecția vectorilor cardiaci; proiecțiile orientate în sensul axului se înregistrează pozitive, iar cele care sunt orientate în sens invers se înregistrează negative. În practică se folosesc în mod curent trei sisteme de derivații [12]: 1.derivațiile standard, 2.derivațiile unipolare ale membrelor și 3.derivațiile toracice.

Derivațiile standard sunt derivații bipolare ale membrelor și au fost imaginate de către W. Einthoven, care explorează activitatea inimii în planul frontal. Utilizează trei puncte de plasare a electrozilor:

Membrul superior drept(R=right)

Membrul superior stâng (L=left)

Membrul inferior stâng(F=foot)

Notăm cu VR, VL și VF potențialele punctelor respective, iar DS măsoară diferențele de potențial care iau naștere între câte două din aceste puncte. În reprezentarea grafică, axele electrice ale celor trei DS sunt reprezentate de cele trei laturi ale unui triunghi echilateral, numit și triunghiul lui Einthoven. Inima, după cum se poate vedea în Fig 2.12, este plasată în centrul acestui triunghi. Se aplică circuiutului electric astfel format teorema a doua a lui Kirchoff, pentru a demonstra legea fundamentala a DS:

D2 =D1 +D3

Derivațiile unipolare ale membrelor (sau DUM) au electrozii plasați în aceleasi poziții ca pentru obținerea DS (R,L si F). Se numesc unipolare deoarece unul dintre electrozi este considerat indiferent, înregistrând tot timpul un potențial electric nul. Aparatul măsoară astfel potențialul cules de celălalt electrod (electrodul explorator). Electrodul indiferent se obține prin metoda propusă de către Goldberger, unind într-un punct electrozii celor două membre, diferite de electrodul explorator. Derivațiile obținute se notează cu aVR, aVL si aVF, după cum se poate observa și in Fig. 2.13. Din teoremele lui Kirchhoff, se poate deduce legea fundamentală a DUM:

VR + VL + VF = 0

Axele DUM sunt perpendiculare pe cele ale DS, trecând prin punctele de plasare ale electrozilor exploratori. În acest mod, în triunghiul lui Einthoven se mai introduce un sistem de trei axe, care permit analiza vectorului electric în planul frontal, într-un sistem hexaaxial.

Derivațiile toracice (sau DT) mai poartă numele de derivații precordiale, acestea explorând activitatea inimii într-un plan orizontal, fiind derivații unipolare. Electrodul indiferent se obține prin metoda propusă de Wilson, scurcircuitând într-un singur punct, care se numește borna centrală terminală (BCT), electrozii de la cele trei membre: R, L si F. Electrodul explorator se plasează în anumite puncte convenționale de pe peretele toracic anterior, notate de la V1 la V6 (Fig2.14).

Axul DT pornește din centrul electric al inimii și se oprește pe fața anterioară a toracelui, sub electrodul explorator (Fig. 2.14).

Afecțiuni ale Aparatului Cardiovascular

Bolile cardiovasculare au devenit principala cauză de deces la nivel global, acestea putând reprezenta: o scădere a forței de contracție a cordului, directă (afecțiune a miocardului contractil) sau indirectă (leziuni valvulare), ori o alterare a ritmului cardiac (datorită unor afecțiuni ale țesutului specific). Afecțiunile sistemului cardiovascular sunt multiple, în continuare fiind prezentate doar tulburările de ritm și insuficiența coronariară.

Tulburările de ritm (aritmiile)

Activitatea cardiacă normală constă într-o secvență regulată de cicluri, cu o frecvență de 60 până la 100 bpm. Orice tulburare în secvența ciclurilor poate fi de frecvență sau de regularitate, și în desfășurarea fiecărui ciclu în parte, prin apariția de stimuli ectopici activi (ectopic = poziție anormală) sau încetinirea, oprirea sau desinconizarea conducerii, cu apariția de stimuli ectopici. Stimuli ectopici sunt orice fel de stimuli care provin din orice altă regiune a cordului decat cea a NSA. [27]

Artimiile se clasifică în funcție de mecanismul apariției lor în mai multe categorii [6]:

Artimii sinusale (normotrope)

Regulate: tahicardie sinusală (ritm peste 100 bpm) sau brahicardie sinusală (ritm sub 60 bpm)

Neregulate: poate fi aritmie sinusală (frecvențe atriale și ventriculare neregulate, cu P-Q constant), aritmie respiratorie (obișnuita la copii) sau aritmie fazică (la persoane în varstă, de obicei cu arteroscelroză)

Aritmii supraventriculare (heterotrope)

Extrasistole (bătăi precoce), care pot fi la randul lor atriale, jonctionale

Ritmuri de înaltă frecvență caracterizate prin tahicardii paroxistice (frecvență mare, 140bpm – 200bpm, datorită unui focar ectopic supraventricular sau atrio-ventricular, dar care dispare după un timp), fluttere atriale (tuburare a ritmului atrial permanent, de mare frecvență – 300 bpm), fibrilații atriale (reprezintă o tuburare de ritm atrială permanentă de foarte mare frecvență – 350 bpm)

Aritmii ventriculare (heterotrope)

Extrasistole (contracții ventrciulare precoce, provocate de excitații ectopice)

Ritmuri de înaltă frecvență, care se caracterizează prin tahicardii ventriculare (frecvență mare de 160bpm – 200bpm), fluttere ventriculare (tulburare de ritm ventriculară de mare frecvență, aproximativ 300bpm, are debut și sfârșit brusc)

Fibrilație ventriculară (reprezintată de oscilații neregulate ca formă, durată și amplitudine, în care nu mai apare nicio undă obișnuită)

Tuburări de conducere

Blocuri sinoatriale (reprezintă întârzieri sau întreruperi ale conducerii stimuluii în atrii) și pot fi de gradul I (superior sau inferior), de gradul II sau de gradul III (în acest caz nodul sinusal nu mai activează inima, el poate fi permanent sau temporar)

Blocuri atrioventriculare (întârzieri ale conducerii stimului de la atrii la ventriculi)

Blocuri intraventriculare (întârzieri ale conducerii stimului în ventriculi) se poate caracteriza prin: bloc complet de ramură, tulburări minore de conducere intraventriculare, tulburari de conducere intraventriculare combinate sau bloc de arborizații;

Simptomatologia în aritmii este reprezentată de palpitații, adică perceperea bătăilor cardiace neregulate de catre pacient. Numeroase artimii severe nu pot fi percepute de către bolnav ca fiind palpitații [27].

Pentru diagnostic este absolut necesar EKG de repaus, suplimentar este indicat ECG de efort, ECG Holter și explorarea electrofiziologică endocavitară [27]:

EKG-ul de repaus este unul dintre cele mai simple teste cardiace care are ca scop să determine ritmul cardiac (bătăile inimii). Este o investigație neinvazivă și foarte utilă pentru a diagnostica o multitudine de afecțiuni cardiace.

EKG de efort trebuie sa fie efectuat cu prudență, deoarece declanșează criza aritmică prin potențarea stimulării simpatico-adrenergetice și reducerea tonusului vagal (la acest test aritmiile benigne dispar).

Explorarea electrofiziologică endocavitară este o metodă invazivă de diagnostic, derivată din cateterismul cardiac. Se realizează de obicei cateterismul inimii drepte, dar se obțin informații și despre jumătatea stângă a cordului.

Monitorizarea Holter este un sistem care realizează o înregistrare de 24 sau 48 de ore, în timp ce pacientul își desfășoară activitatea cotidiană. Acesta utilizează două derivații toracice bipolare, înregistrând pe o bandă magnetică. Ulterior sunt analizate pe computer. Avantajele metodei sunt multiple, precum: permiterea detectării tuburarilor paroxistice de ritm, corelarea lor cu simptomele, identificarea tipului de aritmie, determinarea numarului de extrasistole într-un interval de timp selecționat de către medic, evidențierea perioadelor de ischemie coronariară.

Insuficiența coronariară (Cardiopatia ischemică)

Reprezintă o suferință a miocardului produsă de deficitul de irigație coronariară. Are loc scăderea pe o durată mai scurtă sau mai lungă a fluxului sanguin printr-unul din trunchiurile principale sau prin ramificațiile arterelor coronare, producând o suferință miocardică reversibilă sau ireversibilă, precum necroza țesutului sau infarctul miocardic (IM).

Cel mai adesea, ischemia miocardică nu este continuă, ea apare în accese de durată variabilă, considerându-se severă dacă durează peste 30-40 min, într-un final producând necroza miocadului afectat.

Este produsă de un dezechilibru între fluxul sanguin coronarian și consumul miocardic de O2, elementul fundamental reprezentându-l lipsa sau scăderea concentrației de O2, ce este necesară funcției miocardice. Insuficiența coronariară se clasifică din punct de vedere simptomatologic astfel [27]:

Cardiopatia ischemică nedureroasă (manifestată prin insuficiența cardiacă, fiind o neconcordanță între necesarul de irigație a miocardului și aportul coronarian, având ca efect tulburări de ritm, modificări ECG, mărirea cordului și într-un final moarte subită) care poate fi:

Silențioasă (aceasta include modificări obiective care determină cu precizie prezența ischemiei miocardice, fără a produce simptome dureroase)

Simptomatică (include modificări obiective care determină cu precizie prezența ischemiei miocardice, neproducând simptome dureroase)

Cardiopatia ischemică dureroasă poate fi:

Sindrom coronarian intermediar;

Angina pectorală (este caracterizată de obicei prin arteroscleroza arterelor coronariene, astfel antrenând o ischemie miocardică; se manifestă în momentul în care nevoia de oxigen a miocardului nu este satisfacută);

Infarctul miocardic (necroza ischemică a unei regiuni destul de mari a musculaturii cardiace, produsă de ocluzia unei artere coronariene) ;

Consecințele care se resimt asupra funcțiilor miocardului excito-conductor :

Scăderea contractilității miocardului în regiunile ischemate;

Scăderea forței de ejecție, cu scăderea debitului sanguin și consecutiv a debitului cardiac;

În mod reflex, organismul compensează prin stimulare simpatică, cu tahicardie, ameliorând debitul cardiac, dar este dezavantajoasă deoarece crește consumul de O2 al miocardului și scade durata diastolei;

Scade complianța ventricului stâng la umplerea diastolică;

Sistemul propus și echipamente similare

Sistem de telemonitorizare a activității electrice a inimii

Sistemul propus în această lucrare pentru telemonitorizarea activității electrice a inimii este compus din: Arduino Uno, shield EKG, shield GSM, electrozi, toate acestea fiind asamblate împreună și încapuslate într-o carcasă protectoare.

Arduino Uno

Microcontrolerul Arduino este o platformă de dezvoltare ușor de folosit ce a câștigat aprecieri considerabile în rândul pieței de specialitate și în rândul celor pasionați. Arduino este open-source, ceea ce înseamnă că din punct de vedere hardware, este disponibil la un preț accesibil, iar din punct de vedere software, este gratuit.

Proiectul Arduino a început in Italia, pentru a se încerca elaborarea și dezvoltarea unei structuri hardware de tip ”low-cost”. Cu ajutorul platformei Arduino, există posibilitatea de a se scrie programe si de a se crea circuite de interfață capabile să citească senzori, sau să controleze motoare sau lumini cu un efort foarte mic.

Limbajul de programare al lui Arduino este o versiune simplificată de C/C++. Pentru oricine cunoaște limbajul C, programarea Arduino devine foarte familiară. O caracteristică importantă a platformei o constituie crearea unui program de comandă și control pe computerul pe care se conectează placa. Chiar dacă este întreruptă conexiunea prin cablul USB de la placă la computer, programul încă va rula de la început, de fiecare dată când este apăsat butonul de reset.

Un fapt interesant este acela că dacă este scoasă bateria plăcii Arduino și nu este folosită timp de până la 6 luni, când aceasta va fi reconectată, va rula ultimul program salvat. Acest lucru înseamnă că după ce placa este conectată la un computer pentru scrierea sau depanarea unui program, aceasta nu mai necesită apoi acel computer pentru a rula programul respectiv.

Pentru a funcționa autonom, placa se recomandă a fi alimentată de la o baterie, decât de la o conectare USB la computer. Alimentarea externă poate fi undeva în intervalul 6-24 V (ca de exemplu o baterie de mașină), dar o baterie standard convenabilă se recomandă a fi de 9 V. O polarizare greșită la introducerea bateriei ar putea conduce la o ardere a plăcii.

Conform site-ului oficial al dezvoltatorilor Arduino [4], Arduino Uno (Fig.3.1) este o platformă de dezvoltare ce se bazează pe microcontrolerul ATmega328 (Fig.3.1), având schema electrică prezentată în Anexa 1 [4]. Această platformă de dezvoltare are 14 pini digitali de intrare/ieșire (dintre care se pot utiliza 6 ca și ieșiri PWM), 6 intrări analogice, un oscilator de cuarț de 16 MHz, o conexiune USB, o mufă de alimentare, o mufă ICSP și un buton pentru resetare.

Arduino Uno conține tot ce este nevoie pentru funcționarea microcontrolerului; se conectează pur și simplu la un calculator prin intermediul unui cablu USB sau se alimentează fie cu ajutorul unui adaptor AC/DC, fie cu ajutorul unei baterii. Acesta diferă față de platformele de dezvoltare anterioare, deoarece nu folosește un driver chip FTDI USB-la-serial. În schimb, are încorporat microcontrolerul ATmega16U2 (ATmega8U2 updatat la versiunea R2), ce este programat ca un convertor USB-la-serial. A doua revizuire a platformei Uno are un rezistor ce trimite linia 8U2 HWB la împământare, ceea ce facilitează punerea în modul DFU. A treia revizuire a plăcii are următoarele noi caracteristici:

• Pinout 1.0: s-au adăugat pinii SDA și SCL ce sunt lângă pinul AREF și alți doi pini noi poziționați în apropierea pinului RESET, și anume unul este pinul IOREF, ce permite shield-ului să adapteze tensiunea furnizată de la placă. Acesta va indica următoarelor versiuni de shield-uri cu cât sunt alimentate. În viitor, shield-ul va fi compatibil atât cu placa ce utilizează AVR, ce funcționează cu 5V, cât și cu Arduino Due care funcționează cu 3.3 V. Cel de-al doilea pin nu este conectat, fiind păstrat pentru scopurile viitoare.

• Circuit de RESET mai puternic.

• ATmega16U2 înlocuit cu 8U2.

“Uno” înseamnă “unu” în limba italiană și acesta a fost denumit așa pentru a marca o lansare viitoare a lui Arduino 1.0. Versiunea UNO și versiunea 1.0 vor fi versiunile standard pentru Arduino, care va continua să se dezvolte. Uno este cea mai recentă dintr-o serie de platforme Arduino, și reprezintă modelul de referință pentru acestea.

Tabel 3.1. Specificații tehnice ale platformei Arduino Uno[4]:

Designul Arduino poate folosi microcontrolerul ATmega8, 168 sau 328. Modelele actuale utilizează ATmega328, dar în schema de referință de pe site este prezentat ATmega8. Configurația pinilor este identică pe toate cele 3 procesoarele.

Alimentarea se realizează prin intermediul unei conexiuni USB sau prin intermediul unei surse de alimentare externă. Sursa de alimentare este selectată automat.

Alimentarea de tip externă (non-USB) poate fi furnizată de la un adaptor AC la DC sau o de la o baterie. Adaptorul se poate conecta printr-o priză de 2.1 mm cu centru pozitiv. Conectarea la o baterie se poate realiza în capetele pinilor GND și Vin ale conectorului de alimentare. Platforma de dezvoltare poate să opereze pe o sursă externă de 6-20 de volți. În cazul în care este alimentată la mai puțin de 7 volți, poate exista posibilitatea ca pinul de 5 volți să furnizeze mai puțin de 5 volți și în aceste condiții, placa să devină instabilă. Dacă este alimentată cu mai mult de 12 V, regulatorul de tensiune poate să se supraîncălzească, fapt ce ar putea conduce la o defectare a plăcii. Astfel, intervalul de tensiune pe care producătorul îl recomandă este de 7-12 V.

În continuare sunt prezentați pinii de alimentare ai platformei Arduino Uno[4]:

Vin: Tensiunea de intrare a platformei de dezvoltare, atunci când se utilizează o sursă externă de alimentare (spre deosebire de 5V ce provin de la conexiunea USB sau de la alte surse de energie stabilizată). Prin intermediul acestui pin se pot introduce tensiuni de alimentare, sau în cazul în care această tensiune se face prin intermediul conectorului de alimentare externă, se poate accesa prin acest pin.

5V: Este un regulator de tensiune ce se utilizează la alimentarea microcontrolerului și a altor componente de pe placă. Se poate alimenta fie de la Vin prin intermediul unui regulator pe placa de dezvoltare, fie de la o altă tensiune de 5V, fie de către USB.

3V3: Este o alimentare de 3.3 V generată de către regulatorul de tensiune ce se află pe placă. Curentul maxim furnizat este de 50mA.

GND: sunt pini de împământare (ground).

IOREF: Acest pin de pe platforma de dezvoltare Arduino furnizează tensiunea de referință cu care funcționează microcontrolerul. Un shield configurat corespunzător poate citi tensiunea de pe pinul IOREF și poate selecta sursa de alimentare corespunzătoare sau poate permite translatorilor de tensiune de pe ieșire să lucreze cu 5V sau 3.3V.

ATmega328 are memoria de 32 KB (cu 0.5 KB ce se utilizează pentru bootloader). De asemenea, aceasta are 2KB SRAM și 1KB de EEPROM (ce poate fi citită și scrisă cu librăria EEPROM).

Librăria EEPROM permite citirea și scrierea bytes-lor din memoria EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) a microcontrolerului de pe placa Arduino, valorile din această memorie fiind păstrate și atunci când placa este nealimentată (precum un mic hard-disk).

Microcontrolerele de pe diferitele platforme de dezvoltare Arduino au diferite mărimi de EEPROM. Cel prezentat în lucrarea de față dispune de 1024 de bytes pe ATmega328, dar mai poate fi și 512 bytes pe ATmega168 și ATmega8.

Ca intrare sau ieșire, platforma Uno folosește fiecare dintre cei 14 pini digitali, folosind funcțiile pinMode(), digitalWrite(), și digitalRead(). Acestea funcționează la 5 volți. Fiecare pin poate furniza sau primi un maxim de 40 de mA și are un rezistor intern ”pull-up” (deconectat în mod prestabilit) de 20-50 kOhm.

În plus, anumiți pini au funcții specializate, precum[4]:

Serial: pinul 0(RX) și pinul 1(TX). Este folosit pentru a primi (RX) și transmite (TX) datele seriale TTL. Acești pini sunt conectați la pinii corespunzători ai lui ATmega8U2 printr-un chip serial USB-to-TTL.

Întreruperi externe: pinii 2 și 3. Acești pini pot fi configurați pentru a declanșa o întrerupere la o valoare scăzută, o creștere sau o scădere, sau o schimbare a valorii respective.

PWM: pinii 3,5,6,9,10 și 11. Furnizează o ieșire PWM de 8 biți prin intermediul funcției analogWrite().

SPI: pinii 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK). Acești pini susțin comunicarea SPI, utilizând librăria SPI.

LED: pinul 13. Există un LED încorporat, conectat la pinul digital 13. Când pinul are o valoare mare, LED-ul este pornit, când are o valoare scăzută, LED-ul este oprit.

Platforma Uno are 6 intrări analogice (Fig.3.2), marcate de la A0 până la A5, iar fiecare dintre acestea oferă 10 biți de rezoluție. În mod prestabilit, se măsoară de la împământare până la 5 volți, deși este posibil să se schimbe limita superioară a acestui interval, folosind pinul AREF și funcția analogReference(). În plus, anumiți pini au funcții specializate, precum:

TWI: intrarea analogică A4 sau pinul SDA și intrarea analogică A5 sau pinul SCL. Acestia susțin comunicarea TWI prin intermediul librăriei Wire.

Există o serie de alți pini pe această placă:

Pinul AREF: tensiunea de referință pentru intrările analogice. Este folosit cu funcția analogReference().

Pinul RESET: Folosit de obicei pentru a adăugarea unui buton de Reset shield-urilor ce îl blochează pe cel de pe placă.

În ceea ce privește comunicarea cu un computer, altă platformă Arduino sau alte microcontrolere, platforma Uno are o serie de facilități. ATmega328 oferă comunicare serială UART (receptor/transmițător universal asincron) TTL (5V), ce este disponibilă pe pinii digitali 0 (RX) și 1(TX). Firmware-ul ‘16U2 folosește driverele standard USB COM, nefiind nevoie de un alt driver extern. Software-ul Arduino include un driver ce permite datelor de tip text simplu să fie trimise către placa Arduino sau sa fie trimise de la placa Arduino. LED-urile RX și TX de pe placă se aprind atunci când datele sunt transmise prin intermediul unui chip: USB-to-serial și de asemenea când sunt transmise către un computer (dar nu și pentru o comunicare serială pe pinii 0 și 1).

Librăria SoftwareSerial permite comunicarea serială între oricare dintre pinii digitali ai plaformei Uno. Hardware-ul Arduino are inclus un suport pentru comunicarea serială pe pinii 0 și 1 (comunicare ce ajunge de asemenea la computer prin intermediul conexiunii USB). Suportul se constituie dintr-o parte hardware (încorporată în chip), numită UART. Aceasta permite chip-ului ATmega să primească comunicare serială chiar și în timp ce lucrează și îndeplinește alte sarcini.

Librăria SoftwareSerial a fost creată pentru a permite comunicarea serială pe alți pini digitali ai Arduino, folosind software-ul, de unde și numele de “software serial”. Ca limitare cunoscută, această librărie dacă utilizează mai multe porturi seriale software, doar unul dintre acestea poate primi date, pe rând.

Programarea platformei de dezvoltare Arduino Uno poate fi facută cu ajutorul software-ului Arduino (Fig.3.3). Pentru a utiliza acest software, se selectează din Unelte opțiunea Arduino Uno, și apoi Board Menu (în funcție de tipul de placă de microcontroler utilizată).

Microcontrolerul ATmega328 de pe platforma Arduino Uno vine prevăzut cu un bootloader preinstalat ce permite încărcarea noului cod fără a se utiliza o programare hardware externă. Acesta comunică prin intermediul protocolului original STK500 (conține fișiere header de tipul C).

Codul sursă firmware al lui ATmega16U (sau8U2) este disponibil. ATmega16U2/8U2 este încărcat cu un bootloader DFU, ce se poate activa prin:

Conectarea în partea din spate a plăcuței și apoi resetarea ATmega8U2(pentru cele ce fac parte din prima serie de plăci revizuite)

Pentru cele ce fac parte din modelele apărute recent, există un rezistor ce trimite liniile HWB ale modelelor 8U2/16U2 la împământare, facilitând punerea în modul DFU.

Pentru resetarea software automată, în loc să solicite o apăsare fizică a unui buton de reset înaintea unei încărcări de cod, Arduino Uno a fost proiectat în așa fel încât să îi permită să fie resetat software în timpul conectării la un computer. Una dintre liniile de control hardware (DTR) ale microcontrolerelor ATmega8U2/16U2 este conectată la linia de resetare a lui ATmega328 printr-un condensator de 100 de nanofarazi. Software-ul Arduino folosește această posibilitate pentru a permite încărcarea codului prin simpla apăsare a butonului de upload în mediul de dezvoltare si programare al Arduino. Acest lucru înseamnă că bootloader-ul poate avea o mică pauză în timpul încărcării de sistem, astfel încât scăderea DTR să poată să se coordoneze cu începerea încărcării comenzii.

Ca protecție USB de supra-sarcină, platforma Arduino Uno are o siguranță resetabilă ce protejează porturile USB ale computerului împotriva scurt-circuitelor și supra-sarcinilor. Deși cele mai multe computere asigură protecția internă a acestora, siguranța oferă o protecție suplimentară. Dacă portului USB îi este aplicat un curent cu o intensitate mai mare de 500 mA, siguranța va întrerupe în mod automat conexiunea până când scurt-circuitul sau supra-sarcina sunt oprite.

Shield EKG

Shield-ul EKG (Fig.3.4), produs de către compania Olimex, este un modul open-source care permite prin conectarea cu Arduino sau cu alte platforme compatibile, să achiziționeze semnale EKG sau EMG. Shield-ul oferă noi posibilități de realizare a experimentelor cu feedback biologic, precum monitorizarea bătăilor inimii și a ritmului cardiovascular, dar și a activității electrice a mușchilor.

Conform manualui de utilizare publicat de Olimex, plăcuța EKG, este prezentată ca un modul extensie pentru platforma Arduino, el fiind compatibil cu Arduino Uno și alte platforme Arduino ce utilizează Atmega328.

Câteva dintre caracteristicile generale sunt prezentate în continuare, precum și schema electrică in Anexa 2 [23], conform manualui Olimex menționat mai sus:

Generarea semnalului poate fi calibrată prin ieșirile digitale D4/D9, având un potențiometru precis pentru calibrare;

Shield-ul are un conector de intrare pentru electrozii pasivi sau activi;

Funcționează cu plăci Arduino de 3.3V, respectiv de 5V;

Pinii de ieșire ai plăcuței îndeplinesc în mod strict specificațiile extensiei Arduino;

Pentru a configura shied-ul ECG, ne sunt necesare urmatoarele:

Shield-ul propriu zis EKG-EMG

Platforma Arduino compatibilă

Electrozi

Electrozii sunt încapsulați într-un cablu, astfel: doi electrozi de date (formează un canal) și un electrod DLR (pentru feedback). Dacă se utilizează mai multe shield-uri EKG-EMG, acestea se așează sub forma unei stive, și se pot folosi cabluri fară DLR pentru fiecare shield, dar după primul.

Modulul EKG-EMG este alimentat de către placa pe care acesta este montat. Există posibilitatea de a fi alimentat fie de o placă de 3.3V, fie de una de 5V (aceasta se configurează cu ușurință de către un jumper). Pe placuța alimentată, led-ul PWR trebuie sa devină roșu.

Conectorii shield-ului îndeplinesc specificațiile Arduino, pentru conectare. Modulul vine însoțit de conectori deja încorporați, ceea ce îl face pregătit pentru a i se monta o placă compatibilă, cu posibilitatea de a avea un alt shield montat pe aceasta.

Jumperii de pe placă au denumirile marcate 3.3V sau 5V. Acești jumperi controlează circuitul de alimentare, adică dacă placa este alimentată cu 3.3V, respectiv 5V. Alimentarea standard este de 3.3V.

Jumper-ul REF_E trebuie să fie închis dacă se utilizează doar un singur shield. Dacă se utilizează mai multe module, primul jumper trebuie să fie închis, iar jumper-ul REF_E de pe orice alt modul așezat în stivă trebuie sa fie deschis.

Jumper-ul AIN_SEL stabilește care dintre canalele shield-ului EKG-EMG se poate folosi. Dacă se utilizează mai multe shield-uri, unul dintre acestea trebuie să aibă AIN_SEL în poziția 1, al doilea în poziția 3, și așa mai departe. Poziția standard a acestuia este 1.

Jumperii D4/D9 sunt pinii de control. Anumite procesoare utilizează implicit pinul D9, deci este necesară o comutare către pinul D4, opțiune ce este oferită de către acest jumper. În starea standard, se utiliează D9.

Jumper-ul CAL este utilizat pentru feedback-ul dat de calibrare si necesită un cablu suplimentar. În starea standard, acesta este deschis.

Shield GSM

Shield-ul celular pentru Arduino Uno permite adăugarea funcționalităților precum SMS, GSM/GPRS si TCP/IP la proiectul din lucrarea de față. Singurul lucru ce este necesar pentru adăugarea acestor funcționalități este o cartela SIM (pre-plătita sau direct din telefon) și o antenă. Apoi se poate începe trimiterea comenzilor Serial.print pentru a iniția apeluri, trimite texte sau pentru a afișa pagini web.

SM5100B este un modul GSM850/EGSM 900/DCS/PCS 1900 quad-band a cărui schemă electrică este prezentată în Anexa 3 [25], ce poate fi integrat într-un număr vast de proiecte wireless. Acest modul se poate utiliza pentru a realiza aproape orice funcție pe care o îndeplinește și un telefon mobil obișnuit – trimitere mesaje text, GSM/GPRS, TCP/IP, și altele.

Acest modul are două transmițătoare/receptoare universale asincrone (UART), o interfață SPI si două ADC de 10 biți. De asemenea, acceptă încărcare cu o baterie Li-ion, o tastatură 4×6 și o interfață LCD. Intrările și ieșirile sunt disponibile pentru un difuzor si un microfon. La modulul din acest proiect există o antenă atașată. Energia de alimentare ar trebui să se încadreze între 3.3-4.2 V (curent continuu), cu 3.6 V curent nominal. Shield-ul este preconfigurat la 9600bps.

Caracteristici [25]:

Interval de temperatură: -10 până la 55 de grade C (la operare), -40 până la 85 de grade C (pentru depozitare)

Conexiune: 60 de pini

Alimentare: tensiune DC: 3.3V până la 4.2 V

Consum de energie:

Modul Oprit: <100uA

Modul Sleep: <2.0mA

Modul Idle: <7.0mA (în medie)

Modul de comunicare: 350 mA sau 2A (vârf tipic pentru GSM)

Benzile de frecvență: EGSM900, GSM850, DCS1800, PCS1900

Puterea de transmisie:

Clasa 4 (2W) pentru EGSM900/GSM850

Clasa 1 (1W) pentru DCS 1800/PCS1900

Cartela SIM suportată: SIM de 3V/1.8V (recunoaștere automată)

Interfață tastatură disponibilă: 4×6

Interfață UART0 cu control al fluxului de până la 460 kbps

Interfață UART1 fără control al fluxului, cu două fire, de până la 460 kbps

Interfață LCD

Dimensiuni: 35.0 x 39.0 x 2.9mm.

Greutate: <9g.

Antena GSM/GPRS

Antena GSM/GPRS Quad Band SMA este compatibilă cu modulul GSM SM5100B, fiind preconfigurată la 9600bps .

Este o antenă în miniatură pentru aplicații solicitante. Aceasta asigură funcționarea la ambele frecvențe GSM Quad Band cu câștig de 2 dBi.

Antena are o lungime de 57 mm, și are o impedanță de 50 de Ohmi, astfel încât va funcționa foarte bine cu orice receptor/transmițător wireless de 850/900/1800/1900/2100, ca și orice dispozitiv celular sau GSM/GPRS.

Specificații [26]:

Model: GSM-02-SMRA

Frecvență: 850/900/1800/1900/2100

Câștig: 2 dBi

V.S.W.R.: mai mic sau egal cu 2:1

Polarizare: Verticală

Conector: SMA Male Right Angle

Impedanță: 50 Ohm

Temperatură de operare: -20 până la 60 de grade Celsius

Temperatură de depozitare: -30 până la 75 de grade Celsius

Dimensiuni: lățime – 16.5mm; lungime – 57mm; înălțime – 8mm

Electrozi

Electrozii (Fig.3.7) utilizați în acest proiect pentru achiziționarea semnalului ECG sunt electrozi pasivi. Aceștia nu prezintă circuite încorporate, iar pentru o achiziție cât mai bună a semnalului trebuie folosit gel de electrod. Acești electrozi sunt marcați corespunzător dervației standard, adică derivația bipolară: R-mâna dreaptă(-), L-mâna stângă(+), D – piciorul drept (împământare).

Pe lângă acești electrozi se mai pot folosi electrozi de unică folosință cu Ag-AgCl. Electrozii din Ag-AgCl se realizează prin depunerea unui strat de clorură de argint peste electrodul din Ag metalic. AgCl reprezintă o sare care nu este solubilă, acest lucru facilitând schimbul de ioni între electrodul de Ag și mediul (gel de electrod sau corpul uman) ce conține NaCl [13].

Pentru a stabili performanțele electrozilor, aceștia trebuie testați în mod repetat, în același timp, sub aceleași condiții, variind poziția lor pe corp. Interfața electrod – piele (Fig3.8) se modifică la mișcare, grosimea stratului de epidermă se modifică și astfel potențialul pielii variază cu 5-10 mV [13].

Gelul de electrod

Gelul de electrod a fost folosit în acest proiect pentru a îmbunătăți calitatea semnalului achiziționat, datorită proprietăților sale [13]:

Asigură un bun contact electric între electrod si piele, prin simplul fapt că gelul va umple toate golurile care apar între electrod și piele.

Facilitează transferul de purtători de sarcină electrică la interfața electrod-electrolit (ioni în gel și electroni în metalul electrodului)

Micșorează impedanța mare a stratum corneum (primul strat al epidermei ce este format din celule moarte, deshidratate) prin difuzia ionilor din gel în piele, datorită gradientului de concentrație.

Gelul de eletrod poate fi lichid sau solid. În lucrarea de față am utilizat gelul de electrod lichid datorită prețului scăzut și proprietăților sale avantajoase, deși există riscul apariției pe piele a iritației.

Gelul lichid este o sare ionică și deoarece majoritatea ionilor din corp sunt Na+ , K+ și Cl-, se folosește clorură de potasiu (KCl) sau clorură de natrium (NaCl). Concentrații mari ale acestor săruri duc la o difuzie mai rapidă a ionilor în piele. Cu toate acestea, concentrații mari se folosesc doar atunci când se dorește obținerea de înregistrări de calitate mare în aplicații de scurtă durată, deoarece țesutul biologic nu tolerează expunere îndelungată la concentrații foarte mari de NaCl și KCl [13].

Echipamente similare sistemului propus

Sistem Holter EKG

Un monitor Holter (Fig.3.9) este un dispozitiv care înregistrează în mod continuu ritmul inimii în timpul activităților de zi cu zi, de obicei pe o perioadă de 24 ore până la 72 de ore. Mai este numit și "electrocardiograma ambulatorie", fiind identică cu cea clasică, singura deosebire este că aparatura nu este fixă ca în cabinetul de cardiologie, ci mobilă.
Monitorul Holter înregistrează ritmul inimii prin intermediul unor electrozi plasați pe piept.
Monitorizarea Holter vă ajută să aflați cum raspunde inima dumneavoastră la activitatea normală sau la folosirea anumitor medicamente și evidențiază evenimente aritmice însoțite de simptome acuzate de pacient și care nu pot fi surprinse de EKG-ul normal.

Monitorizarea cu un astfel de echipament constă în [7]:

montarea unor electrozi pe corpul pacientului, de preferat în porțiunea submamară stângă;

conectarea electrozilor la un mic aparat care va fi prins la brațul pacientului, cu o curea;

decuplarea aparatului și a electrozilor după perioada stabilită de medic, mai exact atunci când pacientul se întoarce în clinică;

transferul datelor înregistrate din aparat în calculator;

interpretarea datelor de către medicul cardiolog care va face corelațiile între simptomatologie și acestea;

Avantajele Holter EKG [7]:
– poate surprinde aritmii care survin rar, datorită faptului că pacientul este monitorizat până la 72 ore;
– realizează o analiză complexă a ritmului cardiac;
– pacientul își poate desfășura activitatea obișnuită în perioada investigației;
– pacientul poate apăsa un buton în momentul în care simte o schimbare a ritmului cardiac, pentru că aparatul să îl poată marca și medicul să poată ulterior să facă toate corelațiile dintre evenimentele înregistrate și simptomatologie;

Sistemele EKG Holter de-a lungul timpului au fost dezvoltate de către mai multe companii interesate de comercializarea lui. În continuare este prezentat sistemul holter ECG – Cardiospy.

Sistemul Holter Ekg – Cardiospy

Cu ajutorul recorderelor EC-1H, EC-2H, EC-3H (Fig.3.10) se pot efectua înregistrări ECG respectiv pe 1, 2, 3 canale independente cu o durata de 1 – 7 zile. Cu recorderele EC-12H pot fi efectuate înregistrări de 1, 2, 3 canale independente, 3 derivații sau 12 derivații standard, în funcție de cablul utilizat. Detectorul de mișcare 3D încorporat permite corelarea efortului fizic al pacientului cu modificările de frecvență cardiacă. Construcția compactă, dimensiunile reduse, fac ca aparatul să fie comod de purtat. Consumul scăzut de energie face posibilă monitorizarea cu o singură baterie sau acumulator. Starea bateriei este monitorizată continuu și bateria poate fi schimbată în timpul monitorizării fără ca înregistrarea să fie întreruptă. Programul de analiză, interactiv, foarte prietenos, disponibil și în limba română, permite o interpretare rapidă și eficientă a înregistrărilor. Datele și înregistrările stocate în baza de date pot fi arhivate, exportate, transmise prin internet. Butonul de pacient permite marcarea de către purtător a unor evenimente considerate importante. Ecranul LCD propriu permite monitorizarea traseelor EKG și în absența unui calculator [20].

Caracteristicile Sistemului Holter EKG Cardiospy se pot clasifica după cum urmează[20]:

Tipul de sistem Holter:

EC-2H (Fig.3.10-a), folosește 3-5 fire și poate înregistra de la 24h până la 7 zile

EC-3H (Fig.3.10-b), folosește 3-7 fire, poate inregistra de la 24h până la 7 zile și are în plus două canale ECG +PM și NEHB față de EC-2H;

EC-12H (Fig.3.10-c), folosește de la 3-10 fire, poate înregistra de la 24h până la 72h, poate înregistra 3 derivații NEHB sau 12 derivații standard.

Caracteristici fără interfața USB-02:

Pornire înregistrare nouă și citire înregistrare pe computer;

Vizualizare traseu EKG brut după citire;

Trimitere înregistrare brută după citire;

Vizualizarea înregistrării evaluate;

Editarea raportului;

Arhivare;

Listare/printrare;

Caracteristici cu interfața USB-02:

Pornire înregistrare nouă și citire înregistrare pe computer;

Filtrare ECG;

Detectare QRS;

Analiza HR, ST;

Analiza completă de forma si ritm;

Vizualizare completă și detaliată a ECG-ului;

Vizualizarea evenimentelor și marcarea lor prin coduri de culori;

Parametri reglabili pentru analiză;

Editarea raportului, arhivare, listare și printare;

Baza de date;

Interfața – DICOM, HL-7, GDT

Opțiuni de editare (posibilitate măsurare EKG, inserare, ștergere etc.)

Tabel 3.2.Funcții ale diferitelor Sisteme Holter EKG Cardiospy (Fig.3.11) [20]:

Cerințe pentru sistemul de calcul [20]:

Windows XP SP3; Windows Vista SP2; Windows 7

Procesor 2 GHz Dual Core sau superior (nu se recomandă Celeron)

2 GB RAM sau superior

Hard disk 500 GB sau superior

Imprimantă cu rezolutie 600 dpi

Inscriptor CD/DVD sau echivalent pentru salvarea datelor

Tabel 3.3.Specificații tehnice ale Sistemului Holter EKG Cardiospy [20]:

Sistem Medical V-Patch

Sistemul V-Patch reprezintă o tehnologie de ultimă oră în domeniul monitorizării wireless inteligente și non-invazive a parametrilor vitali. Este ușor de purtat și permite pacientului ce îl utilizează să desfașoare activitățile sale zilnice cu ușurință, fiind în tot acest timp monitorizat în timp real. Evenimentele monitorizate sunt detectate automat și înregistrate, obținându-se un ECG de înaltă calitate, ce devine apoi automat disponibil și pe pe platforma web. Design-ul acestui sistem nu doar că îl face ușor de folosit, dar asigură și un confort crescut. Perioadele de monitorizare sunt nedeterminate, dar sistemul a fost conceput pentru a fi purtat până la 7 zile, fara a i se schimba patch-ul sau a i se reîncărca bateriile. Are și o memorie internă, pentru a stoca toate evenimentele înregistrate.

V-Patch are mai multe șanse să capteze un eveniment înregistrat. Procesele standard de monitorizare ale unui holter sunt limitate de restricții de timp, de complianța pacientului său, de evenimentele lipsă ce au loc după perioada de depistare. In mod standard, datele ECG sunt analizate la terminarea perioadei de monitorizare. Cu V-Patch, această analiză are loc în mod continuu. Pacienții sunt monitorizați continuu și orice eveniment cardiac înregistrat este instantaneu trimis către baza de date de pe platforma web pentru a fi vizualizat de către medic, ce este la rândul lui alertat de eveniment. Acest proces duce la o diagnosticare imediată și la un tratament cât mai rapid.

Platforma web securizată este un sistem de management al pacienților care afișează rezultatele curente și istoricul acestora, și poate produce rapoarte printabile. Sistemul V-Patch permite clinicianului să monitorizeze un pacient până la 7 zile sau mai mult, fiind informat în timp real.

V-Patch se poate configura pentru detecția automată a orice combinație dintre 9 cele mai comune afecțiuni ce apar frecvent, și are un buton pentru pacient cu ajutorul căruia se poate reconfigura în orice moment în timpul unei sesiuni de monitorizare. Sesiunea de monitorizare standard este de 7 zile, iar dispozitivul monitorizează fiecare bătaie a inimii si înregistrează ritmurile anormale. Înregistrările includ 20 de secunde per eveniment, și sunt configurabile până la 7 minute după eveniment. Este proiectat pentru a captura toate evenimentele vizate, chiar dacă pacientul nu prezintă simptome. Se estimează că 60% din evenimente sau mai multe, au loc fără apariția simptomelor [29].

Acest sistem este eficient atât în design cât și în funcționalități. Patch-urile dispun de un adeziv destul de eficient ce permit atașarea lor pe pielea pacientului și purtarea lor până la 7 zile, fără a fi schimbate, și nu în ultimul rând, sunt ușor de eliminat.

Avantajele V-Patch [29]:

Transmitere de date în timp real prin intermediul rețelei celulare

Potrivit pentru spital, domiciliu sau monitorizare la distanță

Fara fire sau cabluri, reducând erorile ce pot apărea din cauza mișcarii cu până la 90%

Pacienții își pot desfășura activitățile zilnice în timp ce sunt monitorizați

Raport eficiența-cost foarte bun

Platformă ce poate fi utilizată pentru mai multe aplicații diferite

Tehnologia V-Patch este destinată monitorizării atât pe termen lung cât și pe termen scurt, în diverse domenii cum ar fi: diagnostic cardiac, studii clinice pe droguri, reabilitare cardică, monitorizarea greutății, supraveghere post-operatorie, medicină sportivă și medicină de urgență. Acest sistem este un instrument valoros ce asigură siguranța pacienților monitorizați în timp real, fără a fi nevoiți să se interneze în spital sau sa fie imobilizați în orice alt fel.

V-Patch este rezultatul mai multor ani de dezvoltare a produsului si a unei colaborări între V-Patch Medical Systems, Intelesens si Centrul de Inginerie Biomedicala din Irlanda de Nord. Răspândirea sa geografică este limitată, datorită disponibilității rețelei GSM/GPRS. Acest sistem interactiv colectează, analizează si memorează parametrii vitali umani folosind biosenzori avansați, tehnologie RF, hardware-ul unui celular si domeniul World Wide Web.

Componente [29]:

V-Patch se atașează la nivelul pielii cu adezivi biodegradabili sofisticați, rezistenți la apă. Senzorii oferă astfel semnale mai clare si stabile ale ECG, rezultând un diagnostic calitativ mai ridicat.

V-Pod-ul este un transmițător RF de emisie-recepție mic, reutilizabil, ce se fixează la V-Patch. Pe plăcuța acestuia, microprocesorul și memoria monitorizează, stochează și analizează datele achiziționate de V-Patch si apoi transmite informația către V-Cell.

V-Cell este un dispozitiv ce utilizează un receptor celular pentru a conecta pacientul la internet, și acolo la o varietate de adrese IP sau MAC, mai precis la serverul propriu de date V-Central.

Software-ul V-Central facilitează înscrierea medicilor și a pacienților în sistem. După înscriere, medicii au un ID și o parolă setate pentru a accesa doar pacienții lor. Datele pacienților, alarmele și alertele sunt postate de medici pe fișele pacienților, iar informațiile si notificările pot fi de asemenea trimise către un computer, sau prin fax ori text SMS.

Specificații [29]:

Greutate V-Cell & V-Pod : 28 de grame

Rata de eșantionare: 200 s/s

Răspuns în frecvență: 0.05-100 Hz

Capacitate HTZ de stocare: 8 evenimente (4 pe VPod; 4 pe VCell)

Durata de viață a bateriei: 7 zile și VCell reîncarcabilă

Analiza ritmului: 10 cele mai critice aritmii

Furnizor de servicii GSM: Vodafone Europa

Frecvența: 2.4 GHz

Frecvența de radiere: până la 10 m în mediu cu pereți

Greutate și dimensiuni V-Cell: 76g, 84mm (lățime) x 57mm (înălțime) x 19 mm (adâncime)

Greutate și dimensiuni V-pod: 28g, 48 mm (lățime) x 57mm (înălțime) x 17mm (adâncime)

Lățime de bandă: 20kbps

Caracteristici Patch [29]:

1 săptămână de utilizare constantă

Rezistent la apă

Hipoalergenic

Design fără fir patentat

Desfășurare experiment

Sistemul creat este un dispozitiv care monitorizează în timp real activitatea electrică a inimii. Pe langă această funcție dispune de un buton de alertare, care odată apăsat, trimite un sms către un numar prestabilit (nr. Medic/Ruda). Acesta este conceput a fi portabil, prinzându-se în jurul brațului prin intermediul unei benzi ajustabile.

Noul modul este protejat de o carcasă, la suprafata acesteia regasindu-se trei leduri de culori diferite:

Ledul Albastru – se aprinde concomitent detectării fiecărui complex QRS format;

Ledul Roșu – se aprinde în cazul în care ritmul cardiac este foarte ridicat (tahicardie, peste 100 bpm);

Ledul Galben – se aprinde în cazul în care ritmul cardiac este foarte scăzut (brahicardie, sub 60 bpm);

Pe langa aceste leduri, sistemul are încorporat și un mini-difuzor care creează un sunet concomitent aprinderii ledului albastru, la formarea complexului QRS;

Aceste funcții descrise mai sus le ofera și persoanelor cu dizabilități vizuale sau auditive posibilitatea de a-l utiliza.

Testarea Shield-urilor

După cum se poate observa în Fig.4.2, se conectează modulul EKG și cel GSM peste platforma Arduino după care acestea sunt conectate la computer. Odată conectate la computer se pot programa prin intermediul mediului de programare Arduino.

Pentru a putea fi programate shield-urile, trebuiesc descărcate librăriile necesare, după cum este indicat și de către producător. Acestea se instalează în directorul bibliotecii Arduino. Numele folderului trebuie modificat astfel încat în momentul în care programul caută codul în directorul bibliotecii, acesta să fie gasit.

Trebuiesc de asemenea setați jumperii la 5V sau la 3.3V (se pot modifica ulterior pentru o achiziție mai bună a datelor)

În continuare trebuiesc setate porturile COM, prin care se conectează modulele. Se pot afla verificând la Device Manager, deschizând dispozitivele USB, și vizualizând unde se află în listă numele Arduino.

Apoi se deschide softul Arduino, se încarcă codurile care se regăsesc în Anexa 4[olimex], oferite de către companiile producătoare (fiind open-source). Odată deschis softul, se verifică în meniul instrumente, la placa de dezvoltare, dacă este selectată placa folosită, Arduino Uno în cazul sistemului din lucrare. După care se verifica în același meniu, la Port Serial, dacă este selectat portul care se folosește și care se află din Device Manager. Ultimul pas este încarcarea și compilarea programului.

Pentru verificarea funcționalității modului GSM sunt necesare un telefon și o cartelă SIM, pentru emisie – recepție. Trebuie verificat dacă modulul citește și recunoaște cartela SIM. În fereastra Monitorizare Serială deschisă, se pot introduce comezi pentru a trimite sms-uri sau apeluri către un numar predefinit și se poate vizualiza dacă este funcțional (Fig.4.3).

Din Fig.4.2 reiese cum comunicația începe după ce prima linie este afișată, a doua linie (+SIND:1) arată dacă este recunoscută de catre modul cartela SIM. După ce este recunoscută, cartela se conectează automat la rețea. Apoi se poate observa din Fig.4.3 cum este trimis un sms către un număr sau cum este recepționat un apel de către modul.

Pentru verificarea funcționalității modulului EKG, se deschide Fereastra Monitorizare Serială, și se observă cum sunt primite date în timp real.

Proiectarea unei carcase

Proiectarea carcasei se realizează în programul SolidWorks, acesta fiind un mediu de programe de modelare geometrică tridimensională, cuprinzând facilitățile majore ale unui pachet de programe pentru proiectarea asistată de calculator. După ce este realizat prototipul virtual al carcasei (Fig.4.5), acesta este trimis unei imprimante 3D pentru a fi realizat modelul fizic (Fig.4.6). Materialul din care se realizează este PLA (acid polilactic), ce este un bioplastic produs din resurse regenerabile (amidon sau trestie de zahăr). Informațiile referitoare la dimensiunile carcasei se regăsesc în Anexa 5.

Carcasa se prinde de banda ajustabilă prin intermediul unei plăcuțe de plexiglas (Fig.4.7), aceasta fiind atașată benzii prin intermediul unor șuruburi M3, care se folosesc și la atașarea carcasei din PLA.

Descriere Experiment

Materialele necesare desfașurării acestui experiment sunt urmatoarele (Fig.4.8):

2 Arduino Uno (1)

Shield EKG (2)

Shield GSM (3)

Electrozi (4)

Gel de Electrod (5)

Buton (6)

Antenă (7)

Cablu adaptor baterie 9V (8)

Baterie 9V (9)

Cablu USB Male A – Male B (de imprimantă) (10)

Fire conexiune Tată – Tată (11)

Leduri de diferite culori (albastru, galben, roșu) (12)

Breadboard (13)

Difuzor (14)

Opțional, în unele cazuri, este nevoie de bareta pini –tată sau bareta pini – mamă, doar în cazul în care shield-urile vin fără pini montați pe ele.

Sistemul propus în această lucrare este alcătuit din componentele enumerate mai sus și descrise în capitolul 3.1. Acestea se asamblează conform următoarei scheme bloc (Fig.4.9):

Pe un subiect sunt plasați electrozii EKG, conform derivației standard/bipolare (mâna dreaptă, mâna stângă, picior drept), după ce zonelor unde urmează să fie atașați electrozii li s-a aplicat gelul de electrod. Prin intermediul electrozilor semnalul electric al inimii este transmis către shield-ul EKG, care are rolul de a amplifica și filtra semnalul.

Semnalul astfel cules se transmite mai departe către platforma Arduino, aceasta fiind programată să îl prelucreze în timp real și să detecteze conform codului programat, eventualele abateri de la valorile normale.

Platforma Arduino este programată pe un computer în mediul de dezvoltare Arduino, cu ajutorul căreia sunt programate shield-urile pentru a-și îndeplini funcțiile. Pe același computer se poate realiza vizualizarea datelor achiziționate precum și prelucrarea lor într-un program specializat (de exemplu Matlab).

Shield-ul GSM permite adăugarea funcționalităților celulare sistemului de telemonitorizare ECG prin intermediul unei cartele SIM. În cazul unei suspiciuni de afecțiune cardiovasculară, acesta oferă posibilitatea comunicării pacientului cu medicul/rudele.

Shield-ul GSM nu vine cu o antenă încorporată, aceasta fiind un element esențial în emiterea si receptarea undelor electromagnetice. În proiectul de față antena este folosită doar la emiterea unui sms de alertare.

Tot shield-ului GSM îi este anexat un buton care este menit să ajute pacientul. La apariția primelor simptome, pacientul/subiectul poate apăsa butonul, în cazul în care dorește cât mai repede să solicite ajutor. După ce butonul este apăsat, sms-ul de alertare este transmis automat către numărul prestabilit.

Arduino este programat să detectecze formarea complexului QRS creând prin intermediul unui mini-difuzor un sunet.

Prin intermediul ledurilor se poate afla vizual dacă ritmul cardiac este normal (ledul albastru) sau patologic (ledul roșu – ritm crescut; ledul galben – ritm scazut).

Sistemul este proiectat a fi portabil, pentru ca pacientul să nu fie incomodat de acesta și să își poată desfășura activitățile normale. Astfel, sistemul este alimentat extern de către o baterie de 9V și nu depinde de conectarea USB la computer.

S-a dezvoltat o aplicație care combină programele folosite la testarea shield-urilor. Codeing-ul aplicației se gasește în Anexa 6. Pentru ca sistemul să funcționeze, sunt necesare două platforme Arduino, deoarece o singură platformă nu are capacitatea necesară procesării datelor. În continuare sunt conectate cu shield-urile GSM si EKG, după care se conectează si ledurile, difuzorul, butonul, antena și senzorii. Este încărcat codul sursă al programului și compilat, după care se fac calibrările necesare, dacă este cazul.

În continuare se atașează electrozii unui subiect pentru a verifica dacă codeing-ului îi sunt necesare calibrări. Dacă acestea nu sunt necesare, primul Arduino, căruia îi este atașat shield-ul EKG, va începe preluarea semnalul electric al inimii și va face o analiză asupra complexului QRS, captându-l sub forma unui beep, după care este transmis către difuzor, creându-se un sunet. Sunetul se aude de fiecare dată când un complex QRS este detectat. Pe langă acest lucru, beep-ul captat de primul Arduino este transmis către cel de-al doilea Arduino, care îl preia/captează și analizează distanța dintre două complexe QRS, adică măsoară timpul între doua beep-uri.

Al doilea Arduino are stabilită o limită de timp între cele doua beep-uri, acestea fiind caracteristice timpului unui ritm normal. În momentul în care această limită depașește valoarea maximă admisă unui beep/ritm normal, se aprinde ledul roșu, iar în momentul în care timpul dintre beep-uri scade, se aprinde ledul galben. Aceste lucruri sunt puse în codeing sub forma unor limite asupra datelor primite. Pentru momentul în care beepul se încadrează în valoarea normală, se aprinde un led albastru concomitent cu sunetul difuzorului. Pe langă această funcționalitate, cel de-al doilea Arduino are conectat shield-ul GSM, cu ajutorul căruia se poate trimite sms-ul, prin apasarea butonului atașat.

Aceasta este prima variantă a sistemului. Varianta de viitor vizează automatizarea transmiterii sms-ului către numărul prestabilit din program, în momentul în care se depașesc limitele prestabilite dintre cele doua beep-uri.

Achizitia si vizualizarea semnalului EKG

Achiziția datelor EKG se face cu ajutorul programul ElecGuru, conceput de către producătorul shield-ului, sau prin intermediul programului Matlab.

Pentru ca Programul ElecGuru să poată achiziționa date, trebuie verificat dacă portul serial selectat în program este același cu portul sistemului. Pentru a începe achiziția, trebuie apăsat butonul Start EKG din meniul principal. În continuare sunt prezentate câteva teste cu shield-ul EKG folosind programul ElecGuru, de menționat fiind faptul că au fost supuși testului subiecți diferiți:

În Fig. 4.11, jumper-ul shield-ului este setat la 5V și nu este folosit gel de electrod.

În Fig. 4.12, jumper-ul este setat la 3.3V și nu am folosit gel de electrod. După cum se poate observa, comparând cu Fig. 4.11, schimbarea voltajului reduce zgomotul.

În Fig.4.13, jumper-ul este din nou setat la 5V, dar s-a folosit gelul de electrod.

În Fig.4.14, jumper-ul este setat la 3.3V și s-a folosit gelul de electrod.

În Fig.4.15, jumper-ul rămâne setat la 3.3V, dar se inversează polaritățile electrozilor (s-a inversat mâna dreaptă cu cea stangă).

Pentru ca programul Matlab să preia date în timp real, achiziționate prin intermediul shield-ului EKG, sunt necesare urmatoarele comenzi:

Datele achiziționate pot avea orice format, acesta fiind suportat de către program. Pentru a prelucra semnalul, formatul de date suportat de Matlab este cel zecimal. Semnalul transmis de către shield este în forma hexazecimală (se vizualizează sub forma unor caractere ciudate în Matlab). Din această cauză a fost conceput următorul program, pentru ca datele primite în Matlab să fie transformate din hexazecimal în zecimal, iar caracterele ciudate să dispară, fiind transformate in numere. Pe langă aceste lucruri s-a încercat și plotarea datelor transmise în timp real.

Programul conceput și descris mai sus are scopul de a oferi o deschidere celor ce doresc a utiliza shield-ul EKG împreuna cu programul Matlab. Acesta oferă posibilitatea unei analize mai amănunțite a semnalului.

Concluzii

Sistemul conceput în această lucrare implementează principalele tehnici de urmărire a activității electrice a inimii și principalele aspecte legate de EKG. Studiul activității electrice a inimii presupune înregistrarea și procesarea unor semnale specifice și astfel face obiectul mai multor discipline știintifice și bioinginerești, fiind motivul pentru care a fost ales a face și obiectul lucrării de față.

Aparatul cardiovascular reprezintă sediul permanent al unor semnale spontane și complexe. Decodificarea acestora oferă informații deosebit de importante despre structura, evoluția și relațiile dintre o multitudine de parametrii caracteristici. Pornind de la caracteristicile semnalului biologic electric al cordului, această lucrare a propus și realizat un sistem de telemonitorizare portabil, care poate fi folosit la detectarea anumitor patologii cardiovasculare, în urma analizei în timp real a electrocardiogramei.

Modelul propus în această lucrare dorește să ofere un dispozitiv la un preț redus și portabil, având în vedere că la ora actuală pe piață există astfel de echipamente la prețuri foarte ridicate, nefiind la îndemana oricui.

Problematica abordată în lucrarea de fața ofera totodată și perspective noi de cercetare în domeniul prelucrării semnalelor electrocardiografice. În concluzie, folosirea acestui sistem deschide noi direcții și posibilități de dezvoltare în fiziologia inimii, cardiopatologie sau în bioingineria medicală.

Bibliografie

abacalim.blogspot.ro – sistemul cardio vascular – accesat 3.06.2014

adamimages.com – accesat 4.06.2014

Adrian Alecu, Ghid ECG, editura FarmaMedia, Bucuresti, 2011

arduino.cc – accesat 5.06.2014

Bioninja.com – accesat 3.06.2014

Călin Simu, Contribuții la tehnicile de prelucrare a semnalului electrocardiografic, Timișoara, 2010

cardiolife.ro – accesat 7.06.2014

Carmen Bunu, Sistemul Cardiovascular- Notiuni generale, curs1,Timisoara, 2002

Carmen Ginghina, Mic tratat de cardiologie, editura Academiei Romane, Bucuresti

Claudiu Turculet, Note curs anatomie, 2010

D.Cristescu, C.Sălăvăstru, B.Voiculescu, C.Niculescu, R. Cârmaciu, Biologie- Manual pentru clasa a XI-a, editura Corint, București, 2006

Dan Dobreanu, Fiziologia Inimii, editura University Press, Târgu Mureș, 2007

Dragos-Daniel Taralunga, Instrumentatie biomedicala – masurarea si analiza biopotentialelor, editura Matrix Rom, Bucuresti, 2013

Frank H. Netter, Atlas de anatomie umana- editia a treia, editura Medicala Callisto, Bucuresti

G.Lupu, B. Cristea, Anatomia omului – Toracele – Lucrări practice, editura Universitară “Carol Davila”, București, 2013

Guyton C. Arthur, John E. Hall, Tratat de fiziologie a omului – editia a 11-a, editura Medicala Callisto, Jackson, Mississippi

instructables.com -Accesat 5.06.2014

Maria Dorobanțu si colaboratorii, Compediu de Boli Cardiovasculare ediția III Volumul I, editura Universitară “Carol Davila”, București, 2010

Maria Dorobanțu si colaboratorii, Compediu de Boli Cardiovasculare ediția III Volumul II, editura Universitară “Carol Davila”, București, 2010

medika.ro – accesat 7.06.2014

medipedia.ro – Aparatul cardiovascular – accesat 3.06.2014

nhlbi.nih.gov – accesat 7.06.2014

Olimex LTD, SHIELD-EKG-EMG bio-feedback shield -USER’S MANUAL, Revision, April 2013

robofun.ro – accesat 5.06.2014

Shanghai Sendtrue Technologies Co, SM5100B-D GSM/GPRS Module Hardware Specification, 2008

sparkfun.com – accesat 5.06.2014

Ștefan Sorin Aramă, Electrocardiografie – Noțiuni teoretice și trasee comentate, editura Cermaprint, București, 2008

V. Ranga, A. Abagiu, V. Panaitescu, Al. Ispas, Anatomia Omului – Viscerele Toracelui, editura Cerma, Bucuresti, 2009

vpatchmedical.com – accesat 7.06.2014

wikipedia.org/Aparat_cardiovascular – accesat 3.06.2014

Anexe

ANEXA 1 – ARDUINO UNO_SCHEMA ELECTRICĂ

ANEXA 2 – SCHEMA ELECTRICĂ SHIELD EKG