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VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería Habana 2007 MEDICIÓN DE PRESIÓN SANGUÍNEA ARTERIAL: ADQUISICIÓN Y CARACTERIZACIÓN ESPECTRO-TEMPORAL DE LAS SEÑALES Angel Regueiro-Gómez, Carmen B. Busoch Morlán, Germán Morales Miranda Juan David Chailloux Peguero, Yisnier Hernández Martínez Instituto Superior Politécnico ¨José Antonio Echeverría¨ ISPJAE, Calle 114 # 11901, 127 y 119, Marianao, C. Habana, Cuba. Email: regueiro@electrica.cujae.edu.cu RESUMEN Para el desarrollo de estudios relacionados con la caracterización del Sistema Cardiovascular, suele ser empleado el análisis de la variable Presión Sanguínea Arterial (PSA), la cual es adquirida por métodos no invasivos empleando alguno de los métodos más populares para la medición de esta variable: auscultación de sonidos y vibraciones oscilométricas. En este trabajo se propone el empleo de un sistema para la adquisición de registros relacionados con el estudio de la variable PSA, empleando para ello una interfaz de control sobre una tarjeta profesional PCL-711B, donde se puede controlar diversos parámetros durante la adquisición de los registros a través del empleo del utilitario MATLAB, y de esta forma, se garantiza una compatibilidad con aplicaciones de análisis espectro-temporal de los datos adquiridos relacionados con la caracterización espectro- temporal de las señales relacionadas con el estudio de la Presión Sanguínea Arterial. Palabras clave: mediciones, presión sanguínea arterial, análisis espectro-temporal 1. INTRODUCCIÓN Hoy día, la medición de la Presión Sanguínea Arterial por métodos no invasivos, suele ser considerada como un buen indicador del estado del Sistema Cardiovascular [1]. Los métodos más populares: auscultación de sonidos y vibraciones oscilométricas, presentan ciertas limitaciones en su empleo [2], fundamentalmente relacionadas con las características auditivas del observador o especialista, específicamente en la determinación del 1er sonido audible asociado a la presión máxima o sistólica, influenciado por la existencia de sonidos pre-sistólicos; así como por la carencia de un rasgo característico para la determinación del último sonido audible, asociado con la presión mínima o diastólica. También se evidencian problemas en la determinación de la presión media [3], relacionada con la detección de la máxima diferencia de amplitud en el dominio temporal de las oscilaciones del brazalete, debido fundamentalmente a la influencia de las interferencias, el ruido y los artefactos, los cuales están siempre presente en todo acto de medición. Una solución a estas limitaciones, está dada en el empleo de nuevos indicadores espectro-temporales [4], de forma que se combinen los métodos y las técnicas de procesamiento digital, con el objetivo de obtener mejores prestaciones en los sistemas biomédicos actuales dedicados a la medición de esta importante variable fisiológica. 2. METODOLOGÍA Para el estudio espectro-temporal de las señales relacionadas con la variable Presión Sanguínea Arterial, suele ser necesario el empleo de un sistema de adquisicón con varios canales simultáneos (Fig. 1), fundamentalmente los relacionados con la medición de presión sanguínea empleando oscilometría (vibraciones del brazalete) y auscultación de sonidos (detección del 1er y último sonido audible) donde se adiciona un canal para la temporización de los especialistas clínicos (señalización de referencia en el tiempo de los instantes de interés clínicos). Fig. 1 Representación simplificada de los canales de medición para el estudio de la variable: Presión Sanguínea Arterial (PSA). Además, se debe emplear un canal adicional con una señal de referencia temporal, en este caso, generalmente se emplea la derivación II del estudio electrocardiográfico (no representado en la figura). Con este último canal se pretende la discriminación de artefactos, interferencias, y ruido durante los períodos de tiempo en los cuáles no es ISBN 978-959-212-236-9 (c) Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo T034 VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería Habana 2007 - 2 - deseado el análisis de las señales bajo estudio (filtrado adaptativo-selectivo), minimizándose estos efectos indeseables, siempre presentes en todo acto de medición. En apoyo a la investigación y estudio de la variable PSA, se ha seleccionado el empleo de una tarjeta comercial disponible: PCL 711-B (Fig. 2), la cual posee interesantes prestaciones a un costo razonable, como son: Conversión A/D con resolución de 12 b. 8 Canales analógicos de entrada. 1 Canal analógico de salida (D/A). 16 Entradas y 16 salidas digitales. Selección programable (Control de direccionado). Conexión a bus ISA. Sistema de Interrupción programable. Intervalo programable de niveles analógicos de entrada. Fig. 2. Tarjeta comercial de Advantech Technology: Serie PCL. El empleo de este tipo de soporte físico, suele estar limitado en nuestros días por el avance impetuoso de los medios técnicos de cómputo, no obstante existir aún posibilidades en su empleo que permiten el desarrollo de investigaciones en esta área a un costo razonable. El problema fundamental para este caso, está vinculado con la manera en la cual se desea controlar la tarjeta (desarrollo de la interfaz de control), especialmente cuando los actuales sistemas operativos suelen estar tan protegidos (Fig. 3), limitando el desarrollo de ciertas aplicaciones, especialmente durante la sincronización en el proceso de adquisición de datos muestreados, con el objetivo de lograr una adecuada caracterización de los registros de las señales a estudiar. Fig. 3. Diagrama simplificado del control de la tarjeta PCL-711B. El desarrollo de soluciones para el control de los recursos del diseño físico (hardware), dependerá de las necesidades particulares de la aplicación, siendo en muchas ocasiones necesario el desarrollo de los controladores específicos (drivers) para poder acceder a los recursos de las tarjetas de aplicación, limitados en su acceso por las prestaciones del Sistema Operativo empleado. En esta aplicación dedicada fundamentalmente al apoyo del desarrollo de investigaciones, se ha empleado el utilitario MATLAB, el cual ofrece a partir de su versión V5.3 un módulo dedicado a la adquisición de datos. Dado las características del modelo de tarjeta comercial seleccionado, fue necesario solicitar el controlador particular para MatLab, el cual es ofrecido por la Advantech (Fig. 4), ofreciendo además, un conjunto de indicaciones para su instalación previa al desarrollo de la aplicación. Fig. 4(a) Controlador de Advantech para tarjetas PCL. Fig. 4(b) Instalación de las DLL en el Utilitario MATLAB. Una vez instalado el controlador, es posible acceder desde la aplicación a los recursos de la tarjeta para desarrollar la interfaz de usuario deseada, en la cual se puedan definir varios parámetros de interés para el estudio propuesto, entre ellos: Programar el número de canales deseados. Programar la frecuencia de muestreo. ISBN 978-959-212-236-9 (c) Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo T034 VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería Habana 2007 - 3 - Permitir la verificación de la tarjeta (empleando para ello la combinación de la salida del conversor D/A y algún canal analógico de entrada disponible, por ejemplo, el AD7 quien geométricamente es adecuado para este tipo de verificación). Definir el fichero de almacenamiento y seleccionar la ruta para su almacenamiento temporal en el ordenador. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN A partir de las necesidades de la aplicación, se procedió al desarrollo de una herramienta de trabajo, donde se ofrecen las soluciones a cada una de las prestaciones enunciadas anteriormente (Fig. 5) . Fig. 5. Desarrollo de la aplicación conel utilitario MATLAB V6.5. La figura 6 muestra la interfaz de usuario de la aplicación, donde se permite la selección del número de canales analógicos de entrada, la selección de la frecuencia de muestreo; así como otras características programables. Fig. 6 Interfaz de control desarrollada con MATLAB, para la aplicación del estudio de las señales relacionadas con la caracterización espectro- temporal de la Presión Sanguínea Arterial. La figura 7 muestra los datos adquiridos por dos canales de trabajo, donde se pueden apreciar las características morfológicas de las señales ejemplos. Fig. 7 (a). Ejemplo del registro de un silbido sostenido empleando la interfaz desarrollada con un micrófono estándar, y la tarjeta PCL 711-B. Fig. 7 (b). Ejemplo del registro de la letra ´A´ empleando la interfaz desarrollada con un micrófono estándar, y la tarjeta PCL 711-B. Una vez adquiridas las señales relacionadas con la medición no invasiva de la PSA, es posible a partir de su ubicación en la unidad de almacenamiento seleccionado por el usuario, complementar el estudio de las muestras empleando otra aplicación desarrollada: Analizador de Funciones (Fig. 8). Esta aplicación permite estudiar e incorporar el análisis espectro-temporal de las señales con el objetivo de mejorar el estudio y caracterización de la PSA, combinando un conjunto de nuevos indicadores basados en el comportamiento espectro-temporal de los sonidos y las oscilaciones de presión en el brazalete, a lo largo de los registros efectuados.. ISBN 978-959-212-236-9 (c) Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo T034 VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería Habana 2007 - 4 - Fig. 8. Analizador de Funciones para estudio espectro-temporal de la variable PSA en la caracterización del Sistema Cardiovascular. De la figura se aprecia que puede ser seleccionado diferentes bases de datos (bloque superior izquierdo) o directamente los ficheros almacenados en una determinada dirección en algún soporte físico del ordenador. Además se puede visualizar las señales en el dominio temporal (sección derecha superior) permitiendo que los especialistas analicen la información detalladamente y seleccionen las ventanas con interés clínico para el estudio correspondiente. En la sección inferior izquierda, se puede aplicar procesamiento espectral (FFT, filtrado digital, etc.) para el análisis de las características espectrales de los registros y en la sección inferior derecha, se pueden aplicar algunos de los nuevos indicadores desarrollados, los cuales se basan en la caracterización del comportamiento del módulo o la fase en el espectro de las señales estudiadas (sonidos de Korotkof y ondas oscilométricas). La figura 9 muestra los registros obtenidos de los diferentes canales relacionados en el estudio a partir de la aplicación desarrollada, donde se puede observar las ventanas en el dominio del tiempo. . Fig. 9. Ejemplo de señales registradas para un sujeto supuestamente sano en la caracterización y estudio de la PSA. Del registro representado, se puede observar no sólo las señales de interés clínico, sino las interferencias y los artefactos producidos durante el registro temporal, los cuales disminuyen a través del procesamiento digital con el empleo combinado de técnicas de filtrado. La figura 10 muestra el comportamiento en el espectro de frecuencias de los sonidos adquiridos en un sujeto, lo cual sirve de base para el estudio y caracterización personalizada de esta variable (PSA) a través de nuevos indicadores paramétricos relacionados con el módulo y la fase de la señal de presión. Fig. 10. Variabilidad del módulo y fase de un registro de sonidos de Korotkof en un sujeto supuestamente sano. La herramienta desarrollada constituye un adecuado soporte para el estudio y caracterización de la variable PSA, que hoy día, sigue siendo de interés en la caracterización cardiovascular en la práctica clínica. 4. CONCLUSIONES El trabajo presentado constituye un importante apoyo al equipo de investigación, pues permite el complemento para el estudio de la PSA desde una nueva visión a través de la obtención de nuevos indicadores espectro-temporales con adecuada robustez y repetibilidad, los cuales pueden ser aplicados de forma personalizada sin ayuda de un observador entrenado para la medición de los instantes de interés clínico. AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer el soporte brindado por el Proyecto Internacional CIDA: TIER-394-TT-0200, desarrollado entre instituciones canadienses y cubanas. REFERENCIAS [1] F. D. Scott, “Ambulatory monitoring.” J. Phys. E: Scientific Instrum., vol. 15, 1982, pág. 619-626. [2] D. P. Golden et al., “Development of a Korotkoff sound processor for automatic identification of auscultatory events. Part. I, II.”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 21, No2, marzo 1974, pág. 114-118,119-124. [3] Penzel T et al., ¨Portable continuos non-invasive blood pressure recordings for sleep studies¨, .CD-ROM IEEE Engineering in Medicine and Biology, pp393-394, 1993. [4] A. Regueiro-Gómez and R. Pallás-Areny, ¨Ä new method for automated blood pressure measurement¨, Physiol. Meas, (19) 205-212, 1998. ISBN 978-959-212-236-9 (c) Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo T034
