Dispozitiv mobil de monitorizarea a electrocardiogramei

Cresterea semnificativa a incidentei bolilor cronice la nivel global constituie o provocare pentru cercetatorii si angajatii implicati în domeniul asistentei medicale. Bolile cronice pot fi doar controlate nu si vindecate. Cele mai întâlnite sunt: diabetul, astmul, artrita, infarctul/preinfarctul. A trai si a face fata unei astfel de boli are un impact semnificativ asupra calitatii vieți persoanei respective si a familiei. Incidenta unor astfel de boli creste cu vârsta. Totodata, aceasta categorie de persoane consuma o proportie destul de mare din resursele asigurarilor sociale.

Sistemele mobile de monitorizare a pacientilor (Mobile Patient Monitoring System - MPMS) au potentialul de a furniza servicii de asistenta medicala de înalta calitate în viitorul apropiat. Decalajul dintre cerintele unui astfel de sistem si resursele oferite exista si reprezinta o piedica în procesul de dezvoltare a sistemelor de telemedicina (Mei 2009). Totusi, nu de mult timp, sistemele de monitorizare a pacientilor mobili sunt privite ca solutie la provocarile pe care le ridica îmbatrânirea populatiei. Totodata, faciliteaza o mai buna diagnosticare si tratament reducând astfel costurile cu asigurarile de sanatate (Jones 2006, Jurik 2008). Un MPMS poate masura parametrii vitali ai unui pacient în timp ce acesta îsi desfasoara activitatile de zi cu zi obisnuite. Informatiile obtinute sunt procesate si rezultatele sunt transmise catre un centru medical de decizie. În acest fel sistemul poate detecta o situatie de urgenta iar centrul medical poate trimite o ambulanta catre pacient.

Introducere

In continuare este prezentat un dispozitiv de monitorizare a electocardigramei la distanță, care sa

aiba un consum de energie cât mai mic și astfel pacientul să-l poata folosi cu mai multa ușurința.

Dispozitivul monitorizeaza doar derivatiile ECG standard (bipolare), salveaza valorile esantioanelor pe cardul SD/MMC si realizeaza o analiza rudimentara a primei derivatii ECG constând în detectia complexului QRS conform algoritmului propus de Tompkins (Tompkins 1985, Hamilton 1986) si implementat de Patrick Hamilton (Hamilton 2002). Odata detectat complexul QRS se determina frecventa cardiaca. Daca aceasta scade sub un prag limita sau creste peste un prag limita atunci este stabilita o legatura radio utilizând Bluetooth (F2M03GLA 2007) cu telefonul mobil purtat de pacient prin intermediul caruia datele (cele trei derivatii ECG) ajung la serverul centrului de telemonitorizare.

Descrierea dispozitivului

.

Dispozitivul de monitorizare ECG cu un consum redus de energie destinat pacientilor mobili.

Diagrama bloc a dispozitivului de monitorizare este prezentata în Figura 1. S-a urmarit obtinerea unui consum cât mai redus de energie propunând o metoda de preluare a semnalelor ECG si o solutie software pentru gestiunea proceselor ce se executa pe microcontroller astfel încât acesta sa se fie cât mai mult timp într-o stare de consum redus .

Figura 1 : Diagrama bloc a dispozitivului de monitorizare ECG

Pentru a se obtine un consum redus de energie s-a preluat si modificat o schema propusa de Texas Instruments (TI INA322) si s-a construit un modul analogic pentru fiecare din cele trei derivatii bipolare .S-au utilizat amplificatoare de instrumentatie (TI INA322) si amplificatoare operationale (TI OPA334) de consum redus cu alimentare singular:

Figura 2 : a) Schema amplificatorului ECG (TI INA322) b) PCB (SIMPA 2007)

Folosirea unei singure surse de alimentare (+3.6V) a impus introducerea unei tensiuni de referinta, la care s-a raportat amplificarea, cu o valoare egala cu Vcc/2. Scopul a fost cel al ridicarii tensiunii de referinta a amplificatorului la aceasta valoare, pentru amplificarea componentei positive si negative a semnalului de intrare.

O caracteristica importanta atât a amplificatorului de instrumentatie cât si a amplificatorului operational este aceea ca pot fi dezactivate (sleep mode), având un curent pasiv de 0.01μA, respectiv 2μA. Activarea se poate realiza în 10 respectiv 150 μs. Aceasta facilitate de activare-dezactivare le face potrivite a fi utilizate în echipamente cu baterie cu putere mica sau pentru aplicatii multiplexate. Functionarea decurge astfel: la alimentarea dispozitivului de monitorizare amplificatoarele sunt dezactivate; cu 150 μs înainte de începerea ciclului de conversie amplificatoarele operationale sunt activate si cu 40 μs înainte este activat amplificatorul de instrumentatie. La finalul ciclului de conversie toate amplificatoarele sunt dezactivate.

În Figura 3 se poate observa :

semnalul de iesire al amplificatorului ECG cu activarea si dezactivarea doar a amplificatorului de instrumentatie (3)

semnalul de activare(1) semnalul de achizitie (2).

Curentul mediu consumat se calculeaza dupa formula: Imed= Ta * Fa * In+ Isleep , unde:

Imed – curentul mediu consumat;Ta – perioada de activare;Fa – frecventa de activare;In – curentul consumat în modul normal (tipic);Isleep – curentul consumat în modul sleep.

Figura 3: semnalul de iesire al amplificatorului ECG(3),

semnalul de achizitie (2) și semnalul de activare(1).

Pentru amplificatorul de instrumentatie INA322 curentul mediu consumat în modul de functionare descris mai sus este Imed INA322 =0,41 μA, având în vedere Ta=50 μs, Fa=200 Hz, In=40μA, Isleep=0,01 μA. Astfel consumul a scazut cu 98.975% fata de curentul tipic consumat:

98.975% 100 / 100 = − 322 × med INA n I I

Efectuând aceleasi calcule si pentru amplificatorul operational OPA334 a rezultat un curentmediu consumat Imed OPA334 =105,5 μA, având în vedere Ta=150 μs, Fa=200 Hz, In=285 μA, Isleep=2 μA. Astfel consumul a scazut cu 62.98% fata de curentul tipic consumat:

62.98% 100 / 100 = − 334 × med OPA n I IPentru amplificatorul ECG cu o singura derivatie consumul a scazut de la 895μA, la 316,91

μA. Având în vedere ca sunt necesare trei astfel de amplificatoare, rezulta o scadere a consumuluide curent de la 2,685 mA la 0,951 mA. În procente scaderea este de aproximativ 64,59%.

Conexiunea Bluetooth este activata la cerere de catre utilizator pentru a transmite în timpreal cele trei derivatii ECG catre un smartphone ori calculator. Modulele software de înregistrare pecardul SD si analiza semnal sunt dezactivate în acest caz. Conexiunea Bluetooth mai este activata siatunci când valoarea frecventei cardiace nu se mai încadreaza în intervalul stabilit.

Comunicatia seriala cu modulul Bluetooth se realizeaza la o rata de transfer de 57600 biti pesecunda. Se transmit doua pachete a caror lungime totala este de 510 octeti într-un timp deaproximativ 89 ms. Curentul mediu consumat în timpul transmisiei, calculat dupa formula (15), estede 6,5 mA.

Programul (firmware) ce ruleaza pe microcontroller consta din câteva fire de executie(taskuri). Fiecare task gestioneaza o anumita resursa. Comunicarea dintre taskuri este implementatacu semafoare si cozi de asteptare permitând un grad înalt de paralelizare a proceselor. Fiecareproces poate fi individual activat sau dezactivat. Acest aspect este foarte important crescând astfelflexibilitatea aplicatiei: daca se doreste o monitorizare în timp real atunci procesul Bluetooth esteactivat iar procesele SD card si analiza sunt dezactivate. Daca se doreste o monitorizare pe termenlung atunci este dezactivat procesul Bluetooth si activate procesele SD card si analiza. Acest lucru0are un impact pozitiv asupra energiei consumate pentru ca doar resursele necesare sunt activate.

Concluzii

Pe parcursul proiectului s-au pus in evidenta obtinerea unui consum redusde energie pentru dispozitivul de monitorizare, cu accent pe firmware pentru a pune în valoarefacilitatile de consum redus ale componentelor electronice.