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Grupo de Bioingeniería y Biofísica Aplicada, Universidad Simón Bolívar, Caracas

SISTEMA TELEMÉDICO DE ELECTROCARDIOGRAFÍA

BASADO EN INTERNET EMBEBIDO

Julio Cruz, Guillermo Villegas, Jorge Uyá, Alfredo Hernández, Gianfranco Passariello, Fernando Mora

Laboratorio de Sistemas Biomédicas, Grupo de Bioingeniería y Biofísica Aplicada Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela

http://www.gbba.usb.ve

Resumen: Se describe un Sistema Telemédico de Electrocardiografía vía Internet

totalmente comunicante. El sistema esta compuesto de un módulo de adquisición de datos

médicos, un módulo de Internet Embebido que permite la transmisión directamente a una

Intranet o Internet de los datos médicos adquiridos y estaciones local y central basadas en la

arquitectura PC donde corren clientes para monitorizar las señales. El uso del protocolo

TCP/IP y la arquitectura cliente/servidor en esta aplicación telemédica, permite explotar al

máximo la flexibilidad y alcance de Internet.

1. Telemonitoreo

Los servicios telemédicos de monitoreo remoto consisten en la adquisición de los

datos médicos, su análisis por especialistas, la toma de decisiones y la guía en la aplicación

de las terapias adecuadas. A diferencia del ambiente clínico estándar, en el caso telemédico,

los análisis de los datos y las tomas de decisiones pueden ser hechas a distancia y en

muchos casos podrían involucrar el uso de procedimientos automatizados basados en

sistemas expertos.

Existe una gran cantidad de aplicaciones para monitorear a un paciente, tanto para

ambientes clínicos como no-clínicos. Entre otras cosas, en la gran mayoría de los casos se

requerirá una medición de signos vitales de la persona. Entre los signos vitales más

frecuentemente usados para monitorizar se cuentan: electrocardiografía (ECG), frecuencia

respiratoria y función pulmonar, saturación de oxígeno arterial, pulso cardíaco, presión

sanguínea no-invasiva o invasiva, concentración y presión parcial de CO2, temperatura,

peso corporal, sonidos cardíacos, gasto cardíaco, glucosa en sangre, PH sanguíneo, etc. En

este proyecto se considera solamente el monitoreo de electrocardiogramas dentro de un


ambiente clínico como podría ser una Unidad de Cuidados Intensivos (UCI), un consultorio

cardiológico, un cuarto en una sala de cuidados generales, una sala de emergencia y hasta

una ambulancia. La idea es estudiar el problema e implementar algunos de los elementos

básicos que forman esta aplicación, tanto en hardware, firmware y software. Sin embargo,

existe un interés en extender los resultados a ambientes más generales como hogares,

centros de trabajo, ancianatos, etc., incluso hasta el monitoreo continuo de pacientes.

2. Sistemas de Telemonitorización vía Internet

Los sistemas telemédicos para monitorización de pacientes vía Internet se basan

típicamente en instrumentación virtual realizada alrededor de arquitecturas PC. Esta

configuración basada en equipos comerciales permite actualizar el sistema fácilmente, tanto

en software como en hardware, siguiendo los avances de la tecnología. En la figura 1,

podemos observar que los sistemas en el caso más general (Wide Area Network, WAN)

comprenden:

• Los módulos de adquisición de datos portátiles (MAD) en conexión directa con los

pacientes. Estos se pueden conectar a través de interfaces seriales (RS232/RS485, USB,

IrDA, RF) o interfaces paralelas (RAM de dos puertos, DPRAM).

• Los dispositivos (PC, PDA, OEM PC, Internet Embebido) que conectan los MAD a una

Intranet o Internet. El conjunto será denominado eMAD (MAD embebido).

• Estaciones de monitoreo locales (cerca del paciente), centrales (para monitorear varios

pacientes a la vez), remotas (para monitorear pacientes a distancia) y servidores (para

manejar base de datos y procesamiento de las mismas para diagnóstico y como base de

sistemas expertos), que conforman la distribución de inteligencia a lo largo del sistema

telemédico.

• Los respectivos protocolos de comunicación entre los MAD y los dispositivos que

permiten una conexión con Internet y entre las computadoras locales, centrales, remotas

y servidores.

• Dispositivos de red configurados como Gateways para enrutamiento, encriptamiento,

autentificación, firewalls, mirroring, etc.


• Programas Cliente/Servidor que soportan las diferentes aplicaciones y las interfaces

hombre-máquina, bajo los estándares de los navegadores (Browsers) o aplicaciones en

Java o C++ utilizando sockets.

Por conveniencia se pueden considerar tres tipos de subsistemas del lado del

paciente: los que utilizan Internet Embebido, los que utilizan Asistentes Digitales

Personales (PDA) y los que utilizan Computadoras Personales (PC). Los primeros son

útiles cuando del lado del paciente no se requiere supervisión y acceso a utilidades locales

como es en el caso de aplicaciones no-clínicas para el seguimiento de pacientes

remotamente, o en cuando se dispone de una Intranet en el hospital o consultorio. Los

segundos tienen un nivel relativamente bajo de interfaz hombre-máquina ya que los PDA

tienen limitado su desempeño y pueden soportar aplicaciones donde se requiera una

interacción mínima con la aplicación local como en el caso de ambulancias, ambulatorios y

consultorios [1],[2]. Los terceros permiten el máximo de prestaciones locales para

aplicaciones completas donde se puede contar hasta con herramientas como audio y vídeo

bidireccionales [3].


Datos médicos TCP/IP Gateway

Estación Central

Estación Local

-Aplicación central -Navegador -Cliente (Sockets) -Firewall, encriptado -Gateway

PC Tablet PC

eMAD

CHAT

Ethernet

Internet Embebido

PDA, Tablet ó PC OEM

Módulo de conexión a Internet: - PSTN - Inalámbrico - Ethernet

Internet TCP/IP

-Aplicación -Navegador -Cliente (Sockets)

Base de Datos

Servidor

Estación Remota

-Aplicación -Diagnóstico -Predicción -Firewall, encriptado -Gateway

PDA ó OEM PC

PC del Especialista

CHAT

Figura 1. Sistema de Telemonitorización vía Internet


3. Módulo Intranet o Internet Embebido

Los avances tecnológicos apuntan a que la totalidad de los productos ya sean

electrónicos o no, puedan controlarse a través de un sistema embebido (Embedded Internet)

y sumar muchas ventajas que no se tenían anteriormente. Uno puede acceder un dispositivo

desde cualquier PC sea dentro de un apartamento, un edificio, una ciudad o en cualquier

parte del mundo. A la vez, la interfaz con los usuarios se construye con páginas HTML. Es

decir, los usuarios interactúan con los dispositivos a través de un navegador o una

aplicación Cliente-Servidor y tienen acceso instantáneo e intuitivo a los mismos [4].

Se puede decir que existen actualmente tres posibilidades de conectar un producto

directamente a Internet:

1. Dispositivo embebido basado en microcontrolador con una interfaz RS232 o

RS485 para conectarse con una computadora (PC o PDA) que funciona como

gateway para comunicarse con una red. (EMIT de emWare [5]).

2. Dispositivo embebido basado en un microcontrolador con una interfaz para

conectarse con una red en cualquier modalidad actualmente disponible como

ethernet, modem alámbrico, modem inalámbrico, RF y/o Bluetooth (Sena

Technologies [6]).

3. Dispositivo embebido basado en microcontrolador que incluye una interfaz

Ethernet embebida (IP2022 de Ubicom [7]).

Este trabajo se concentra en un diseño basado en la segunda posibilidad para la

realización del Internet embebido. En este caso, el MAD entra a una intranet a través de un

módulo Internet Embebido OEM1 de la compañía Sena Technologies, que posee una

memoria RAM de dos puertos. El resto del diseño contempla las estaciones local, central y

remota, todas implementadas sobre una arquitectura PC.

Las tarjetas OEM disponibles consisten de un microcontrolador junto con un

controlador de red, 512 K bytes de memoria flash y varias posibilidades de conexión hacia

periféricos. Los modelos son:

• HelloDevice 1100: a través de entradas y salidas digitales (I/O).

1 Original equipment manufacturer


• HelloDevice 1200: a través de una memoria RAM de dos puertos (Dual Port

RAM).

• HelloDevice 1300: a través de un puerto serial (RS232 y RS485).

El firmware del microcontrolador es propio de la compañía, sin embargo, esta

basado en el firmware (SX Stack) de Scenix (actualmente Ubicom), cuyas características

principales se resaltan a continuación:

• Stack TCP/IP completo e implementación de la interfaz de capa física.

• Disponibilidad de varios protocolos de red estándar: PPP, IP, ICMP, UDP, TCP,

SMTP, POP3, HTTP.

• Máquina de estado completa para el TCP.

• Compatible con el RFC. Puede ser conectado con cualquier stack TCP/IP.

• Uso eficiente de memoria: procesamiento de paquetes byte a byte.

• Cálculo de checksum eficiente sin pérdida de buffers: generación de stream multiple.

• Elecciones para la capa física cambiables e integradas: V.23 Modem, IrDA, UART, SPI,

I2C, ISA entre otras.

• Configuraciones de protocolos estándar de interconexión: iSX Web server y eSX E-

Mail.

En este proyecto se usó el HD1200 ya que permite lograr un mayor flujo de datos

que los módulos HD1100 y HD1300. El HD1100 se diseñó pensando en el manejo de

señales lógicas 0’s o 1’s, como por ejemplo: interruptores, leds, etc. Por su parte, el

HD1300 tiene una tasa máxima de 38.400 bits por segundos. En el caso del monitoreo

electrocardiográfico se hace necesario muestrear ocho canales a 500Hz con palabras de 2

bytes cada una. Esto implica una transmisión a 80.000 bits por segundo, sin considerar

paridad (8 Canales * 500Muestras/seg * 2Bytes/muestra * (8 bits + 1 start bit + 1 stop bit)).

4. Electrocardiógrafo Embebido

En este trabajo se desarrolló la circuitería para el MAD y su microprogramación; la

microprogramación del módulo de Internet Embebido y el desarrollo de la aplicación

cliente/servidor para la interfaz hombre-máquina de telemonitorización electrocardiográfica

de 12 derivaciones, tal y como se observa en la figura 2.


Figura 2. Esquema de los componentes del sistema

El sistema propuesto está formado por cuatro componentes principales: el eMAD (el

cual incluye el módulo de adquisición de datos, MAD, y el módulo de Internet Embebido),

eMonitor (estación local), eMonitorStation (estación central) y eMonitorRemote (estación

remota). Esta última estación no se reporta en este trabajo.

La figura 3 presenta como ejemplo el caso de una Unidad de Cuidados Intensivos.

Como se observa, el eMonitor correspondería al servidor de lo que comúnmente se

denomina la red intracama. El eMonitorStation vendría siendo el servidor de la red

intercama. Estas redes han sido objeto de una norma conocida como la IEEE P1073 [8], la

diferencia en este caso es que todo el manejo de información se hace bajo el esquema de

cliente/servidor, lo cual facilita el diseño de interfaces hombre-máquina, aparte que los

dispositivos son accesibles para transferencia de datos y para configurarlos desde lugares

remotos.

En otras palabras, la información en tiempo real de un paciente en una cama de

cuidados coronarios de un hospital podría ser accesada desde cualquier lugar remoto por el

médico tratante. No sólo eso, las consultas interhospitalarias para la búsqueda de opinión


experta serían sumamente sencillas ya que usando la aplicación eMonitorRemote, los

especialistas dispondrían de las señales al instante. El concepto es expandible a otros signos

vitales, y a diversos ambientes como salas de emergencia, quirófanos, salas de

recuperación, y de allí fuera del ámbito hospitalario.

eMADeMAD eMAD

eMonitoreMonitor eMonitor

Estación localEstación local Estación local

PacientePaciente Paciente

Internet

Unidad de cuidados intensivos Estacion central

Concentrador (HUB)

eMAD

eMonitor

Paciente

Intranet

Intranet

eMonitorStation

Estación local

eMonitorRemote

Estación remota

eMonitorRemote

Estación remota

eMonitorRemote

Estación remota

Figura 3 Sistema Telemédico para una Unidad de Cuidados Intensivos.


eMAD

El eMAD esta compuesto por el módulo de adquisición de datos (MAD) junto con el

módulo Internet Embebido (HD1200). La figura 4 muestra los componentes en conjunto.

Inicialmente la señal proveniente del paciente es acondicionada y digitalizada por el

módulo de adquisición de datos (MAD). El dispositivo de adquisición cuenta con una etapa

de cabecera en la cual se modifica la señal en diferentes aspectos como el ancho de banda,

niveles de voltaje y de ganancia. Esto se logra con una etapa de amplificación diferencial y

filtrado que preparan la señal de manera de poder digitalizarla correctamente. La etapa de

digitalización cuenta con un multiplexer manejado por el microcontrolador, para la toma

secuencial de muestras de los canales, para luego digitalizarse a través de un convertidor

analógico-digital. El microcontrolador se encarga del control de la adquisición y de

transmitir los datos adquiridos hacia una DPRAM que se encuentra en el módulo Internet

Embebido.

TPO

UT+

TPIN

+TP

OU

T-

TPIN

-

Bus de datos

Bus de direcciones

CE DPRAM

IRQ DPRAM

BUSY DPRAM

R/W DPRAM

OE DPRAM

Bus

de

dato

s

Bus

de

dire

ccio

nes

CE

DP

RA

M

IRQ

DP

RA

M

BU

SY D

PR

AM

R/W

DP

RA

M

OE

DP

RA

M

Bus de datos, direcciones y control

Paciente

eMAD

Microcontrolador

Controlador de Ethernet full-duplexIEEE802.3 10BaseT

RL

LA

LL

V1

V2

V4

V6

V5

RA

DPRAM

Filtro pasa bajos Transformador

10BaseT

HD1200MAD

MicrocontroladorConversión, regulación, referencia y aislamiento Datos sal

CE multiplexor

Convertir

Datos ent

Reloj

Arquitectura Digital

C0 C1 C2 C6 C7C3 C4 C5

Cabecera

Figura 4 eMAD: Módulo de adquisición de datos con Internet Embebido.


En el módulo de Internet Embebido, el microcontrolador al otro lado de la DPRAM,

tiene el stack TCP/IP y se encarga de enviar los datos hacia los clientes o estaciones local

(eMonitor), central (eMonitorStation) y remota (eMonitorRemote). Cuando los clientes

desean adquirir el ECG de cualquier paciente, se conectan con el eMAD respectivo del

paciente a través de una dirección IP. Luego que la conexión ha tenido éxito los clientes

proceden a configurar el eMAD escribiendo en la DPRAM a través de comandos

específicos.

eMonitor

eMonitor es el nombre que lleva la estación local (PC) de visualización y

almacenamiento de las señales electrocardiográficas de un paciente en la UCI. Se decidió

realizar la aplicación cliente/servidor con programación orientada a objetos en C++ en el

sistema operativo Windows, usando la armazón de Microsoft Windows, MFC.

La armazón de la aplicación está compuesta por las siguientes clases principales

(heredadas de las clases correspondientes de MFC):

§ CeMonitorApp

§ CeMonitorDoc

§ CMainFrame

§ CeMonitorChanneslScrollView

Se diseñaron clases para la comunicación con eMAD vía Internet También se

diseñaron todas las clases necesarias para los cuadros de diálogos de Windows, para la

configuración del eMAD y de la aplicación en sí, entre otras. Algunas de estas clases se

mencionan a continuación:

§ CDualPortRAM

§ CSerialPort

§ CCardSetup

§ CUtilitySetup

La aplicación, además de centrarse en el uso de la armazón de la MFC, se basa en

una aplicación multihilo, donde se tienen diferentes hilos de un mismo proceso

desempeñando funciones diferentes y bien definidas. Estos hilos, usan objetos de exclusión

mutua para compartir recursos y comunicarse entre ellos.


La aplicación posee cinco hilos fundamentales sin los cuales no se pudiera realizar

ninguna tarea útil. Estos hilos son funciones globales iniciadas desde comandos en el menú

de opciones o de la barra de herramientas de la aplicación. Al iniciar cualquiera de los hilos

o funciones anteriores, se les da como parámetro el apuntador a una estructura de datos

definida y cargada previamente, para que la función tenga conocimiento de la tarea que

debe realizar.

En primer lugar, está la función encargada de establecer la comunicación con el

eMAD. Se implementó el establecimiento de la conexión en un hilo, para hacer más flexible

la interfaz hacia el usuario, y que el usuario pudiera cancelar una posible conexión y no

esperar un fin de espera (timeout) para que la aplicación avise que no se pudo establecer la

conexión. Cuando el usuario desea establecer la comunicación con el eMAD, presiona un

botón en la barra de herramientas o se dirige al menú de opciones eMAD-Conectar, y

automáticamente se inicia el hilo de conexión. A su vez, se presenta un cuadro de diálogo

con una animación y una barra de progreso en donde indica el estado de la conexión,

pudiendo cancelarla antes del establecimiento. También se posee un timeout en caso de una

conexión fallida.

Una vez que se realiza la conexión el usuario puede elegir entre tres opciones de

visualización. Estas opciones se presentan a continuación:

• Adquirir del eMAD y visualizar en tiempo real.

• Adquirir del eMAD, visualizar en tiempo real y guardar en un archivo en disco

los datos adquiridos.

• Visualizar los datos desde un archivo. Estos datos fueron adquiridos

previamente con la opción anterior.

Para seleccionar una de estas tres opciones el usuario puede presionar un botón en

la barra de herramientas o en el menú de opciones. Otras características generales son:

a. Sistema de archivos de eMonitor: La aplicación contiene un sistema de archivos en

los cuales, se diferencian cada paciente por medio de archivos “.pac” en donde se

guardan parámetros de configuración, datos del paciente, dirección IP del eMAD, entre

otros. A su vez, cada paciente tiene un subdirectorio en donde guarda los archivos de

ECG adquiridos “.dat”. Estos últimos guardan los parámetros de la adquisición en un

encabezado, para luego visualizarlos correctamente.


b. eMonitor y Windows: La aplicación es capaz de guardar las configuraciones de su

entorno, como tamaño, color de las grillas de visualización del ECG, etc. en los

registros de Windows bajo la clave “GBBA, Software/eMonitor...” De esta forma, se

logra que la interfaz con el usuario sea lo más intuitiva posible. Por ejemplo, que al

iniciar la aplicación el usuario se encuentre con los últimos parámetros que haya

configurado. De la misma forma, eMonitor tiene la capacidad de “esconderse” en el

escritorio de Windows y presentar un icono en la barra de tareas que le indique al

usuario que esta trabajando. eMonitor también puede activar WinHelp junto con

identificadores de contexto.

eMonitorStation

eMonitorStation es el nombre que lleva la estación central de visualización y

almacenamiento de las señales electrocardiográficas de todos los pacientes de la UCI. Al

igual que eMonitor, esta aplicación fue realizada con programación orientada a objetos en

C++. A diferencia de eMonitor, posee las siguientes clases bases heredadas de la MFC

junto con la clase de comunicación con los MAD a través de Internet:

§ CeMonitorApp

§ CeMonitorDoc

§ CChildFrame

§ CMainFrame

§ CeMonitorChanneslScrollView

El usuario puede tener abiertos varios pacientes (.pac), cada uno en una ventana hija

distinta, aunque solo una de las ventanas está activa. La aplicación sólo tiene un menú y

una barra de herramientas, y todas la ordenes se encaminan a la ventana activa. La barra de

título de la ventana principal muestra el nombre del paciente (archivo .pac). El cuadro de

minimización de la ventana hija (paciente) permite que el usuario la reduzca a un icono en

la ventana principal. El menú Ventana de la eMonitorStation permite que el usuario

controle su presentación mediante los siguientes elementos: Cascada, Mosaico,

Organización de íconos; selección de ventanas a partir del nombre de los pacientes

(archivos .pac). Esta aplicación trabaja con un sistema de archivos y de compatibilidad con

Windows similares al eMonitor.


eMonitorRemote Aunque en este proyecto no se implementó la estación remota o eMonitorRemote,

vale la pena mencionar que esta aplicación debería ser muy similar a eMonitor excepto por

las clases de comunicación con el MAD. En este caso, no se comunicaría directamente con

eMAD sino con la estación central eMonitorStation para que ésta le proporcione los datos

provenientes del eMAD. En este caso eMonitorStation funcionaría además de estación

central, como servidor para estaciones remotas eMonitorRemote.

5. Discusión

Como resultado preliminar se presenta una pantalla con la interfaz hombre-máquina

para el caso eMonitor en la figura 5, donde se aprecia el despliegue de un examen típico de

ECG de 12 derivaciones transmitido a través de una Intranet en el Laboratorio de Sistemas

Biomédicos del GBBA. En este caso se utilizó un eMAD con una arquitectura mínima, sin

memoria local.

Es posible afirmar en las primeras pruebas realizadas que la transmisión de

electrocardiogramas en un sistema embebido en tiempo real es factible. Queda por

comprobarse el efecto del tráfico en la Internet para los casos remotos que son los más

interesantes a futuro. En situaciones de alto tráfico es posible siempre recurrir al enfoque de

almacenar primero y enviar después. Obviamente, un eMAD que contenga memoria local

junto con los protocolos adecuados permitirán la posibilidad de una transmisión en tiempo

real entre cualquiera de los puntos de la figura 1.

En cualquier caso, el sistema desarrollado ha permitido demostrar la versatilidad de este

tipo de enfoque y derivar nuevas y múltiples aplicaciones para sistemas de telemedicina,

incluyendo la monitorización hogareña.


Figura 5 Pantalla de un examen de ECG de 12 derivaciones estándar


Referencias

[1] Cáceres J., Canabal R., Riccardi P., Sistemas de adquisición y transmisión de señales

electrocardiográficas a través de Internet, Proyecto de grado, GBBA-USB, 1998.

[2] Fernández M, Funes D, Asenjo A, Transmisión de ECG a través de Internet en

Plataformas PDA, Proyecto de grado, Universidad Simón Bolívar, 2000.

[3] Otero L., Goñi M. A.,Estación Telemédica vía Internet, Proyecto de grado, Universidad

Metropolitana, 2000.

[4] Ánonimo, Embed the Web, Webb W., EDN, March 18 1999.

[5] Ánonimo, EMIT 3.0 User Manual, emWare, 1998.

[6] Ánonimo, Sena Technologies: http://www.sena.com

[7] Ánonimo, Ubicom: http://www.ubicom.com

[8] García C.,Desarrollo de una Aplicación Cliente-Servidor para la Transmisión de ECG

vía Internet, Trabajo de Grado de Maestría, Universidad Simón Bolívar, 1998.

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