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Adquisición de bioseñales mediante BiTalino y LabVIEW

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Aprende a adquirir señales biomédicas con BiTalino y LabVIEW.

Con esta entrada se pretende explicar todos los pasos y etapas necesarias para poder conseguir una adecuada toma de ciertas señales biomédicas utilizando, como se verá más adelante, un equipo hardware y un desarrollo software propio.

Para empezar, hagamos un breve repaso y expliquemos qué es exactamente una señal biomédica: señales biomédicas existen muchas y de muy distinta naturaleza; se trata de señales analógicas que recorren nuestro cuerpo y nos resultan extremadamente útiles a la hora de diagnosticar enfermedades, deficiencias en el funcionamiento de ciertos órganos o para la investigación clínica, por poner algunos ejemplos prácticos. Ejemplos de bioseñales son el electrocardiograma, electroencefalograma, electrodermograma, electromiograma, etcétera. Estas señales biomédicas son estudiadas por la rama de la ciencia que se viene llamando biomedicina, la cual la RAE definirá así en su vigésimo tercera edición:

Conjunto de disciplinas como la bioquímica, la biología molecular y celular y la genética, que desempeñan un papel fundamental en la medicina actual.

Una vez explicado qué son las bioseñales y por qué nos resultan tan importantes podemos avanzar en el grueso de este artículo, es decir, cómo y con qué podemos medirlas; como se ha comentado, en esta entrada se propone una manera inspirada en la filosofía DIY (Do It Yourself) y se explicará cómo llevarla a cabo.

HARDWARE

En primer lugar necesitaremos el equipo hardware, éste resulta fácilmente adquirible a través de la web del fabricante. Si bien el fabricante ofrece distintas versiones y posibilidades para su hardware, todo lo que se verá en esta entrada ha sido realizado con el Board Kit de BiTalino, el cual se vende a un precio de 149 €.

bitalino

Esta placa nos permite la toma de datos a unas frecuencias predeterminadas de 1, 10, 100 y 1000 Hz. A cualquiera de estas frecuencias estaremos en disposición de registrar simultáneamente los 6 canales que nos ofrece BiTalino, a saber:

  1. Electrocardiograma, en adelante ECG. Señal eléctrica generada por el corazón en su funcionamiento y a partir de la cual podemos conocer con muchísima exactitud sus dolencias, si las tuviese.
  2. Electrodermograma, en adelante EDA. En este caso lo que medimos son los cambios en la resistividad de la piel debidos a cambios en la sudoración y otros parámetros biomédicos más complejos. Esta es la bioseñal que utilizan los famosos polígrafos, comúnmente conocidos como ‘detectores de mentiras’.
  3. Electromiograma, en adelante EMG. Se trata de otra señal eléctrica presente en los músculos esqueléticos y gracias a la cual somos capaces de moverlos a voluntad. Ya son varios los experimentos satisfactorios que han hecho posible que personas con parálisis muy severas sean capaces de coger objetos (incluso beber de un vaso de agua) utilizando un brazo robótico guiado por el impulso eléctrico que genera nuestro cerebro cuando tenemos la voluntad de mover ciertos músculos.
  4. Acelerómetro. Se trata de un sensor típico de aceleración el cual es capaz de medir la aceleración en cualquiera de los 3 ejes espaciales, aunque no simultáneamente.
  5. Luxómetro. Se trata de un sensor de luz. Con este sensor (y el anterior) BiTalino intenta aportar un contexto a las señales biomédicas adquiridas, de modo que seamos capaces de conocer el estado de movimiento, medido a través de la aceleración, y la cantidad de luz ambiente que percibe el paciente mientras se le adquieren dichas señales.
  6. Nivel de batería. Su sexto canal es un indicador de la cantidad de batería restante del dispositivo.

Es necesario especificar que, para la toma de bioseñales, la única frecuencia válida será la de 1000 Hz, resultando la de 100 excesivamente baja; si bien para otros canales u otros propósitos todas son perfectamente utilizables.

Una vez descrito muy brevemente el dispositivo hardware BiTalino vamos a explicar a continuación cómo utilizarlo.

SOFTWARE

Para ello se ha desarrollado una aplicación utilizando el potente software LabVIEW y su paquete adicional Biomedical Toolkit, el cual aporta un gran número de herramientas para trabajar con estas bioseñales y otras. El objetivo de la aplicación se puede dividir en:

  1. Ser capaces de registrar y mostrar por pantalla a tiempo real cualquier combinación de los 6 canales que aporta BiTalino.
  2. Realizar un filtrado y acondicionamiento de las señales biomédicas (en este sentido únicamente se ha trabajado con ECG y EMG), mostrarlas por pantalla y, además, aportar también análisis e información con valor clínico donde una persona con conocimientos de medicina sea capaz de extraer conclusiones, así como guardar toda esta información en unos ficheros con un formato adecuado.

Veremos su funcionamiento desde el principio y éste pasa por vincular el dispositivo hardware con nuestro ordenador. Se pueden vincular estos dos elementos de distintas maneras, si bien para lo cual está diseñado y pensado BiTalino es para hacerlo vía Bluetooth (clase II versión 2.0). Para hacer esto es tan sencillo como acudir al panel de control, dispositivos bluetooth y agregar un dispositivo. Aparecerá un cuadro de diálogo de Windows donde tendremos que introducir el código de seguridad que trae BiTalino para vincularlo a nuestro PC, éste viene en las instrucciones del producto (y es 1234). Una vez hecho esto, y comprobado que tenemos el bluetooth de nuestro ordenador encendido, y el propio BiTalino encendido ya estamos en disposición de ejecutar el programa.

Al hacerlo veremos una ventana donde deberemos configurar 3 parámetros:

bitalino,labview

  1. El puerto COM a través del cual se está comunicando BiTalino con nuestro ordenador, éste es visible en el panel de control, administrador de dispositivos y buscando el nuevo dispositivo que acabamos de vincular.
  2. La frecuencia de adquisición con los valores discretos comentados anteriormente.
  3. Una duración en segundos. Esta duración se utiliza y es necesaria para el segundo objetivo de la aplicación y representa la longitud (en tiempo y gracias a la frecuencia, en muestras) del paquete de datos biomédicos que los algoritmos internos van a procesar y mostrar por pantalla. Este paquete no puede nunca ser inferior a los 10 segundos y se recomienda utilizar 30 segundos, o algún múltiplo de esta cantidad.

Una vez configurados estos 3 parámetros ya solo queda elegir mediante los pulsadores los canales que se deseen activar y el modo de funcionamiento. El modo de funcionamiento es una variable que nos permite cambiar entre dos opciones y responde a los objetivos comentados anteriormente: una opción es el Tiempo Real o Real Time en la cual se mostrarán en la gráfica tantos canales como hayan sido elegidos por el usuario y con la frecuencia de adquisición elegida, cuando se desee se detendrá el programa pulsando el botón Stop.

labview,EMG

Utilizando el segundo modo de funcionamiento (desmarcando la opción de RealTime) entraríamos dentro de la opción de procesado y filtrado y está pensado para adquirir, mostrar y guardar señales biomédicas (ECG y EMG). Este segundo modo requiere de la variable ‘Duration’ ya comentada, en segundos. Si lo utilizamos, estaremos adquiriendo la señal durante el tiempo que hayamos definido en esa variable y, a continuación, el programa se detendrá automáticamente. Podemos elegir entre ECG y EMG o ambas a la vez. Cuando haya transcurrido ese tiempo se mostrará por pantalla la(s) bioseñal(s) elegida(s) de forma gráfica y, además, información adicional que permitiría un primer análisis del estado de la persona a la cual se han adquirido esas bioseñales. La información ofrecida difiere entre ECG y EMG pues ambas son tratadas individualmente y con filtros pensados para optimizar sus características y acondicionamiento con el fin de que la información ofrecida sea lo más veraz posible; además representan y están involucradas en procesos fisiológicos diferentes, de ahí que se traten de manera totalmente independiente a la hora de su análisis.

En el caso del ECG se muestra información de tipo estadístico, histograma, gráfico de Poincaré, espectrograma, análisis gráfico, etcétera.

labview,ECG

Para el EMG, en cambio, no se ofrecen resultados estadísticos sino que todos son gráficos de tipo espectrograma, frecuencia de la señal y amplitud.

labview,EMG

Como se desprende, este segundo modo de funcionamiento (sin Tiempo Real) no está diseñado para utilizarse con cualquier otra señal que ofrezca BiTalino que no sea ECG o EMG; si bien, por lo comentado más arriba en relación al contexto de adquisición de estas señales, el programa sí permite registrar también la aceleración y/o la luz ambiente y guardar los resultados junto con los de la bioseñal adquirida.

La última parte que todavía no se ha comentado es la de guardado. Únicamente existe la opción de guardado para el segundo modo de funcionamiento, no para el tiempo real y funciona de una manera muy sencilla. Cuando hayan transcurrido los segundos que hayamos definido en la variable ‘Duration’ y el programa muestre por pantalla la bioseñal adquirida y sus parámetros biomédicos nos aparecerá una ventana de diálogo la cual nos invita a guardar el fichero en la carpeta que elijamos. Este fichero utiliza una extensión nativa de National Instruments y ampliamente utilizada en las aplicaciones que utilizan el software LabVIEW la cual es .tdms. Es un formato de archivos pensado para el almacenamiento y análisis de gran cantidad de datos y está bastante extendido. Este fichero es fácilmente editable utilizando Microsoft Excel, importable a MatLab, etcétera. Además permite añadir comentarios a los distintos canales que hayamos tomado.

ELECTRODOS

Además de todo lo comentado anteriormente, para una correcta adquisición de bioseñales es imprescindible utilizar unos electrodos nuevos cada vez, así como limpiar la piel donde vayan a colocarse, puede hacerse con alcohol, y desde luego no añadir ningún líquido o conductor de ningún tipo el cual podría distorsionar la señal adquirida por los sensores.

A continuación podemos ver dos imágenes que pretenden enseñar una ubicación para los electrodos a la hora de tomar un EMG y ECG. Existen distintas configuraciones y se pueden encontrar fácilmente en la red.

bitalino,EMG

bitalino,ECG

En la imagen de la izquierda vemos la colocación idónea para un EMG y la que ha sido más utilizada a lo largo de este proyecto. El conector neutro ha de colocarse siempre en una zona de hueso, por lo que el codo es un buen lugar para ello. En el caso del EMG la polaridad de los conductores positivo y negativo es indiferente; lo aconsejable es que estén justo encima de las fibras musculares las cuales queramos observar y alineadas con éstas.

En la imagen de la derecha se utiliza la colocación en triángulo. Ésta consiste en ubicar el electrodo neutro en un hueso de la cadera y los terminales positivo y negativo en sendas clavículas. En este caso el orden del positivo/negativo es irrelevante, si bien no lo es en otras ubicaciones.

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