VI Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería Habana 2005

SISTEMA TELEMETRICO DE MONITOREO CARDIACO Y VARIABLES HOMBRE-MAQUINA APLICADO AL

CICLISMO

J. Rubiano, N. Aguilar. Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Electrónica, Universidad Central

jrubianol@ucentral.edu.co

Resumen—En el presente trabajo se expone el desarrollo de un sistema de monitorización mediante telemetría del ritmo cardiaco y variables hombre-máquina empleadas en el entrenamiento de ciclistas tanto en ruta como en pista. Este sistema consta de una unidad remota móvil (URM) acoplada a la bicicleta que digitaliza, registra, procesa y envía la información por un medio inalámbrico, a una unidad base móvil (UBM) la cual se conecta a un computador donde se visualizan en tiempo real las variables monitoreadas en el deportista. Además el equipo tiene la capacidad de operar con uno u ocho ciclistas al mismo tiempo, almacenar, visualizar, graficar e imprimir la información adquirida.

Palabras clave—Bioingeniería, ECG, radiofrecuencia

(RF), ritmo cardiaco, telemetría, unidad remota móvil (URM), unidad base móvil (UBM), variables hombre – máquina.

I. INTRODUCCIÓN

Durante los últimos años el deporte en Colombia a progresado en sus distintas disciplinas gracias a la inversión de la empresa privada y la dedicación de entrenadores y médicos deportólogos preocupados por aumentar el rendimiento de sus deportistas, pero aun son evidentes muchas carencias y necesidades tecnológicas por solucionar.

El ciclismo es uno de los deportes que es susceptible de ser estudiado en sus diferentes variables durante el trabajo realizado por el deportista y su máquina. La posibilidad de monitorear variables en el ciclista permite conocer su condición fisiológica durante el esfuerzo (entrenamiento o competencia) y las medidas en su máquina nos permiten observar el resultado de su trabajo traducido en velocidad instantánea, cadencia, distancia recorrida y avance de acuerdo a la relación de piñones.

El desarrollo de este proyecto presenta una alternativa tecnológica, que suple la necesidad de un sistema de monitoreo que no se fabrica actualmente en el país y que es económicamente más asequible que otros equipos similares fabricados en el exterior, además este sistema permite la

medida de un mayor número de variables en tiempo real y una visualización, registro y análisis de las mismas.

En el país no existe un sistema portátil que pueda

monitorear mediante telemetría el ritmo cardíaco y las variables hombre-máquina requeridas por los entrenadores de ciclismo en pista y ruta, durante entrenamiento y competencia y que les permitan un seguimiento efectivo utilizando los mejores avances tecnológicos.

II. METODOLOGÍA

El sistema desarrollado se compone esencialmente de dos partes, la Unidad Remota Móvil (URM) y la Unidad Base Móvil (UBM), siendo la primera la que lleva el ciclista adaptada en su bicicleta y la segunda la que utiliza el entrenador o la persona que este supervisando el trabajo físico del deportista. El equipo puede trabajar con ocho URM simultáneamente (ocho ciclistas monitoreados).

A. Canal De Comunicación

Los medios de comunicación usados son el cable y el

aire, siendo este último el eje central del intercambio de información para que todo el sistema funcione correctamente.

Como la distancia que separa a la URM de la UBM va a ser de varios metros, se implementó una comunicación usando unos módulos para la recepción y la transmisión por radiofrecuencia (RF), los cuales trabajan en la banda popular de los 902-928MHz, tienen un alcance de 1000 pies (304.8 metros), operan en un ancho de banda de 50Hz hasta 25KHz y para datos desde 300 bps hasta 50Kbps. La comunicación se realiza en forma unidireccional (simplex).

La transferencia de datos entre la UBM y el computador se hace utilizando el estándar RS-232, con una configuración de velocidad de 38400 bps, 1 bit de parada, sin paridad, y con una longitud de 8 bits por dato.

B. Diseño De La Unidad Remota Móvil (URM)

La unidad remota móvil es la encargada de capturar y procesar la información del ciclista para luego ser transmitida a la UBM. El procesamiento central de la URM

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es efectuado por el microcontrolador de la empresa Motorola de referencia MC68HC908GP32. Esencialmente la URM costa de cinco módulos que cumplen funciones especificas, como se puede apreciar a continuación:

- El módulo de adquisición de la señal cardíaca:

Captura y filtrado de la señal cardíaca para luego ser enviada al microcontrolador.

- El módulo de adquisición de las variables hombre-máquina: Tiene la función de detectar las variables de velocidad y cadencia del ciclista.

- El módulo de procesamiento central: Es el encargado de procesar toda la información que es enviada por los módulos anteriormente descritos y a su vez los envía al módulo de transmisión de radiofrecuencia.

- El módulo de transmisión por RF. - El módulo de alimentación: Suministra los voltajes

correspondientes para que funcione la URM.

C. Diseño De La Unidad Base Móvil En la figura 1 se puede apreciar el diagrama de bloques

de la unidad base móvil (UBM), encargándose esta de recibir por radiofrecuencia los datos provenientes de la unidad remota móvil de cada ciclista por medio de una interfase que conecta el módulo de recepción de RF con el computador, donde se procesará y visualizará la información para que el entrenador la analice y tome las decisiones pertinentes para un mejor desarrollo del entrenamiento o de la competencia.

Fig. 1. Diagrama de bloques de l2222a unidad base móvil (UBM). Se diseñó un programa en lenguaje Visual Basic 6.0,

para proveer una interfaz gráfica entre el usuario y el computador que permita un fácil manejo y un despliegue de información clara, agradable y útil.

Este software es el encargado de tomar los datos recibidos vía radiofrecuencia por la UBM para luego ser procesados y visualizar la siguiente información de cada ciclista monitoreado:

- Ritmo cardíaco - Máximo y mínimo ritmo cardíaco en un tiempo

deseado (5, 10, 15 o 30 segundos) - Porcentaje de esfuerzo - Velocidad - Cadencia

- Intervalo R-R - Metros recorridos (Kilometraje u odómetro) - Avance del ciclista Se optó por presentar en grupos de cuatro ciclistas las

variables anteriormente mencionadas, donde el usuario tendrá que observar y seleccionar entre dos pantallas para monitorear los ocho ciclistas.

El sistema posee una función que permite observar la señal electrocardiográfica del ciclista monitoreado, en una ventana que se activa sobre la pantalla de visualización principal, pero que permite seguir observando todas las variables, teniendo en cuenta que solo se puede efectuar la observación del trazado en un solo ciclista a la vez.

A su vez se tiene la opción de almacenar estas variables en un computador, lográndose así recopilar toda la información del trabajo realizado por él o los ciclistas durante el entrenamiento o competencia. La grabación de estos datos se puede activar separadamente para cada uno de los ciclistas, donde el usuario le asigna a cada uno un archivo de texto con el nombre que desee.

Figura 2. Panel de visualización de variables (4 ciclistas por ventana). Con la información del entrenamiento guardada, el

programa tiene la capacidad de ofrecer las siguientes gráficas:

- Ritmo cardiaco vs. Tiempo - Velocidad vs. Tiempo - Cadencia vs. Tiempo - Porcentaje de esfuerzo vs. Tiempo - Intervalo R-R vs. Tiempo El despliegue de estas gráficas puede ser para un solo

ciclista o para varios al mismo tiempo, brindándose una herramienta para comparar las distintas variables capturadas de cada ciclista.

Todos los datos recibidos por la UBM son mostrados en tiempo real, la grabación de estos se puede iniciar y detener

MODULO DE RECEPCIÓN DE

RF (902-928 MHz)

INTERFASE RS-232

PIC16F84A

MAX232 MODULO DE ALIMENTACION

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en cualquier instante, las gráficas y la visualización de la señal electrocardiográfica se pueden consultar en cualquier momento, haciendo de este software una herramienta de gran utilidad para tomar decisiones y medidas necesarias durante el entrenamiento o la competencia y así lograr un mejor desempeño deportivo.

Con el software se puede seleccionar y distribuir el canal de frecuencia que este usando el transmisor de RF de cada ciclista sin tener la necesidad de reiniciar el programa y obteniéndose como ventaja 8 canales intercambiables en caso de alguna interferencia o ruido debido a algún aparato cercano que este operando en el mismo canal.

El software puede guardar un perfil donde estará la información personal de cada ciclista y su máquina (Radio de la rueda, relación de piñones tomado como el número de dientes plato delantero y trasero).

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Estudiando otros sistemas comerciales similares al desarrollado encontramos que estos roban la atención y concentración del ciclista durante su proceso, pues tiene que hacer una manipulación directa del dispositivo (selección de funciones en el monitor), además está lectura es afectada por factores como la vibración de la bicicleta y el clima, entre otros. El entrenador a su vez se encuentra limitado pues no obtiene la información directamente del dispositivo y esto lo imposibilita para tomar decisiones o hacer sugerencias de cambios que mejoren el desempeño inmediato del ciclista.

Aunque los monitores cardiacos actuales con todas sus funciones son poseedores de una alta tecnología y gran aceptación entre los deportistas, están enfocados al uso individual o personalizado, y no para monitorear un grupo de individuos, además se debe tener en cuenta que el entrenador o médico deportólogo solo podría tomar decisiones una vez finalizado el trabajo físico con respecto a unos pocos datos y a sus conocimientos y experiencia, esto denota que se necesita una herramienta más poderosa que posibilite la toma de decisiones concretas en el momento preciso en que un grupo de deportistas se encuentra entrenando o compitiendo en su disciplina, y que también le permita crear, supervisar y modificar los programas de entrenamiento.

Como resultado se obtiene un sistema portátil capaz de sensar en tiempo real variables funcionales y variables hombre-máquina en ciclistas.

La principal variable fisiológica es el ritmo cardiaco obtenida a partir de la señal electrocardiográfica como se muestra en la Figura 3.

(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 3. Tratamiento de la señal ECG original (a), y obtención de la señal filtrada (b), detección del ritmo cardiaco utilizando una modificación al

algoritmo propuesto por Tompkins, W.J [3]. De la manera que se observa en las gráficas anteriores se

obtiene un seguimiento continuo del comportamiento cardíaco durante el esfuerzo del deportista.

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Se logra que el sistema tenga una cobertura inclusive

mayor al área ocupada por un velódromo profesional de ciclismo como el Luis Carlos Galán ubicado en la ciudad de Bogotá (Colombia).

El software desarrollado ofrece un despliegue de información útil e instantánea para que el entrenador planifique y mejore el desarrollo del entrenamiento o modifique la estrategia en el tiempo de competencia.

Las variables velocidad, cadencia, y distancia (figura 2) fueron visualizadas y registradas (ver figura 4) de manera continua exhibiendo el trabajo del ciclista y su máquina.

(a)

(b)

Fig. 4. El software permite almacenar en el computador un registro

completo correspondiente a las variables funcionales y variables hombre-máquina adquiridas durante un trabajo físico. Se puede apreciar en la figura algunos de los registros de velocidad y ritmo cardiaco obtenidos.

IV. CONCLUSIONES El prototipo desarrollado presenta una alternativa de

bajo costo y con mayores prestaciones comparado con otros equipos existentes en el mercado.

En un solo sistema se logra condensar, la monitorización de variables fisiológicas y las resultantes de la interacción hombre-máquina, lo cual evita la necesidad de adquirir módulos independientes para la medición de cada variable a diferencia de otros equipos.

Este dispositivo puede ser empleado en otros deportes donde puede facilitar como en el ciclismo, el monitoreo permanente y proteger al deportista en entrenamiento o competencia de daños cardiacos al sobrepasar su ritmo cardiaco máximo o evitar un posible sobreentrenamiento (Overtraining).

Un prototipo comercial de este sistema requiere la reducción de las dimensiones físicas, y el uso de componentes electrónicos para montaje superficial (SMD).

REFERENCIAS

[1] PAN, J. y TOMPKINS, W.J. A Real-Time QRS Detection Algorithm, IEEE Transactions on biomedical engineering, Vol. BME-32, No.3 (dic. 1985). p. 708-713.

[2] TOMASI, Wayne. Sistemas de comunicaciones electrónicas. Segunda edición. Prentice Hall. México, 1.997.

[3] GANONG, William F. Fisiología médica. Editorial manual moderno. México, 1.998.

[4] HEYWARD, Vivian H. Evaluación y prescripción del ejercicio. Editorial McGraw Hill. México, 1.991.

[5] IRIGOIEN, Juan Martin. Cardiología y deporte. Editorial Kimpres. Barcelona, 1.990.

[6] MONPÍN POBLET, José. Introducción a la Bioingeniería. Editorial Marcombo, Boixerau Editores. Barcelona, 1.988.

[7] WEBSTER G., John. Medical instrumentation, aplication and design. Houghton Mifflin Company. Boston, 1.978.

[8] Accuracy of the Polar recorder for heart rate variability assessment. XVIth Nordic congress of cardiology, Scandinavian Cardiovascular Journal. Vol. 31, Suppl. 45. Tampere, Finlandia. June 11-13, 1.997.

[9] Accuracy of a real-time QRS detector for heart rate variability assessment. XVIth Nordic congress of cardiology, Scandinavian Cardiovascular Journal. Vol. 31, Suppl. 45. Tampere, Finlandia. June 11-13, 1.997.

[10] FRIESEN, Gary M. A Comparison of the noise sensitivity of nine QRS detection algorithms. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. Vol. 37, No.1 (1990), p. 85-98.

[11] http://www.polar.fi [12] http://www.mincomunicaciones.gov.co [13] http://www.healthchecksystems.com/cardio.htm [14] http://www.aerobica2000.com.ar/monitcard.htm [15] http://www.bodycare.co.uk [16] http://e-www.motorola.com/index.html Juan Sebastián Rubiano Labrador. Ingeniero Electrónico de la Universidad Central (Bogotá, Colombia). Docente en el área de Sistemas Digitales. Miembro del Grupo de Investigación en Bioingeniería de la Universidad Central (UCIB). jrubianol@ucentral.edu.co Nubia Esperanza Aguilar Vivas. Bióloga de la Universidad Nacional (Bogotá, Colombia). Adelanta estudios de Maestría en Ciencias Biomédicas en la Universidad de los Andes. Docente y Coordinadora del Grupo de Investigación en Bioingeniería de la Universidad Central (UCIB). Actualmente realiza trabajos en fisiología del ejercicio. naguilarv@ucentral.edu.co