Cientifica, ISSN 2594-2921, vol. 29, no. 2, July-December 2025.
DOI: 10.46842/ipn.cien.v29n2a01
Sistema embebido de desarrollo biomédico para el procesamiento de señales de fotopletismografía basado en un sistema programable en chip (PSoC)
Embedded biomedical development system for photoplethysmography signal processing based on a Programmable System-on-Chip (PSoC)
Recibido 03-06-2025, aceptado 10-08-2025.
Resumen
Se presenta el diseño e implementación de una plataforma embebida que adquiere y procesa señales de fotopletismografía (PPG) aprovechando únicamente los recursos internos de un sistema programable en chip (PSoC). La unidad de adquisición incorpora emisores LED y un fotodetector para capturar variaciones de absorbancia sanguínea, seguido de una etapa de acondicionamiento analógico diseñada con amplificadores operacionales internos del PSoC y un conversor SAR de 12 bits. El firmware implementa una máquina de estados que gestiona el muestreo a 500 Hz y una interfaz de usuario (GUI) ejecuta filtrado digital tipo IIR para mitigar artefactos de movimiento y ruido de baja frecuencia. Para validar su desempeño, el sistema embebido se comparó con un oxímetro comercial. Bajo condiciones de reposo, se registraron de forma simultánea las señales PPG y se calcularon los intervalos RR y la frecuencia cardiaca. Los resultados evidenciaron un MAE de solo 2.69 BPM por minuto frente al oxímetro de referencia. El uso de amplificadores operacionales integrados y periféricos reconfigurables permitió optimizar el consumo energético y minimizar el tamaño de la placa, sin comprometer la calidad de la señal. La flexibilidad inherente de la arquitectura PSoC permite la implementación de una amplia gama de algoritmos de filtrado y detección de picos, adaptados a los requisitos específicos del dispositivo. Esto resalta las ventajas de integrar funcionalidades analógicas y digitales en un solo chip, en contraste con las soluciones tradicionales basadas en microcontroladores que dependen de componentes discretos. En el presente estudio, se emplea el módulo OpAmp analógico de la familia PSoC 4200M (CY8C4247AZI-M485) para el preprocesamiento y acondicionamiento de la señal PPG. En conclusión, el prototipo basado en PSoC proporcionó resultados satisfactorios en términos de precisión, eficiencia energética y miniaturización, posicionándose como una alternativa prometedora para aplicaciones de telemedicina y monitoreo continuo de la frecuencia cardiaca. Además, ofrece un camino de expansión hacia análisis avanzados de la variabilidad del ritmo cardiaco y funcionalidades adicionales de procesamiento biomédico.
Abstract
This work presents the design and implementation of an embedded platform that acquires and processes photoplethysmography (PPG) signals using only the internal resources of a programmable system-on-chip (PSoC). The acquisition unit incorporates LED emitters and a photodetector to capture variations in blood absorbance, followed by an analog conditioning stage designed with the PSoC’s internal operational amplifiers and a 12-bit SAR converter. The firmware implements a state machine that manages sampling at 500 Hz, while a graphical user interface (GUI) performs IIR digital filtering to reduce motion artifacts and low-frequency noise. To validate its performance, the embedded system was compared with a commercial oximeter. Under resting conditions, PPG signals were recorded simultaneously, and RR intervals and heart rate were calculated. The results showed a mean absolute error (MAE) of only 2.69 BPM compared to the reference oximeter. The use of integrated operational amplifiers and reconfigurable peripherals allowed for optimized power consumption and a reduced board size without compromising signal quality. The inherent flexibility of the PSoC architecture enables the implementation of a wide range of filtering and peak detection algorithms tailored to specific device requirements. This highlights the advantages of integrating analog and digital functionalities within a single chip, as opposed to conventional microcontroller-based solutions relying on discrete components. In the present study, the analog OpAmp module from the PSoC 4200M family (CY8C4247AZI M485) is employed for preprocessing and conditioning of the PPG signal. In conclusion, the PSoC-based prototype delivered satisfactory results in terms of accuracy, energy efficiency, and miniaturization, positioning itself as a promising alternative for telemedicine applications and continuous heart rate monitoring. Moreover, it offers a pathway for expanding toward advanced heart rate variability analysis and additional biomedical signal processing capabilities.
Palabras clave: fotopletismografía, sistemas embebidos,
frecuencia cardiaca, variabilidad cardiaca, sistema programable en chip.
Index terms: photoplethysmography, embedded systems, heart rate,
heart rate variability, programmable system-on-chip.
ISO 690 reference:
Miranda Vega, Jesús E.;
Romero Ávila, Rodolfo S.;
Castro Contreras, Rubén;
Toscano Palomar, Lydia;
Prieto Avalos, Guillermo;
Ayala Figueroa, Rafael I.;
Valdez González, Julio A.,
2025,
Sistema embebido de desarrollo biomédico para el procesamiento de señales de fotopletismografía
basado en un sistema programable en chip (PSoC),
Científica, vol. 29, no. 2,
ISSN 2594-2921, e290201,
DOI: 10.46842/ipn.cien.v29n2a01
