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Diseño de un electrocardiógrafo




Enviado por Fabián Peralta



    1. Problema y
      objetivos
    2. Marco
      teórico
    3. Diseño
      electrocardiógrafo
    4. Materiales
    5. Conclusiones

    1.
    Introducción

    En el siguiente trabajo se
    abordara de una manera sencilla y concreta las principales
    consideraciones que se deben tener en cuenta en el momento de
    realizar un diseño
    de un electrocardiógrafo con amplificadores de
    instrumentación, para lograr una
    señal de salida aceptable y una pequeña
    explicación de la misma.

    El costo del
    circuito que se propondrá será bastante
    económico y su implementación se hará
    inicialmente en protobard para realizar las pruebas
    correspondientes y posteriormente pasara a un impreso.

    2. Problema y
    objetivos

    El problema es la obtención
    de la señal biológica eléctrica producida
    por el corazón y
    el tratamiento que se le debe dar por medio de algunos circuitos para
    que sea una señal bastante confiable.

    El principal objetivo
    será obtener un sistema que
    obtenga la señal con la menor interferencia y ruido para que
    sea una replica confiable de la señal del
    corazón.

    3. Marco
    teórico

    3.1
    Electrocardiografía.

    Es el campo de la medicina
    encargada del estudio del registro de la
    actividad eléctrica cardiaca. Se muestra como una
    línea delgada que presenta distintas inflexiones, que
    corresponden a parámetros de información del estímulo
    eléctrico del corazón. Dicho estímulo, es
    originado por el nodo sinusal llegando hasta los
    ventrículos a través del SEC(Sistema
    específico de conducción). Éste, está
    compuesto por el nodo sinusal, las vías de
    conducción internodal e interauricular, el nodo
    auricoventricular(AV), el haz de His, las dos ramas del haz de
    His junto a sus divisiones y sus respectivas células de
    Purkinje. En el momento en el que el estímulo llega a
    dichas células es cuando se produce el acoplamiento de
    excitación-contracción.

    3.2 Adquisición señales
    bioeléctricas.

    El principal objetivo, es conseguir un
    sistema con muy poco ruido, para la adquisición de la
    señal electrocardiográfica. La presencia de ruido
    en el registro de este tipo de señales, es
    prácticamente inevitable. Ya sea por causas ajenas, o
    propias del sistema. El
    conocimiento acerca del ruido, y las causas que lo propician,
    ayudarán al procesado y eliminación de éste.
    En primer lugar, citamos el concepto de
    ruido, que se define como una señal ajena a la
    señal de estudio, provocando errores en el sistema de
    medida. El termino interferencia, también es
    utilizado en este documento, para referirse a las señales
    externas a nuestro sistema, que pueden seguir una evolución temporal en el tiempo y
    espacio. Podemos destacar: la red eléctrica; y
    apartáramos como luces, fluorescentes, motores.
    Destacamos, el problema que conlleva la amplitud tan
    pequeña de las señales bioeléctricas. Los
    potenciales bioeléctricos del ser humano son magnitudes
    que varían con el tiempo. Los valores de
    dicha medida pueden variar entre distintos individuos por
    diversos factores. Por ejemplo, en un ECG la magnitud de un
    paciente, puede variar entre 0'5mV-4mV, nivel estimado para el
    ECG.

    3.3 Señal del corazón

    Esta señal nos servirá para
    ver si la señal que estamos obteniendo si se parece a la
    de la grafica 1.

    Grafica 1.

    3.4 Amplificador
    diferencial

    1. Problemas. En primer lugar, representamos la
      fórmula que calcula el valor del
      voltaje de interferencia:

    2. Cálculo
    del (Common Mode Rejection Ratio)

    Como se observa, de ésta
    última fórmula, el amplificador para nuestro
    sistema debe tener una ganancia en modo común muy elevada.
    Por tanto, el amplificador elegido debe cumplir con un elevado
    rechazo al modo común descrito en las anteriores ecuaciones.
    Eligiremos un Amplificador de instrumentación. El
    término amplificador de instrumentación es
    usado para denotar la elevada ganancia, acoplo-DC, un
    amplificador diferencial con una única señal de
    salida, alta impedancia, y un elevado CMRR. El amplificador de
    instrumentación se utiliza para amplificar señales
    de entradas muy diferentes y pequeñas, que provienen de
    transductores, en los cuales podría haber una señal
    o nivel alta de modo común.

    4.
    Diseño electrocardiógrafo

    Los requerimientos de diseño son los
    siguientes:

    • La señal de ECG tiene componentes relevantes
      solo entre 0.05 hz y 150 hz
    • Los valores de
      la señal en la piel oscilan
      en pocos milivoltios (entre unos 0.5 y 10mV como
      máximo).

    – ganancia de aproximadamente 1000.

    Con estos datos se
    deberá saber que ancho de banda debe tener el circuito,
    y la ganancia que este deberá presentar.

    Otras consideraciones importantes:

    • CMRR lo más alto posible.
    • Resistencia de entrada de aproximadamente
      2MW o superior para obtener un
      acople de impedancias y no atenuar la señal.

    Lo primero que tenemos que hacer es un diagrama de
    bloques y después ir desglosando cada bloque. Un
    electrocardiógrafo es un acondicionador de señales
    y tiene la siguiente estructura
    general:

    4.1 transductor

    Para la adquisición analógica, se ha
    procedido del siguiente modo: tomamos la señal
    electrocardiográfica del usuario a través de los
    electrodos, y estos a su vez se encuentran conectados al circuito
    a partir de cable apantallado que permite la eliminación
    de ruidos, los electrodos que se utilizaran serán de los
    de tipo superficial por su facilidad de manejo y economía. La
    derivación que se utilizara será la siguiente: un
    electrodo ira a la altura del corazón (encima) , el otro
    electrodo ira en la parte derecha a la altura intercostal y un
    ultimo electrodo que servirá como referencia y va a la
    altura de la cintura en la parte izquierda. Ver figura
    2.

    Figura 2

    4.2 Acople de impedancias y amplificador con
    ganancia

    Esta parte la haremos con un amplificador de
    instrumentación ya que nos brinda una impedancia de
    entrada infinita produciéndose el efecto del acople de
    impedancias y por otro lado tiene un amplificador diferencial el
    cual amplifica la diferencia de la señal proveniente de
    los electrodos 1 y 2. El amplificador de instrumentación
    se compone de tres amplificadores operacionales y tiene la
    siguiente estructura (figura3):

    Figura3. Amplificador de
    instrumentación

    Como las amplitudes de la señal eléctrica
    del corazón van desde 1milivoltio a 5milivoltios la
    ganancia de nuestro amplificador debe ser alta de 1000 como se
    habia especificado en los requerimientos.

    Ecuaciones del amplificador de
    instrumentación.

    Vo= salida del amplificador.

    Va y Vb son las entradas al diferenciador.

    Gd= es la ganancia del amplificador.

    Necesitamos que Gd se ha de 1000 para conseguir esto
    asumiremos;

    Rg=1k ohmio.

    R3=100k ohmio.

    R2=10k ohmio.

    Nos falta determinar el valor de R1 entonces:

    R1= [(Gd*R2/R3 -1)*Rg]/2

    R1=49,5 ohmios.

    Ahora proseguiremos a la respectiva simulación
    para verificar si no hubo errores en al calculo de la
    ganancia.

    Esquema amplificador de
    instrumentación

    Forma de onda a la salida del
    amplificador de instrumentación

    Como se esperaba el amplificador mostró en la
    simulación que tiene una ganancia de 1000, se aplico un
    milivoltio a la entrada y obtuvimos a la salida 1 voltio. Algo
    que falto hablar es la alimentación del
    circuito que fue de 12 y -12 voltios de esto hablaremos mas
    adelante cuando hablemos del filtro rechazabanda de
    60Hz.

    4.3 filtro pasabajos y pasaaltos

    Una de las partes mas importantes de un acondicionador
    de señales es el filtrado el cual nos determinara el
    ancho de banda del circuito. Como habíamos mencionado
    anteriormente la señal de ECG tiene componentes
    relevantes solo entre 0.05 hz y 150 hz por lo tanto nuestro
    circuito solo debe dejar pasar las señales que se
    encuentren en este rango.

    • Utilizaremos un filtro pasabajos sencillo el cual
      consta de una resistencia y un condensador y tiene la
      siguiente configuración:

    Filtro pasabajos

    Para determinar la frecuencia de corte se tiene la
    siguiente formula:

    la frecuencia de corte es 150 hz, asumimos un
    condensador de 1uf y de la formula despejamos R.

    R=1/(150*2*pi*1uf) = 1061,03 ohmios

    Grafica filtro pasabajos

    • Utilizaremos un filtro pasaaltos sencillo el cual
      consta de una resistencia y un condensador y tiene la
      siguiente configuración:

    Filtro pasaaltos

    Para determinar la frecuencia de corte se tiene la
    siguiente formula:

    la frecuencia de corte es 0.05 hz, asumimos un
    condensador de 1uf y de la formula despejamos R.

    R=1/(0.05*2*pi*1uf) = 3,18 megohmios

    Grafica filtro pasaaltos

    Ahora procederemos a la simulación para
    verificar que los cálculos estén bien
    hechos:

    Filtro pasabajos y pasaaltos

    Grafica de salida de los filtros en función
    de la frecuencia

    Grafica de salida en función
    del tiempo para una señal de 500hz y amplitud de 1
    voltio

    Vemos que los filtros están funcionando bien y ya
    tenemos filtrada nuestra señal.

    4.4 filtro rechazabanda

    Cuando utilizamos fuentes de
    poder que
    están alimentadas por la red de 120 voltios a 60hz con las
    cuales alimentaremos los operacionales esa frecuencia de 60 hz se
    introduce dentro de nuestro sistema siendo una señal
    indeseable. Tenemos que eliminarla por medio de un filtro
    rechazabanda de 60 hz.

    Pero si utilizamos baterías para alimentar los
    operacionales no tenemos que realizar el filtro rechazabanda.
    Para evitar esta la componente de 60hz utilizaremos
    baterías y nos ahorramos el inconveniente de implementar
    dicho filtro.

    4.5 señal de salida

    Una última consideración es que la
    señal hasta este punto esta invertida por lo cual tenemos
    que colocar un amplificador inversor de ganancia 1.Nuestro
    esquema final queda de la siguiente manera:

    Señal de salida para una
    entrada de 1milivoltio a 50hz

    5.
    Materiales

    • 4 amplificadores operacionales TL084.
    • 11 resistencias con una potencia
      de ¼ 4 de 1K, 2 de 49.5k, 2 de 10k, 2 de 100k y 1 de
      3.1Megas
    • 2 condensadores de 1uf
    • Batería de 6 a 12 voltios DC
    • Osciloscopio
    • Puntas atenuadas.
    • Generador de ondas.
    • Electrodos.
    • Multímetro.

    6.
    Conclusiones

    • Se hace imprescindible que los operacionales de
      entrada que funcionan como buffers tengan un alto cmrr para
      disminuir el ruido lo mas posible.
    • El sistema se caracteriza por su bajo precio y
      tiene la posibilidad de conectarse a un PC con una etapa extra
      (ADC).
    • Se obtiene una señal
      electrocardiográfica bastante limpia, permitiendo su
      visualización a través de un osciloscopio.
    • La señal de ecg es muy susceptible y se hace
      imprescindible filtrar la señal lo más que se
      pueda.
    • Para la protección del usuario se
      decidió utilizar baterías de 9 voltios y evitarse
      el inconveniente de implementar un filtro
      rechazanabda.

     

    Fabián Peralta

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