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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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