Monitor de ritmo cardíaco

Transcripción

1 Monitor de ritmo cardíaco Integrantes: Leandro Ferrazzi Lucas Freddi Martín Moyano Profesor Gastón Salaya

2 Monitor de ritmo cardíaco Año 2009 Índice 1) Introducción (pag. 3) 2) Referencias de la tecnología utilizada (pag. 4) 3) Descripción (pag. 5) 4) Lista de elementos necesarios (pag. 7) 5) Diagrama en bloques del proyecto (pag. 9) 6) Constitución del Hardware y esquema eléctrico (pag. 10) 7) Constitución del Software y código fuente (pag. 16) 8) Costos del proyecto (pag. 22) 9) Problemáticas durante el desarrollo (pag. 24) 10) Balance final (pag. 24) 11) Fuentes de información (pag. 26) 12) Hojas de datos de los elementos (pag. 27) 13) Circuitos impresos del proyecto (pag. 42) 2

3 Introducción Por qué un monitor de ritmo cardíaco? En un principio los participantes del proyecto estuvimos interesados en el desarrollo de algún dispositivo involucrado con la electromedicina. Éste fue nuestro punto en común. En realidad el proyecto fue pensado en un principio para ser un brazalete con el cual podrían correr los atletas y a la misma vez ver sus pulsaciones por minuto; debido a complejidades de la tecnología utilizada no se pudo orientar el proyecto para este fin sino para el de diagnosticar a una persona sus pulsos por minuto, realizando la medición con el paciente sentado o recostado y sin que éste se mueva por un lapso de 10 segundos en el caso de medición simple y 60 segundos en modo de alta precisión. El proyecto consta de un sensor, un amplificador regulado para actuar como pasabajos simultáneamente, un comparador, un temporizador monoestable, un filtro antirebote, un microcontrolador, una pantalla conformada por 3 displays de 7 segmentos donde se muestra el resultado de la medición, un led que titila a la frecuencia cardíaca, y 3 leds que a según del resultado de la medición indican si la frecuencia cardíaca es alta, normal o baja. Habiendo hecho una breve introducción del proyecto se procederá a hacer un análisis más exhaustivo a continuación. 3

4 Referencias de la tecnología utilizada Cuando se comienza un proyecto hay que indagar a cerca de los desarrollos similares existentes en el mercado. En nuestro caso hoy en día la forma más común de medir las pulsaciones en el mundo es con tensiómetros digitales de un costo de alrededor de los 220 $ (Cabe destacar que éstos también miden la presión sistólica y diastólica, cosa imposible de realizar en nuestro proyecto). El inconveniente de estos tensiómetros es que incomodan al paciente ejerciéndole presión en un brazo o muñeca para obtener una medición más precisa de los pulsos. En nuestro proyecto éste inconveniente fue suprimido a través del uso de una tecnología más reciente que hoy en día se ve aplicada en los hospitales a personas internadas, la pulsioximetría. Básicamente la pulsioximetría mide el oxígeno transportado por la hemoglobina en el interior de los vasos sanguíneos capilares. En nuestro proyecto la finalidad no era medir los niveles de saturación del oxígeno en sangre sino la frecuencia cardíaca, por lo tanto modificamos en ciertos puntos un oxímetro, logrando un pulsímetro. 4

5 Descripción Podríamos desglosar el proyecto en los siguientes ítems: - Transductor: consta de un LED de 5 milímetros rojo de alta intensidad enfrentado con un fototransistor, los dos montados dentro de un cilindro de PVC recubierto por una capa de aluminio y una capa exterior de masilla plástica. El paciente debería introducir un dedo (no importa cual sea) dentro del cilindro y apoyar la yema sobre el fototransistor. El LED situado arriba de la yema del dedo ilumina constantemente los vasos sanguíneos capilares, que se llenan y se vacían de sangre con cada pulsación. Siendo la sangre densa y de color rojo, refleja la luz roja del LED situado sobre la uña cada vez que un pulso llega a los capilares. Esta variación óptica es detectada por el fototransistor que esta debajo de la yema, a su vez produciendo o no una caída de tensión entre sus extremos. Esta variación de tensión es transportada por un cable blindado hasta el gabinete del pulsímetro, donde se hayan las siguientes etapas. - Amplificador / Pasabajos: La variación de tensión producida por el fototransistor es acoplada a través de un capacitor a la etapa amplificadora, que consta de 2 amplificadores no inversores con una ganancia de alrededor de 45 veces en serie, produciendo una ganancia final de alrededor de 2025 veces. Este bloque tiene 2 capacitores adjuntos en la realimentación de los amplificadores operacionales (de un LM324); la finalidad de estos capacitores es la de actuar como un pasabajos en cada caso que limite la señal a una frecuencia de corte de 1,59 Hz. 5

6 - Comparador: luego de amplificar y filtrar la señal se la introduce en el terminal no inversor de un comparador. Por el terminal inversor se introduce una tensión aproximadamente igual a 2,5 V que puede ser variada con un preset de ajuste de sensibilidad. - Temporizador monoestable: la señal de salida del comparador es acoplada por medio de un capacitor a un monoestable conformado por un LM555 con un tiempo de mantenimiento de 0,11 segundos. Su finalidad es la de mantener un instante el puso registrado para que sea apreciable. - Filtro antirebote: Consta de un monoestable conformado por un LM555 con un tiempo de mantenimiento de 0,3 segundos. Su misión es la de anular los ocasionales pulsos dobles (causados por el sensado de la contracción y también de la descontracción del corazón, que es indeseada) - Microcontrolador: una vez procesada la señal es introducida en un microcontrolador PIC 16F84A, que tiene la finalidad de multiplicar por 6 los pulsos registrados durante 10 segundos a partir del accionamiento de un interruptor, logrando obtener las pulsaciones por minuto (en el modo simple), y en el modo de alta precisión se limita a contar durante 60 segundos cuántas pulsaciones hay. El dato es transferido a través de multiplexación a los displays de 7 segmentos. Según las pulsaciones sean mayores de 90 PPM se habilitará el puerto que accionará el LED indicador de pulsaciones altas. Si las pulsaciones son menores de 64 PPM, se habilitará el puerto que accionará el LED indicador de pulsaciones bajas. Si las pulsaciones están comprendidas entre 65 PPM y 89 PPM se habilitará el puerto que accionará el LED indicador de pulsaciones normales. 6

7 Lista de elementos necesarios Cantidad Descripción Zócalos 1 Zócalo de 18 patas 2 Zócalo de 8 patas 2 Zócalo de 14 patas 1 Zócalo de 16 patas Circuitos integrados 1 LM324N - Cuádruple OP. AMP. 2 LM555N - Temporizador de uso general 1 CD Cuádruple nand 1 CD Decodificador BCD a 7 segmentos 1 PIC 16F84A - Microcontrolador 2 L7805CV - Regulador de tensión Varios 27 Tornillos de diversas medidas 1 Portabateria de 9 V 1 Batería alcalina de 9 V 5 Bornera L04P 1 Bornera W Jack estéreo 3.5 mm 1 Cable plug 3.5 mm / plug 3.5 mm (1.7 Metros) 1 Cristal de cuarzo de 4 MHz 1 Pulsador NA para chasis 3 HD-H103 - Display de cátodo común 1 HLMP-D101A - LED rojo de alta intensidad 4 LED de 3 mm 1 SFH313 - Fototransistor 2 LED de 5 mm 1 Adhesivo poxipol transparente 1 Bloque de acrílico de 5 mm de espesor 7

8 1 500 g de masilla plástica 1 Cloruro férrico concentrado 250 ml 1 Plaqueta vírgen de 20 cm x 20 cm 1 EMX-7T05SP - Buzzer de 6 V Semiconductores 4 BC547 - Transistor de uso general NPN 1 1N Diodo switching 3 1N Diodo rectificador Resistencias Ω - E24 3 2,2 KΩ - E KΩ - E KΩ - E MΩ - E KΩ - E KΩ - E24 1 4,7 MΩ - E kω - E KΩ - E Ω - E24 Capacitores 2 22 pf - Cerámico nf - Cerámico uf - Electrolítico 3 10 uf - Electrolítico Presets 1 10 KΩ - preset horizontal 1 1 MΩ - preset vertical 8

9 Diagrama en bloques del proyecto Transductor Amplificador / Pasabajos LED de pulsos Filtro LED de pulsos filtrados Microcontrolador Decodificador Multiplexaje Multiplicador Displays de 7 segmentos LEDS indicadores de frecuencia cardíaca Buzzer 9

10 Hardware y esquema eléctrico El Hardware del proyecto está dividido en 3 plaquetas, una sensora, una plaqueta madre con el objetivo de centro de proceso de datos y una plaqueta para mostrar el resultado de la medición. Adicionalmente se le tiene que sumar el transductor, que fue descrito anteriormente. Plaqueta de display: 10

11 Transductor: 11

12 Proyecto terminado: 12

13 Plaqueta sensora: 13

14 Plaqueta madre: 14

15 15

16 Software y código fuente Para el software del monitor de ritmo cardiaco tuvimos que programar en lenguaje ensamblador (assembler) con el programa MPLAB el microcontrolador PIC 16F84A de Microchip. Al comenzar con el proyecto tuvimos varias ideas acerca de cómo realizar el programa que cuente las pulsaciones del cuerpo humano para luego mostrarlas en el orden de las pulsaciones por minuto. Luego de un tiempo de probar distintos métodos decidimos utilizar el TMR0 del PIC (un timer incluido en el mismo que puede funcionar como contador de señales externas o como temporizador interno), en este caso lo programamos para contar señales externas. Luego de este significativo avance comenzamos a pensar como funcionaria el programa en si. Terminamos decidiendo que se podrían efectuar dos tipos de mediciones diferentes. Una de 15 segundos y otra de alta precisión que cuente durante un minuto entero las pulsaciones entrantes (esta elección se puede realizar al iniciar el programa). Luego de este paso se realizan las multiplicaciones necesarias de acuerdo al modo seleccionado y se convierte el resultado de binario a BCD para luego multiplexarlo y visualizarlo en tres displays de 7 segmentos. El código fuente utilizado en la versión final del proyecto, luego de muchas modificaciones de perfeccionamiento es el siguiente: 16

17 Costos del proyecto Desde un principio se pensó que el costo final del proyecto rondaría los 250 $. Como durante el desarrollo del mismo se fueron modificando ciertas cosas relativas al hardware el costo varió proporcionalmente; se hablará de estos cambios en la sección Problemáticas durante el desarrollo. Básicamente los componentes comprados y sus fechas de adquisición responden a la siguiente tabla: Fecha Descripción Costo 25/03/09 LED de alta intensidad rojo 1.50 $ 25/03/09 LED de alta intensidad rojo / blco 3.10 $ 07/04/09 ½ Kg de masilla plástica 12 $ 07/04/09 5 fototransistores 5 $ 08/04/09 Jack chico 3.5 mm estereo (plaq) 2 $ 13/04/09 Cable plug chico / plug chico 5 $ 13/04/09 Jack chico 3.5 mm estereo (cab) 1.50 $ 16/04/09 3 x TL084 / Resistencias 6.60 $ 13/05/09 Componentes varios 8.50 $ Redistribución de costos. Costo subtotal: $ 27/08/09 Fotocopia satinada (imprenta) 3.25 $ 10/09/09 Componentes varios 91 $ 15/09/09 Fotocopia satinada (imprenta) 3.25 $ 17/09/09 Fotocopia satinada (imprenta) 3.25 $ 19/09/09 Fotocopia satinada 1.15 $ 22/10/09 Fotocopia satinada 1.15 $ 26/10/09 Fotocopia satinada 1.15 $ 17

18 03/11/09 Adhesivo poxipol transparente $ 03/11/09 Componentes plaqueta sensora $ 04/11/09 Fotocopia satinada (imprenta) 3.25 $ 12/11/09 Tornillos y bisagra $ 19/11/09 Batería alcalina 9V 11 $ Redistribución de costos. Costo subtotal: $ Costo total del proyecto: $ Costo por integrante: $ Problemáticas durante el desarrollo y balance final Sin duda fue un proyecto difícil de afrontar, desde un principio el grupo pensó en usar un display LCD para visualizar los datos, y a último momento tuvo que ser reemplazada por 3 displays de 7 segmentos multiplexados. El cambio tuvo que ser efectuado porque por un lado el display LCD es al menos 5 veces más caro que el costo de montar 3 displays de 7 segmentos multiplexados; por otro lado tiene una dificultad técnica muy elevada, ya que los datos tienen que llegar en instantes muy precisos (nanosegundos) al LCD para que sean expuestos en la pantalla. Otro de los aspectos negativos del display LCD es que para utilizarlo se tienen que emplear muchos puertos provenientes del microcontrolador, cosa que no ocurre con los displays de 7 segmentos multiplexados, que en total en nuestro caso necesitaron 10 puertos libres. Otra problemática fue la de suprimir la banda espuria de 50 Hertz, inducida al circuito debido a que la medición se realiza dentro de una instalación eléctrica que funciona a 50 Hz. Para solucionar 18

19 este problema, el dispositivo fue pensado para funcionar a batería; precisamente el proyecto lleva una batería de 9 V. Muchos problemas ocurrieron en la realización de la plaqueta sensora, ya que se estaba sensando una variación de tensión de 10 mv a 20 mv. Igualmente el circuito eléctrico fue copiado de una revista de electrónica, pero presentaba sus problemas de realización. Finalmente a mediados de año logramos hacer funcionar la plaqueta sensora, pero luego de un largo período de experimentación. La plaqueta de display tuvo que ser rehecha 3 veces, ya que las pistas fueron diseñadas para ser muy finas, cosa difícil de lograr en la práctica. Fue terminada a fines del mes de octubre. El ensamblaje de los bloques del proyecto no fue dificultoso, ya que por suerte funcionó satisfactoriamente desde un principio. Lo mismo sucedió con la plaqueta madre, que anduvo desde el inicio. El gabinete del proyecto fue pensado para ser de acrílico transparente de un grosor de 5 milímetros, siendo la tapa articulada con una bisagra para poder cambiar la batería en el oportuno caso de que se acabase o en el caso de que ocurriese un desperfecto eléctrico. La elaboración de la caja fue bastante más complicada de lo que pensábamos. El acrílico es un material quebradizo, y para ensamblar las partes usamos tornillos, por lo tanto fue muy difícil hacer que todo encajara como debía. Igualmente el resultado final de la caja es convincente, ya que parece sólida y se puede ver hacia adentro, propiedad por la cuál seleccionamos el acrílico entre varios otros materiales. 19

20 Fuentes de información Las fuentes de información fueron principalmente extraídas de Internet, de proyectos similares, videos de de cardiometros, esquemas electrónicos de pulsímetros, oxímetros, pletismógrafos. Fueron investigados los procesos de adquisición de cada sistema, estudiando la posibilidad de utilizar los más convenientes en nuestro proyecto. También fue utilizado, ocasionalmente, material proveniente de la biblioteca escolar relativo a ciertos componentes incumbentes al proyecto, como tiristores o filtros activos. Las hojas de datos (datasheets) del proyecto fueron extraídas de las principales páginas de Internet poseedoras de base de datos de componentes electrónicos, tales como: Datos adicionales sobre medicina fueron extraídos de Circuitos impresos de las plaquetas Los circuitos impresos (Boards) de las plaquetas realizadas se presentarán, a continuación: Plaqueta madre: 20

21 Plaqueta sensora: 21

22 Plaqueta de display: 22