INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CHIHUAHUA

Transcripción

1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CHIHUAHUA ELECTROCARDIOGRAFO DE 3 ELECTRODOS MECATRONICA II ING. JACOBO NEVAREZ GONZALEZ Presentan: Aparicio Trejo Sarahi Alcaraz Domínguez Francisco Javier Carrasco Enríquez Aram Arturo Esparza Hernández Luis Oscar Flores Juárez Carlos Eloy INGENIERIA ELECTRÓNICA CHIHUAHUA, CHIHUAHUA, A DE JUNIO DE 009

2 CONTENIDO ABSTRACT... 3 INTRODUCCIÓN... 3 OBJETIVOS... PRINCIPIOS DEL ELECTROCARDIOGRAMA... PARAMETROS DEL ECG... 7 DESCRIPCION DE LAS PARTES PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑAL ECG... 7 DIAGRAMA A BLOQUES SIMPLIFCADO... 8 IMPLEMENTACION... 9 EXPERIMENTOS... 1 RESULTADOS PROBLEMAS DEL PROCESO DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN ECG... 1 CONCLUSIONES... 1 REFERENCIAS... 15

3 ABSTRACT El presente trabajo trata sobre el diseño y la implementación de un sistema de adquisición de señales cardiacas, para lo cual diseñamos un circuito electrónico capaz de recibir la señal analógica proveniente de la actividad eléctrica del corazón, amplificarla, y como primera versión del proyecto observamos la señal ECG en el osciloscopio. Cabe destacar que se obtuvo una señal ECG en una imagen del osciloscopio digital, además se realizo una pequeña interfaz para visualizar los pulsos en una computadora. Dado el bajo costo de los elementos y la confiabilidad del equipo se consigue un instrumento capaz de suplir algunas de las prestaciones de un electrocardiógrafo profesional. INTRODUCCIÓN Durante años ha sido un reto constante para la medicina el análisis de los órganos internos del cuerpo humano con mecanismos que no perjudiquen al paciente. Con la llegada del electrocardiógrafo el análisis se fundamentó en la graficación de las señales bioeléctricas que genera el corazón en determinados períodos, debido a la importancia de este equipo su presencia en clínicas y hospitales es de vital importancia pero debido a su alto costo su adquisición es muchas veces imposible. Aprovechando el bajo costo de los circuitos digitales, hemos realizado el diseño y la implementación de una tarjeta de adquisición ECG para lo cual construimos un circuito sensible a la señal cardíaca; una vez capturada la señal cardiaca, ésta es amplificada y después observada en un osciloscopio, además ya fuera del alcance del proyecto realizamos una conversión a digital para poder visualizar la señal en una laptop por medio de una interfaz en Visual Basic. 3

4 OBJETIVOS Construir un electrocardiógrafo, el cual pueda mostrar los diferentes pulsos producidos por el corazón, los cuales conforman un electrocardiograma. Monitorear los pulsos ECG en un osciloscopio PRINCIPIOS DEL ELECTROCARDIOGRAMA El corazón presenta un patrón característico de variaciones de voltaje. El registro y análisis de estos eventos bioeléctricos son importantes desde el punto de vista de la práctica clínica y de la investigación. Los potenciales se generan a nivel celular, es decir, cada una de las células es un micro-generador de voltaje. Sin embargo, con el empleo de micro electrodos, es posible medir el potencial de una sola de ellas, entonces las señales bioeléctricas de interés clínico se producen por la actividad coordinada de grandes grupos celulares. Es esta actividad sincronizada, en la que intervienen muchas células, la cual puede registrarse mediante métodos no invasivos, es decir, con el empleo de electrodos de metal colocados en la superficie del cuerpo. Un electrocardiograma (ECG) es una prueba física ampliamente utilizada para valorar la condición del corazón en forma no invasiva. Esta prueba se usa para evaluar el estado del sistema de conducción del corazón, el músculo, y en forma indirecta, la condición de este órgano como una bomba. El ECG es una representación gráfica de la actividad bioeléctrica del músculo cardiaco, por lo que un equipo de registro de ECG es prácticamente un voltímetro que realiza una función de registrador. Para realizar un electrocardiograma se fijan los electrodos en los brazos, piernas y el tórax del paciente. El número estándar de derivaciones es de doce para un ECG de diagnóstico, sin embargo se puede usar un mínimo de tres para un ECG de control. Sin embargo, la actividad eléctrica generada por el corazón es posible sensarla desde cualquier punto de la superficie corporal, en la práctica el registro electrocardiográfico usa 1 derivaciones que han sido sistematizadas y universalmente aceptadas, las cuales son divididas en tres grupos. Derivaciones bipolares de miembros de Eindhoven: censan las diferencias de voltaje en el plano frontal entre las extremidades. Las 3 extremidades sensadas son el brazo derecho e izquierdo, y la pierna izquierda Derivaciones monopolares de miembros de Goldberger: censan la actividad eléctrica en el plano frontal, desde cada miembro, con relación a una

5 referencia de voltaje igual a cero, la cual se obtiene a partir de los otros tres miembros no censados. Derivaciones unipolares toráxicas de Wilson: Son también llamadas precordiales (ver Figura ), censan la actividad eléctrica en el plano horizontal y son llamadas V1, V...V6, dependiendo de la ubicación del electrodo. 5

6 La forma de la señal ECG (ver Figura 3) presenta varias regiones, con base en las cuales se describe la actividad de un ciclo cardiaco. Estas regiones consideran las formas de onda P, Q, R, S y T, que en conjunto se llaman el complejo PQRST. Las irregularidades en la forma (morfología) del complejo PQRST indican las anormalidades del músculo cardiaco, y las anormalidades en la temporización de las formas de onda (ritmo), en uno o varios complejos, indican las anormalidades en el proceso de conducción. Por consiguiente, tanto la morfología como la regularidad de la forma de onda del ECG son necesarias para realizar un diagnóstico apropiado del estado del corazón. La amplitud de las señales de ECG varía en el rango de 0.5 a mv para un paciente promedio En la grafica observamos la señal que deseamos obtener en el osciloscopio. Esta señal está compuesta de la siguiente manera: El eje eléctrico: El eje eléctrico es la dirección general del impulso eléctrico a través del corazón. Onda P: La onda P es la señal eléctrica que corresponde a la contracción auricular. Ambas aurículas, derecha e izquierda, se contraen simultáneamente. Complejo QRS: El complejo QRS corresponde a la corriente eléctrica que causa la contracción de los ventrículos derecho e izquierdo, la cual es mucho más potente que la de las aurículas y compete a más masa muscular, produciendo de este modo una mayor deflexión en el ECG. 6

7 Onda T: La onda T representa la repolarización de los ventrículos. El complejo QRS oscurece generalmente la onda de repolarización auricular, por lo que la mayoría de las veces no se ve. Intervalo QT: El intervalo QT corresponde a la activación y recuperación ventricular, se mide desde el principio del complejo QRS hasta el final de la onda T. PARAMETROS DEL ECG La señal electrocardiográfica (ECG) tiene como parámetros relevantes Rango de medida de amplitud de 500uV a 5mV, combinada con una componente DC de ±300mV Frecuencia con componentes relevantes entre 0.5 Hz y 50 Hz para monitoreo Frecuencia con componentes relevantes entre 0.05 Hz y 100 Hz para diagnóstico. DESCRIPCION DE LAS PARTES PARA LA ADQUISICIÓN DE SEÑAL ECG Electrodos. Siguiendo la normalización del uso de equipo electrocardiográfico, se estableció el uso de electrodos especiales para el mismo, los cuales son de uso común y fáciles de conseguir. Estos electrodos están fabricados con un soporte conductor al que se le da un baño de plata para posteriormente realizar un clorado de la superficie exterior por medio de un proceso químico para protegerla de la oxidación prematura. Para hacer un buen contacto con la piel, se adhieren a ella por medio de un gel especial, esto ayuda a mejorar la conductividad. Amplificador de instrumentación. Los potenciales eléctricos cardiacos obtenidos a nivel de la piel son del orden de unos 500µV a 5mV. Los efectos de la alta resistencia del cuerpo causan una relación señal/ruido muy pobre, así como una alta impedancia de salida hacia los electrodos. La alta resistencia de la piel no es el único factor causal de la baja relación señal/ruido, el medio en el que se desenvuelve el hombre está saturado de ruido eléctrico y electromagnético, donde los principales componentes son los provenientes de las líneas eléctricas (ruido de 60Hz) que inducen en el cuerpo señales parásitas de gran magnitud comparados con los biopotenciales. 7

8 Debido a lo anterior en la etapa de acondicionamiento se utilizó un amplificador de instrumentación de bajo ruido con una ganancia de 5 con la finalidad de rechazar el ruido de modo común y amplificar de forma considerable la señal, ya que como se mencionó anteriormente, es muy pequeña. Aislamiento. Cualquier tipo de aparato médico debe cumplir con una premisa fundamental, no se debe dañar eléctricamente al paciente aún cuando el aparato se averíe. Los aparatos de electrodiagnóstico y algunos de electroterapia pueden emitir pulsos de hasta 00mA en un periodo muy corto de tiempo, estos pulsos podrían producir una fibrilación ventricular por lo que debe evitarse cualquier riesgo que pueda poner en peligro tanto al paciente como al operador. Con la finalidad de proteger al paciente se debe de implementar un circuito de asilamiento, que consiste en un amplificador analógico con aislamiento óptico, colocado entre la primera etapa de filtrado y la segunda etapa. Cabe aclarar que en nuestro prototipo no se utilizó esta etapa debido al costo del circuito integrado. Filtrado analógico. Como ya se mencionó, la señal ECG está acompañada de una gran cantidad de ruido de alta y frecuencia y ruido de línea. Para limpiar la señal se implementaron filtros analógicos: un pasa altas orden con frecuencia de corte de 0.05 Hz implementado a la salida del amplificador de instrumentación, con la finalidad de eliminar la componente de CD de la señal. Un pasa bajas con frecuencia de corte de 100Hz DIAGRAMA A BLOQUES SIMPLIFCADO 8

9 IMPLEMENTACION Un amplificador de ECG es un amplificador bioeléctrico que por lo general tiene un factor de ganancia media de Un amplificador de ECG estándar consiste en un amplificador de instrumentación (AI), seguido de un amplificador de aislamiento (iso-amplificador), y luego por un filtro de banda (BPF), y un amplificador en la pierna derecha (RL). La Figura siguiente muestra el esquema de un solo canal (3 electrodos) amplificador ECG. 9V VCC Brazo Derecho 0kΩ 100Ω kω 0kΩ 1 Brazo Izquierdo 3 3-9V OP07CD VEE VEE -9V OP07CD 5 VEE -9V 6 3 GN D VCC 9V 3 OP07CD 7 1uF 100nF GND nF 10MΩ MΩ GND nF -9V VEE T L08CN VCC 9V T L08CN 1.7kΩ nF GN D -9V VEE 11 9V VCC 10MΩ 1 11 T L08CN 3.3MΩ GND 390kΩ GND T L08CN VCC 8 1MΩ nF Pierna Derecha 9V kΩ nF GND 10nF OSCILOSCOPIO 11 T L08CN GN D 0Ω 0Ω Figura. Circuito implementado La primera parte representa un amplificador de instrumentación de la familia Analog Device AD60, el cual fue construido con las especificaciones mostradas 9

10 en su hoja de datos con amplificadores OP-07. Los valores de las resistencias de dicho amplificador también fueron tomados de la hoja de datos del AD60. Las diferencias obtenidas en la construcción del amplificador de instrumentación es la corriente, además de la entrada de error debido a que requiere 3 amplificadores. Mientras que el CI utiliza una corriente de 1.3 ma, la implementación utiliza 15 ma; ambos circuitos nos producen una ganancia de 100. La siguiente etapa consiste en una etapa de aislamiento necesaria para protección del paciente. Para esto se tenía pensado utilizar un amplificador aislador ISO 1 de BURR BROWN (escogimos este dispositivo debido a que era el único en el mercado local). Este dispositivo protege al paciente de shock cardiaco, como también de los daños de los circuitos y dispositivos. El amplificador provee de una impedancia de 10 1 Ω a pf. Así como brinda protección también permite eliminar ruidos de 60 Hz producidos por la fuente de voltaje de CA. Después se implementó una serie de filtros primero un pasa altas y después un pasa bajas. El filtro pasa altas con una ganancia unitaria proporcionada por el amplificador seguidor (buffer), el cual fue realizado con amplificadores TL08 debido a su alta impedancia de entrada, bajo offset y bajo costo. El filtro pasa bajas se implemento con una ganancia de 0 y una frecuencia de corte de aproximadamente 100 Hz necesarios para observar la señal ECG. 10

11 Hasta el momento la ganancia de voltaje que tenemos es de Av= (5.7) (1) (0)=108, con un rango de frecuencias de 0.05 Hz a 100 Hz. Estos rangos son adecuados para diagnostico pero en nuestro caso como solo queremos monitorear se requiere frecuencias entre 0.05 Hz a 50 Hz. En este punto solo tenemos el acondicionamiento tanto para las señales positiva y negativa correspondientes a brazo derecho e izquierdo las cuales se leen por el amplificador de instrumentación, pero falta el acondicionamiento de la señal de referencia (la pierna derecha). La señal de referencia de la pierna derecha es solo la inversión de modo común de las otras dos señales proporcionando una media. Esta media alimenta a la terminal inversora del amplificador. La ganancia se suele fijar de 30 a 50. En este caso la ganancia fija es de 50 dada por la resistencias de 1 MΩ y 0 KΩ. El capacitor es para prevenir la oscilación así como para establecer límites para la ganancia de frecuencias altas. Es importante señalar que para el funcionamiento adecuado se requiere como fuentes de voltaje baterías de 9 v para evitar introducir ruido de 60 Hz a la señal ECG. El acondicionamiento final para el monitoreo consiste en reducir el ancho de banda de la señal ECG utilizando amplificadores TL08 como filtros pasa bandas de segundo orden, con una frecuencia de corte alta de 0.05 Hz y una frecuencia de corte baja de 0 Hz con ganancia unitaria. De esta manera obtenemos finalmente la señal ECG que observaremos en el osciloscopio o en su caso digitalizar la imagen y mostrarla en una grafica de una PC. 11

12 EXPERIMENTOS Para efecto de pruebas se utilizó como paciente a una persona del sexo masculino de años (ver imágenes) en estado relajado. Utilizamos electrodos los cuales fueron conseguidos en el hospital CIMA. 1

13 RESULTADOS Las imágenes muestran las señales obtenidas del paciente obteniendo resultados satisfactorios con pequeñas observaciones de ruido de 60 Hz en la primera prueba debido a que utilizamos fuentes de voltaje del laboratorio. Para una segunda prueba se utilizó baterías teniendo mejores resultados. 13

14 PROBLEMAS DEL PROCESO DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN ECG Los problemas para el diseño y construcción de la tarjeta fueron en realidad pocos debido a la ardua investigación de cada uno de los integrantes del equipo para llevar a cabo este proyecto. Sin embargo se obtuvo señales de ruido de 60 Hz proporcionados por la fuente de voltaje en las primeras pruebas, sabiendo de antemano que sucedería eso ya que se diseñó para utilizar baterías de 9 v. Otro inconveniente fue que no se implementó la parte de aislamiento debido al costo del amplificador aislador. También la construcción del amplificador de instrumentación en lugar de utilizar el circuito integrado correspondiente, esto fue debido a la inexistencia del dispositivo en el mercado local. CONCLUSIONES Se construyó una tarjeta capaz de obtener una lectura satisfactoria de señal ECG de 3 electrodos (un canal). Puede ser ampliado a ser un multicanal capaz de registrar 1 electrodos. Para obtener resultados precisos y fiables la selección del lugar y la preparación son de gran importancia. De igual manera la elección de posición de los electrodos así como el estado del paciente permitirá tener mayor sensibilidad en la adquisición de la señal ECG El buen desempeño de los filtros es indispensable para que cualquier electrocardiógrafo arroje medidas confiables, esto debido a que el ruido característico de magnitudes tan pequeñas tiene frecuencias dañinas para las medidas. 1

15 REFERENCIAS abview.pdf 0.pdf 0_e.pdf