METODOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS DE UN ELECTROCARDIÓGRAFO

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1 METODOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS DE UN ELECTROCARDIÓGRAFO AUTORIA ROSARIO SALMORAL ORTIZ TEMÁTICA TECNOLOGÍA ETAPA BACHILLERATO Resumen En este artículo se estudia un circuito electrónico para captar las señales procedentes del corazón, este circuito va a permitir ampliar y profundizar en el análisis, en el campo de la electrónica analógica y la instrumentación, de modo que pueda resultar útil tanto desde el punto de vista didáctico, como del ámbito profesional, al que el alumnado se incorporará en un futuro próximo. Palabras clave ELECTROCARDIÓGRAFO AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN FILTROS SENSOR 1. LA MATERIA DE TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II 1.1. Relación de la materia de Tecnología Industrial II con los automatismos A lo largo del último siglo, la tecnología, entendida como el conjunto de actividades y conocimientos científicos y técnicos empleados por el ser humano para la construcción o elaboración de objetos, sistemas o entornos, con el objetivo de resolver problemas y satisfacer necesidades, individuales o colectivas, ha ido adquiriendo una importancia progresiva en la vida de las personas y en el funcionamiento de la sociedad. La formación de los ciudadanos requiere actualmente una atención específica a la adquisición de los conocimientos necesarios para tomar decisiones sobre el uso de objetos y procesos tecnológicos, resolver problemas relacionados con ellos y, en definitiva, utilizar los distintos materiales, procesos y objetos tecnológicos para aumentar la capacidad de actuar sobre el entorno y mejorar la calidad de vida.

2 Una de las características esenciales de la actividad tecnológica es su carácter integrador de diferentes disciplinas. Esta actividad requiere la conjugación de distintos elementos que provienen del conocimiento científico y de su aplicación técnica, pero también de carácter económico, estético Todo ello de manera integrada y con un referente disciplinar propio basado en un modo ordenado y metódico de intervenir en el entorno. Enmarcada dentro de las materias de modalidad de bachillerato, Tecnología Industrial II pretende fomentar aprendizajes y desarrollar capacidades que permitan tanto la comprensión de los objetos técnicos, como sus principios de funcionamiento, su utilización y manipulación. Para ello integra conocimientos que muestran el proceso tecnológico desde el estudio y viabilidad de un producto técnico, pasando por la elección y empleo de los distintos materiales con que se puede realizar para obtener un producto de calidad y económico. Se pretende la adquisición de conocimientos relativos a los medios y maquinarias necesarios, a los principios físicos de funcionamiento de la maquinaria empleada y al tipo de energía más idónea para un consumo mínimo, respetando el medio ambiente y obteniendo un máximo ahorro energético. Todo este proceso tecnológico queda integrado mediante el conocimiento de distintos dispositivos de control automático que, con ayuda del ordenador, facilitan el proceso productivo. La materia se imparte desarrollando diferentes bloques de contenidos con entidad propia cada uno de ellos. Estos contenidos se relacionan entre sí y se vinculan con otras materias en la observación de objetos y sistemas técnicos reales en los que se integran todos los conocimientos y principios físicos estudiados. Los contenidos de esta materia recogidos en los diferentes bloques no pueden entenderse separadamente. La importancia de los contenidos establecidos en los bloques de sistemas automáticos y control y programación de sistemas automáticos radica en la integración, a través de los mismos, del resto de contenidos vistos a lo largo del bachillerato Los objetivos de la materia de tecnología industrial ii relacionados con los automatismos Según el Real Decreto 1467/2007, de 2 de noviembre, por el que se establece la estructura del Bachillerato y se fijan sus enseñanzas mínimas en la LOE, la enseñanza de la Tecnología industrial II en el bachillerato tendrá como finalidad el desarrollo de las siguientes capacidades relacionadas con los sistemas automáticos: 1. Adquirir los conocimientos necesarios y emplear éstos y los adquiridos en otras áreas para la comprensión y análisis de máquinas y sistemas técnicos. 2. Comprender el papel de la energía en los procesos tecnológicos, sus distintas transformaciones y aplicaciones, adoptando actitudes de ahorro y valoración de la eficiencia energética. 3. Comprender y explicar cómo se organizan y desarrollan procesos tecnológicos concretos, identificar y describir las técnicas y los factores económicos y sociales que concurren en cada caso. Valorar la importancia de la investigación y desarrollo en la creación de nuevos productos y sistemas.

3 4. Analizar de forma sistemática aparatos y productos de la actividad técnica para explicar su funcionamiento, utilización y forma de control y evaluar su calidad. 5. Valorar críticamente, aplicando los conocimientos adquiridos, las repercusiones de la actividad tecnológica en la vida cotidiana y la calidad de vida, manifestando y argumentando sus ideas y opiniones. 6. Transmitir con precisión sus conocimientos e ideas sobre procesos o productos tecnológicos concretos y utilizar vocabulario, símbolos y formas de expresión apropiadas. 7. Actuar con autonomía, confianza y seguridad al inspeccionar, manipular e intervenir en máquinas, sistemas y procesos técnicos para comprender su funcionamiento. 2. METODOLOGÍA 2.1. Descripción del montaje Método de acondicionamiento de la señal Antes de nada hay que decir que la visualización de la señal que se quiere tomar es de muy baja tensión y susceptible de interferencias y de ruido. Por este motivo dichas señales se deben amplificar, aislar y filtrar para tener una correcta lectura de los puntos de interés. Se analizarán los diferentes problemas y soluciones de las señales de electrofisiología de la manera más simple posible. El modo de medida de las señales electrofisiológicas es de manera diferencial, ya que se registran como la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. La señal de ECG es muy susceptible a ser afectada por diferentes tipos de señales eléctricas, algunas de carácter externo al circuito de medida y otras de carácter interno. A las señales de origen interno ajenas a la señal de interés que son susceptibles a provocar un error en el sistema de medida se les denomina Ruido, e Interferencia a las señales con las mismas características que son de origen externo. Para eliminar el efecto de las fuentes de error se debe de tener un buen entendimiento de las mismas y la manera en que éstas afectan la señal a medir. Fuentes de ruido Las fuentes de ruido son - La fuente de alimentación: ruido provocado por desequilibrios en el transformador de la fuente de alimentación, acoples capacitivos entre el primario y el secundario. - Acoplamiento capacitivo interno entre diferentes componente. - Ruido de componentes: ruido térmico introducido por las resistencias del circuito, ruido de componentes propios. La elección de componentes de calidad en este circuito y un buen diseño disminuye en gran parte los efectos antes mencionados.

4 Las fuentes de interferencia son: - Acoplamiento capacitivo de la red, cables de medida y electrodos. - Acoplamiento capacitivo de la red al paciente. - Potencial de contacto: aparece una diferencia de potencial entre los electrodos y el paciente, el cual varía si se mueve el electrodo. - Potencial bioeléctrico: aparece como consecuencia del movimiento del paciente (masa muscular provoca interferencia). Reducción de ruido A continuación se presentan algunas de las posibles soluciones para minimizar los distintos efectos de interferencias antes nombrados y en el mismo orden en que fueron citados: - Utilización de cables blindados o apantallados, teniendo especial cuidado en al conexión del apantallamiento, ya que de lo contrario aparecerían capacidades parásitas mayores (entre la pantalla y el cable) a las que se desean eliminar. - Atenuar en el circuito amplificador la señal modo común que genera con el acople capacitivo de la red al paciente. Esto se realiza diseñando un amplificador que tenga baja ganancia a señales en modo común respecto de la ganancia de señales diferenciales (amplificador de instrumentación: INA101HP). - Mantener los electrodos lo más limpios posibles y se debe utilizar algún tipo de sustancia conductora para disminuir la resistencia eléctrica entre la piel y el electrodo (en este caso los electrodos son de un solo uso y además llevan una sustancia que disminuye esta resistencia). - El paciente se debe de mantener lo más quieto posible. Además de estas soluciones también se usan otras como el filtrado de la señal, para eliminar las frecuencias no deseadas, y el conductor de la pierna derecha, para eliminar el modo común generado por el cuerpo Diseño y construcción Amplificador de instrumentación (INA101) La elección o diseño del amplificador de entrada es tal vez la parte más crucial para poder plantear esta aplicación, es él quien tiene contacto directo con la señal y las principales fuentes de distorsión. Por esto se usa un amplificador de instrumentación (AI) pues éste, es un amplificador diferencial de tensión de precisión con un circuito optimizado para su trabajo en los ambientes más hostiles, caracterizados por las grandes fluctuaciones de temperatura e intenso ruido eléctrico. Además, este amplificador debe ser capaz de trabajar con sensores de resistencia interna apreciable y no simétrica, sobre los que el ruido eléctrico inducido y/o conducido tiene una gran influencia y, por si eso fuese poco ofrece señales eléctricas muy débiles.

5 Para ser efectivo un amplificador de instrumentación debe ser capaz de amplificar señales del orden de microvoltios y a la vez rechazar señales de modo común del orden de voltios, que es lo que se necesita, ya que la señal de entrada estará compuesta por la suma de dos señales, la señal diferencial (v d ) y la señal modo común (v cm ), las cuales serán amplificadas. Esto presupone que el amplificador debe tener un rechazo al modo común muy elevado CMRR a la vez que una gran ganancia diferencial A d. Ya que el CMRR determina cuánto la señal diferencial se amplifica respecto a la amplificación de la señal de modo común. Si el CMRR es grande, la señal de interés se amplificará mucho más que la señal de modo común. Por este motivo el amplificador que se va a utilizar tiene un CMRR de 95 a 105dB dependiendo de la ganancia que se elija. Respecto a ésta, la ganancia es la función de transferencia lineal del amplificador, es decir, el factor de amplificación de tensión del modo diferencial Ad. En este caso se 40kΩ puede ver que la ganancia que da el fabricante para el INA101 sigue la expresión G = 1+. Donde R G depende del diseño propio que se quiera realizar, para este caso la máxima ganancia que da este AI es de 1000 y será ésta la elegida, puesto que como se dijo antes la señal procedente del corazón es del orden de 1mV (señal diferencial) y esta señal es la que se necesita visualizar. Otra de las ventajas por las que se elige este amplificador es por su baja tensión de offset, máxima de 25μV, la cual se ajustará con un potenciómetro conectado a los pines correspondientes, para que sea la menor. Además, el amplificador de instrumentación va acompañado de un amplificador operacional de precisión (OP27GP) de bajo ruido, mediante una conexión de realimentación, la cual actúa como conductor de retorno de las corrientes de polarización del AI y por tanto se encarga de eliminar el modo común generado por el cuerpo. La conexión se realiza intercalando una resistencia que limita la corriente máxima que puede circular por el organismo, por este motivo la corriente debe ser inferior a 5μA. Por tanto, se tiene la señal bioeléctrica puesta a un punto de referencia con el electrodo conectado en la pierna, estando éste aislado de la masa del circuito de alimentación para impedir la posible circulación de corrientes elevadas. Al igual que el INA101 el OP27 tiene un offset máximo de 25μV, también ajustable. Filtros El UAF42 es un filtro programable que utiliza una arquitectura análoga clásica con un amplificador sumador más dos integradores. Esta arquitectura permite tener como parámetros de diseño la frecuencia natural f o y el factor de calidad Q los cuales con resistencias y condensadores externos se pueden obtener filtros paso-bajo, paso-alto, paso-banda y rechazo de banda. Filtro rechazo de banda Se emplea un filtro Notch, con factor de calidad Q = 6, de manera que se puedan atenuar las interferencias producidas por la red eléctrica (de 50Hz). El filtro Notch está compuesto por un filtro pasa- R G

6 banda de banda estrecha, de aquí su elevado Q, cuya señal de salida se suma a la señal original con su fase invertida, es decir que se resta. De esta manera se consigue un filtro Notch con una frecuencia de eliminación de 50Hz. Para llevar a cabo este filtro se utiliza un filtro programable mediante resistencias, el UAF42. Este filtro, está constituido por resistencias de precisión y potenciómetros multivuelta, efectuar la calibración y así obtener la mayor atenuación posible a la frecuencia deseada. para poder Filtro paso de banda Este filtro se va a diseñar al igual que antes con el integrado UAF42, para eliminar las frecuencias no deseadas, es decir, las frecuencias que no están entre los 0.1 y 100Hz. Dado que se saben las frecuencias de corte se va a calcular si se debe usar un filtro paso banda o dos filtros en cascada, uno paso-bajo y otro paso-alto. Esto se hace calculando el valor de Q, si este es mayor que uno se calcula el filtro paso banda mediante la célula de Rauch, pero si el valor de Q es menor o igual a uno se necesitarían esos dos filtros mencionados antes, el paso-bajo y el paso-alto. Como Q sale que es menor de uno se debe utilizar dos filtros UAF42 en cascada. Como lo que interesa es que la ganancia sea la unidad, con ésta y con la frecuencia de corte se calcula el valor de las resistencias necesarias para que el circuito funcione según las especificaciones propuestas. Debido al valor tan elevado de resistencia de R F que se obtiene en un primer intento se dejó como un circuito abierto, dado que como el valor de resistencia era grande por ese lugar no iba a circular corriente, pero comprobando el funcionamiento del filtro se observó que no trabajaba correctamente, porque por grande que fuese la resistencia siempre habría una pequeña corriente que circulara por ella para que el filtro atenuara a frecuencias menores de 0.1Hz. Por esto se optó por otro tipo de montaje, ya que la resistencia de mayor valor de la cual se disponía era de 10MΩ y se necesitarían muchas de éstas para llegar a los MΩ. Así pues, el nuevo montaje para el filtro paso-alta no es un integrado sino un amplificador operacional de precisión OP27 con sus resistencias y condensadores apropiados para este diseño. Este montaje simula un filtro paso-alto, como ya se ha dicho, Butterworth de segundo orden, con iguales condensadores, ganancia unidad y frecuencia 0.1Hz. Electrodos Los electrodos que se utilizan son de tres modelos diferentes. Además todos ellos llevan un gel que hace que la impedancia de la piel disminuya para que no afecte a la señal que se quiere medir.

7 Sensor A: Blue Sensor NF Sensor B: Philips Sensor C: Medi-Trace 200 Conexión de los electrodos: Como se puede observar en la figura anterior la entrada del amplificador de instrumentación es diferencial (patilla 12 y 3), por lo que de ahí saldrán los dos cables blindados que irán conectados a los dos electrodos, que a su vez se conectarán a cada brazo del paciente (brazo derecho: patilla 3 y brazo izquierdo: patilla 12). Y un tercer electrodo que como se dijo antes irá conectado, mediante otro cable blindado, desde la salida del operacional hasta la pierna derecha del paciente. Siendo la pantalla de este cable la que se conecta a la masa del circuito. Así el circuito final quedaría: Figura 1: Circuito del electrocardiógrafo Proceso experimental 1. Ajuste y calibración. Para poder verificar cada una de las partes del circuito se utiliza una señal sinusoidal de 100Hz y 50mV pico. 2. Se hace un primer ajuste de la ganancia a 100 puesto que con la señal que da el generador se satura la salida del AI con ganancia 1000, ya que esta señal (la del generador) es mayor que la que posteriormente generará el corazón. Así una vez comprobado el correcto funcionamiento del circuito la ganancia habría que ajustarla a Una vez ajustados los valores de resistencias deseados tanto del amplificador de instrumentación como del operacional de bajo ruido, se alimenta el circuito, se le aplica la tensión de 50mV pico a la

8 entrada del amplificador de instrumentación (patilla 3 y 12) y se ajusta el offset de los dos amplificadores mediante un potenciómetro multivuelta. 4. Se mide la tensión de salida el amplificador de instrumentación para comprobar su correcto funcionamiento al igual que se mide la del operacional. Una primera prueba se hizo solamente con el amplificador de instrumentación y el amplificador de bajo ruido, y se observó que la interferencia de red era muy grande por lo que se optó por colocar un filtro Notch que eliminara los 50Hz. 5. Se desconecta la alimentación y la señal del generador de funciones y a la salida del amplificador de instrumentación se coloca el filtro con los valores de resistencias previamente ajustados para eliminar el valor de frecuencia no deseado. 6. A continuación se procede a conectar los tres electrodos al circuito. El primer cable del electrodo se conecta a la patilla 3, el segundo a la patilla 12 y el último a la salida del amplificador operacional. Estos cables irán conectados los electrodos que a su vez se colocan de la siguiente manera en el cuerpo del paciente: Electrodo 1: mano derecha Electrodo 2: mano izquierda Electrodo 3: pie derecho Normalmente son 4 los electrodos que se colocan en el paciente pero en este caso son solo tres ya que el cuarto es el que hará de masa, pero éste no se coloca en el paciente sino que en el circuito (protoboard) existe un punto que es de masa común a todo el circuito y donde irán además las mallas del cable apantallado del tercer electrodo solamente, ya que se comprobó que al colocar las mallas de los otros dos electrodos se introducía más ruido, con lo que esto no era válido para el circuito, y conectando solo el tercer electrodo el ruido disminuía por lo que se dejó solo el apantallamiento del electrodo del pie derecho conectado a masa. 7. Para la medida de la señal, se mantiene el cuerpo flotante. Se conecta la alimentación de circuito, se pone la sonda del osciloscopio a la salida del filtro y se observa la forma de onda que produce el corazón. Estas figura son las señales de un ECG tomadas sin la conexión del filtro paso-bajo y paso-alto sólo con el filtro de eliminación de los 50Hz, y como se pude observar se distingue perfectamente todas las ondas y segmentos del electrocardiograma aunque el ruido es evidente. Las gráficas están tomadas con los sensores NF puesto que son con los que se obtuvieron mejores resultados. 8. A continuación se procede a conectar los filtros anteriormente diseñados y conectados en cascada a la salida del filtro notch. Y se procede a obtener el ECG. Primero se va a conectar el filtro paso-alto obteniendo la siguiente gráfica:

9 500mV/div 250ms/div Figura 2: Señal con filtro notch y paso-alto. Y por último se conecta el filtro paso-bajo y se completa así el circuito que se diseñó para la obtención de un electrocardiograma (figura 3 y 4) Figura 3: Señal con filtro notch, paso-alto y paso-bajo. Estas son las medidas obtenidas de la gráfica del electrocardiograma que como se puede comprobar están dentro de los valores de un electrocardiograma normal, teniendo en cuenta que los valores en voltios están multiplicados por mil debido a la ganancia del amplificador de instrumentación. - Segmento PR: 100ms - Segmento ST: 100ms - Complejo QRS: 75ms - Onda P: 100mV y 75ms - Onda T: 375mV y 125ms

10 Además de estos datos también se podría obtener las pulsaciones por minuto. Sabiendo que el periodo es de 800ms, en 60s se producen 75 pulsaciones. Todas estas gráficas corresponden a la señal del corazón de un varón de 23 años. 9. CONCLUSIONES GENERALES La elección del amplificador de instrumentación así como la etapa de filtrado son pasos muy importantes para poder eliminar al máximo el ruido que pueda existir.de hecho, sólo con el amplificador de instrumentación se conseguiría diferenciar todas las partes de la onda del ECG si no fuese por la interferencia tan elevada de la red, pero si se observa la figura siguiente (figura 4) con sólo conectando el filtro notch de eliminación de los 50Hz la onda del ECG se ve bastante bien aunque el ruido es evidente. La primera onda corresponde al ECG sin el filtro paso-bajo y paso-alto sólo con el filtro notch mientras que la segunda forma de onda corresponde al EGC final con toda la etapa de filtrado. 1V/div 250ms/div Figura 4: Comparación de las señales del corazón con y sin etapa de filtrado. En la siguiente gráfica la primera forma de onda de la figura corresponde a la salida del filtro paso-alto mientras que la segunda onda es la onda final del ECG. Como se puede observa la etapa de filtrado es también muy importante y a la vista están los resultados (figura 5). A la salida del filtro paso-alto el ruido ha disminuido comparado con la salida del notch y al conectar el último filtro, el filtro paso-bajo, se observa que el ruido disminuye aún más.

11 500mV/div 250ms/div 4. BIBLIOGRAFÍA Figura 5: Comparación de las señales del corazón con la etapa de filtrado. Aguayo, F. y Lama, J.R. (1998). Didáctica de la Tecnología. Editorial Tébar. Díaz Rodríguez, J. (1999). Introducción a la electrónica de medida I. Servicio de publicaciones de la Universidad de Alcalá de Henares. Materiales Curriculares para la Educación Postobligatoria del Bachillerato del Ministerio de Educación y Ciencia. En concreto, el Real Decreto 1467/2007, de 2 de noviembre, por el que se establece la estructura del Bachillerato y se fijan sus enseñanzas mínimas en la Ley Orgánica, 2/2006 de 3 de mayo, de Educación. Pérez García, Miguel (2004). Instrumentación electrónica. Editorial Thomson.

12 Autoría Autor: Rosario Salmoral Ortiz: