DISEÑO DE UN SISTEMA ELECTRÓNICO PARA EL REGISTRO DEL CICLO CARDIACO EN EL HUMANO

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1 DISEÑO DE UN SISTEMA ELECTRÓNICO PARA EL REGISTRO DEL CICLO CARDIACO EN EL HUMANO Esteban RUIZ Sección de Bioelectrónica Departamento de Ingeniería Eléctrica, CINVESTAV IPN México D.F. C.P México Mario VÁZQUEZ Departamento de Fisiología, Facultad de Medicina UNAM México D.F. C.P México Axel ELÍAS Facultad de Filosofía y Letras UNAM México D.F. C.P México David ELÍAS Sección de Bioelectrónica Departamento de Ingeniería Eléctrica, CINVESTAV IPN México D.F. C.P México RESUMEN Se presenta el desarrollo de un sistema para el registro del ciclo cardiaco en seres humanos, se registran de manera simultánea: los sonidos cardiacos, un canal de electrocardiografía y el flujo de sangre con un fotopletismógrafo, con estas variables es posible explicar los eventos mecánicos y eléctricos que ocurren durante la sístole/diástole del corazón. La figura 1 muestra los diferentes eventos que ocurren durante el ciclo cardiaco. Palabras Claves: electrocardiografía, ciclo cardiaco, sonidos cardiacos, fotopletismografía, programación. 1. INTRODUCCIÓN El período comprendido entre el fin de una contracción del corazón y el fin de la siguiente se denomina ciclo cardíaco [1]. Cada ciclo se inicia por generación espontánea de un potencial de acción en el nodo seno auricular. El ciclo cardiaco consiste de un período de período de relajación llamado diástole seguido de un período de contracción llamado sístole. Figura 1. Eventos del ciclo cardiaco De las variables presentes en el ciclo cardíaco, es posible registrar de manera no invasiva, el electrocardiograma y los sonidos cardiacos, sin embargo, el registro de las demás variables (como el registro de la presión en la aorta o del volumen ventricular) implica métodos invasivos, tomando en cuanta que la onda de presión debida a la contracción del corazón es

2 transmitida a la periferia, (por ejemplo. la punta de los dedos) hay un pulso de aumento del volumen sanguíneo y que los tejidos y órganos cambian de volumen a medida que los vasos sanguíneos se dilatan o se contraen a medida que los pulsos de sangre pasan a lo largo de los vasos sanguíneos durante cada ciclo cardiaco, se decidió registrar el volumen de sangre en la punta de los dedos y con esto tener una señal más para poder explicar los eventos eléctricos y mecánicos que ocurren durante el ciclo cardíaco. 2. DESARROLLO El sistema está basado en dos módulos, un módulo para acondicionar las señales fisiológicas y un módulo para digitalizarlas, también se diseño un programa para la visualización y almacenamiento de las señales registradas. El módulo para acondicionar las señales que se van a registrar consiste en tres tarjetas electrónicas: electrocardiograma, sonidos cardiacos y el fotopletismógrafo. Diseño de la tarjeta de adquisición Se diseñó una tarjeta de adquisición utilizando un convertidor analógico a digital (ADC) ADS7800, éste convertidor tiene 12 bits de resolución y el rango de entrada es de ± 10V, la resolución de la tarjeta es de 4.88mV, el convertidor se conecta a una interfaz paralela programable (PPI) 8255, la cual está conectada a un multiplexor DG508 permitiendo registrar hasta 8 canales diferentes, la PPI también sirve para conectarse al puerto paralelo de una PC, en la figura 2 se muestra el diagrama a bloques de esta tarjeta. La frecuencia de muestreo se establece en el software desarrollado, el canal que se desea registrar también se establece en el programa. Figura 2.- Diagrama a bloques de la tarjeta de adquisición Diseño del electrocardiógrafo El electrocardiograma es el registro de la suma de las fluctuaciones de los potenciales de acción de las fibras miocárdicas durante el ciclo cardiaco [2], el registro de estos potenciales se hace en la superficie del cuerpo, generalmente en las extremidades. Para el registro de una derivación se requieren al menos dos electrodos, uno de referencia y dos electrodos activos, el nivel de amplificación de la señal depende de la tarjeta de adquisición (para éste caso ± 10V), tomando en cuenta que la máxima amplitud de la señal electrocardiográfica normal no es mayor de 4mV[1], se decidió amplificar la señal en un rango de entre 1000 y 2000 veces, el ancho de banda se estableció de 0.1 a 150 Hz. El diseño está basado en un amplificador de instrumentación INA128, éste permite que la razón de rechazo en modo común sea superior a 100 db a 60 Hz. cuando el factor de amplificación está establecido entre 10 y 100, siendo éste uno de los parámetros más importantes en el diseño del electrocardiógrafo [3], para establecer la ganancia de este amplificador se utilizó la Ec. (1) [5]. 50KW G = 1 + Ec.(1) R G Se estableció R G en 500 W, por lo que la ganancia de esa etapa es de 101. Para establecer la ganancia final se utilizaron dos etapas más de amplificación. El filtrado de la señal para establecer el ancho de banda requerido se

3 realizó con el filtro activo UAF42, para diseñar los filtros se utilizó el programa FILTER42 que provee el fabricante, se diseño un filtro pasa bajos con frecuencia de corte de 150 Hz. y un filtro de ranura con frecuencia central de 60 Hz. y ancho de banda de 4 Hz. Éste circuito debe estar aislado eléctricamente, para ello se utilizó el amplificador de aislamiento ISO124, la parte aislada del circuito es energizada con dos baterías recargables de 6 V. En la figura 3 se muestra el diagrama a bloques del circuito para el registro del electrocardiograma. campana de un estetoscopio para amplificar los sonidos primero de manera mecánica, la salida del micrófono es filtrada y amplificada. El ancho de banda se estableció de 10 a 100 Hz. se utilizó el filtro activo UAF42 y el programa mencionado anteriormente, además se utilizó un filtro de ranura con con frecuencia central de 60 Hz. y ancho de banda de 4 Hz, el nivel de amplificación varía entre 100 y 500, el circuito se alimenta con una fuente de ± 9V, en la figura 4 se muestra el diagrama a bloques para el circuito para el registro de los sonidos cardíacos. Figura 3.- Diagrama a bloques del electrocardiógrafo. Diseño para el registro de sonidos cardiacos Cuando los ventrículos se contraen, se escucha un sonido que es causado por el cierre de la válvula auriculo ventricular, la vibración es baja en frecuencia y relativamente larga y es conocida como el primer sonido cardíaco [1], dura alrededor de 0.15 segundos y tiene un ancho de banda de 25 a 45 Hz [2], cuando las válvulas pulmonar y aórtica se cierran, se escucha un chasquido relativamente rápido ya que dichas válvulas se cierran rápidamente lo cual provoca que los alrededores vibren por un periodo de tiempo corto, éste sonido se conoce como el segundo sonido cardíaco [1], dura alrededor de 0.12 a una frecuencia de 50 Hz. [2], en muchos individuos jóvenes normales se presenta un tercer sonido cardíaco alrededor de un tercio de la diástole [2]. Tomando en cuenta las frecuencias en las que se presentan los sonidos cardiacos, se escogió un micrófono electret cuyo ancho de banda fuera de 20Hz a 16 KHz. [4]. El micrófono se adaptó a la Figura 5.- Diagrama a bloques para el registro de los sonidos cardiacos. Diseño del fotopletismógrafo. El estudio de los cambios del volumen sanguíneo dentro de un órgano por medio de técnicas de desplazamiento de volumen, es conocido como pletismografía [2]. Un tipo de registro pletismográfico es el fotopletismógrafo, la luz puede ser transmitida a través de un capilar sanguíneo, a medida que las pulsaciones arteriales llenan el capilar, los cambios en el volumen de las venas modifican la absorción, reflexión y dispersión de la luz [3], un fotopletismógrafo utiliza un dispositivo que opera convirtiendo energía luminosa a energía eléctrica y éste es llamado transductor fotoeléctrico. El transductor fotoeléctrico funciona iluminado por el brillo de un rayo de luz a través de la piel y midiendo la cantidad de luz reflejada. La sangre absorbe la luz de una manera proporcional al volumen sanguíneo; mientras mayor sea el volumen, mayor será la absorción y viceversa. Para diseñar el fotopletismógrafo se utilizó un sensor óptico

4 reflectivo CNY70, el cuál está conformado por un led infrarrojo y un fototransistor, la distancia a la cual se refleja la luz está determinada por la cantidad de corriente que se haga pasar por el led infrarrojo y de la sensibilidad que se le de al fototransistor[6], la cual está determinada por una resistencia que se coloca en el colector del mismo, para el diseño se utilizó una corriente de 15mA en el led infrarrojo y la resistencia de colector para el fototransistor es de 33 KW, con estos componentes la distancia máxima que se registra es de 1 centímetro, por lo cual es posible registrar el flujo de sangre en la punta de los dedos. La salida del fototransistor se filtra para eliminar las componentes de DC, se utiliza un filtro pasivo pasa altos cuya frecuencia de corte es de 0.1 Hz, también se utiliza un filtro pasa bajos cuya frecuencia de corte es de 25 Hz. se utilizó el filtro activo UAF42 y el programa ya mencionado, la señal de salida del fototransistor tiene un factor de amplificación de 1000 a 5000 veces, en la figura 5 se muestra el diagrama a bloques del circuito del fotopletismógrafo. ocurre hasta que el usuario presiona un botón para detener el registro, una vez obtenidas las señales, éstas pueden superponerse entre sí para observar con más detalle las relaciones (por ejemplo los intervalos de tiempo, o la correspondencia de alguna de las ondas del ECG con los sonidos cardiacos, etc.) entre los eventos mecánicos y eléctricos del ciclo, estos registros se pueden guardar como archivos de texto o pueden ser almacenados como imágenes, también es posible medir el tiempo entre intervalos de las señales o amplificar alguna porción de las mismas. La frecuencia de muestreo es de 1 KHz., que es suficiente para el tipo de señales que se están registrando. En la figura 6 se muestra el diseño final de la interfaz gráfica, algunas de las opciones se pueden utilizar desde un menú contextual. Figura 6.- Diseño final de la interfaz gráfica de usuario Software Figura 5.- Diagrama a bloques del pletismógrafo Para poder visualizar los registros de las variables mencionadas, se desarrolló un software utilizando Visual BASIC 6.0 ä, consiste en una interfaz gráfica que permite entre otras funciones, iniciar o detener el registro de las señales. Al iniciar un registro se muestran 10 segundos de las señales mencionadas en una gráfica, luego la gráfica se borra y se muestran 10 segundos más, esto 3. PRUEBAS Se comprobó que cada una de las tarjetas se mantuviera en el ancho de banda y en los factores de amplificación para las cuales fueron diseñadas para ello se utilizó un generador de funciones marca Rigol modelo DG1011 y un osciloscopio marca Tektronix modelo TDS2004B, también se comprobó que la tarjeta de adquisición pudiera ser capaz de digitalizar señales dentro del ancho de banda de las señales que se iban a registrar. En la figura 7 se muestra una imagen de las tres señales registradas

5 Figura 7.- Ejemplo de un registro de las tres señales de interés. 4. CONCLUSIONES Es posible explicar los fenómenos eléctricos y mecánicos que ocurren durante el ciclo cardíaco registrando las tres señales mencionadas. El sistema diseñado permite registrar y almacenar dichas señales, el software desarrollado es de fácil utilización y permite obtener parámetros que 5. REFERENCIAS [1] Arthur C. Guyton, Textbook of medical physiology Guyton Sixth Edition, Philadelphia, W.B. Sanders [2] William F.Ganong, Fisiología Médica decimooctava edición es español, México D.F. El Manual Moderno 2002 [3] John G.Webster Medical Instrumentation Application And Design Third Edition, John Wiley And Sons, New York [4] John Eargle, The Microphone Book, Focal Press [5] Texas Instruments, Hoja de datos del amplificador de instrumentación INA128, Formato PDF, disponible en línea en: [6] VIshay Semiconductors, Hoja de datos del sensor óptico reflectivo CNY70, Formato PDF, disponible en línea en: