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Diseño de un Electrocardiograma...

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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA INSTRUMENTACION Y SENSORES

NRC: 4444

INFORME DE LABORATORIO No.1 TERCER PARCIAL TEMA: ECG

Profesor: Ing. Andrés Arcentales, PhD

INTEGRANTES: Luis Alvarez David Bravo Sebastián Gutiérrez Diana Sandoval

2018 - SANGOLQUÍ

Resumen En el cuerpo humano se genera una amplia variedad de señales eléctricas, muchas creadas por contracciones musculares, etc. Este proyecto tiene la finalidad de enfocarse en uno solo, en la del corazón, éste genera una gran cantidad de patrones bioeléctricos que son indispensables a la hora del estudio médico en un paciente, por lo cual, mediante el uso de conocimientos adquiridos en el semestre en la parte electrónica se procederá a ilustrar la señal, codificar y decodificar la señal que, para lograrlo, se necesitará tenerla lo más filtrada posible para ser visualizada y estudiada en un osciloscopio.

Abstract In the human body, a wide variety of electrical signals are generated, many created by muscle contractions, etc. This project aims to focus on only one, in the heart, it generates a large number of bioelectrical patterns that are essential at the time of medical study in a patient, so, by using knowledge acquired in the semester in the electronic part we will proceed to illustrate the signal, encode and decode the signal that, to achieve it, we will need to have it as filtered as possible to be visualized and studied in an oscilloscope.

INFROME ECG TEMA DISEÑO DE HARDWARE PARA LA OBTENCIÓN DE SEÑALES ECG OBJETIVO 1.- Diseñar el hardware para la obtención de señales ECG en base a la utilización del amplificador de instrumentación AD620 o INA 128. MARCO TEORICO El Sistema cardiovascular esta comprendido por el corazón y los vasos sanguíneos (arterias y venas) que tienen como función la conducción de sangre de ida y de vuelta a los diferentes tejidos y órganos del cuerpo. El corazón es funcionalmente una bomba muscular doble cuyas dos partes se encuentran vinculadas por la circulación pulmonar. La bomba derecha del corazón recibe la sangre desoxigenada a través de las venas cavas superior e inferior, la bomba izquierda expulsa la sangre oxifenada por la arteria aorta para su distribución en el cuerpo (Nigel,2000).

Figura 1. Estrucutra del corazón y trayecto de flujo sanguíneo Fuente: (Nigel,2000)

Actividad Eléctrica del corazón. - La actividad eléctrica del corazón se representa con un electrocardiograma el cual es una interpretación durante un periodo de tiempo particular a la actividad eléctrica del corazón. Los electrodos de detección están unidos en puntos particulares del cuerpo humano de manera no invasiva y la actividad eléctrica es detectada por el circuito de captura analógico del extremo frontal. La grabación producida por este procedimiento no invasivo se denomina electrocardiograma, esta señal representa la medida de la frecuencia y la regularidad de los latidos del corazón junto con la posición y el tamaño de las cámaras del corazón. También revela si hay daño en el corazón, los efectos de medicamentos o dispositivos implantados como marcapasos utilizados para regular el corazón, ya que a partir de la interpretación de la señal ECG, también se puede diagnosticar y medir la presencia de ritmos anormales del corazón producidos generalmente por daño grave al tejido conductivo que lleva desequilibrios electrolíticos o señales eléctricas (Tortora, 2006). Cada impulso cardiaco genera una corriente iónica que viaja desde el corazón hacia los tejidos ubicados alrededor, hasta los tejidos de superficie corporal. Estos potenciales eléctricos generados por estas corrientes mediante la colocación de electrodos superficiales en la piel (Betancourt & Yepez, 2018). El electrocardiogra, es un circuito basado en un amplificador operacional de instrumentación, que recibe la señal del corazón con la ayuda de electrodos colocados en la ubicación correcta dentro de la persona. Derivaciones del ECG Varias variantes de monitorización electrocardiográfica, estas registran la onda de excitación y los potenciales resultantes desde diferentes perspectivas. Existen derivaciones unipolares y bipolares. Existen 12 derivaciones 3 de los miembros

bipolares (de Einthoven), las 3 derivaciones de los miembros unipolares y los 6 de pecho unipolar conduce a Wilson (Chr,2012). Modificación de la derivada con respecto al EinthoVen La derivación reducida según Einthoven utiliza 3 electrodos adhesivos. Esta es utilizada debido a su fácil manejo, especialmente en operaciones de rescate. El potencial entre dos puntos de medición contra masa.

Figura 2 . Ubicación de los electrodos derivación de EinthonVen Fuente: (Tontora, 2011)

Figura 3. Señal Electrocardiograma corazón sano Fuente: (Chr, 2012)

Onda P: La onda P tiene una duración de máx. 0,1 segundos describe la excitación auricular que se induce por el nodo sinusal. La parte ascendente de PWelle

describe la contracción de la aurícula derecha, la parte descendente de la contracción de la aurícula izquierda[ CITATION Ton06 \l 12298 ]. Complejo QRS: El complejo QRS tiene una duración de máx. 0,1 segundos describe la cámara de excitación. La primera emoción negativa es la onda Q. En la fase I, la mayoría de los músculos del corazón se excitan, por lo que estas erupciones en el ECG pueden ser vistos como la ola más grande. La fase S se muestra cómo la excitación se lleva a cabo desde el vértice hasta la base de la derecha y el ventrículo izquierdo[ CITATION Ton06 \l 12298 ]. La onda T: La duración de la onda T es dependiente de la frecuencia cardíaca actual. En él se describe la repolarización (Repolisariation) del ventrículo y apuntando en la misma dirección a medida que la onda R. Perturbaciones en una Señal de ECG Una perturbación, es una señal indeseable que puede alterar la señal original de ECG. En el contexto de señales electrocardiográficas, se consideran: a. Interferencia de línea de potencia: Esta consiste en una señal de 60 Hz y sus armónicos, los cuales pueden ser modelados como sinusoides y combinaciones de sinusoides. Parámetros típicos: Amplitud - superior al 50% de la amplitud pico a pico del ECG. b. Ruido por contacto de electrodos: Es un ruido transitorio causado por las perdidas de contacto entre el electrodo y la piel, la cual efectivamente desconecta el sistema de medición del sujeto. Parámetros típicos: Frecuencia - 60Hz. Constante de tiempo - cerca de 1s [ CITATION Álv07 \l 12298 ].

c. Artefactos de movimiento: Estos son cambios transitorios en la señal ECG, causados por cambios en la impedancia electrodo-piel debido al movimiento del electrodo. La causa usual de los artefactos de movimiento son las vibraciones o movimientos del sujeto. Parámetros típicos: Duración - 100 ms a 500 ms. Amplitud 30% de la amplitud pico a pico del ECG [ CITATION Álv07 \l 12298 ]. d. Contracción muscular (electromiográfico, EMG): La línea base de electromiograma esta usualmente en el rango de los micro-voltios y por lo tanto es generalmente insignificante. Las señales resultantes de la contracción muscular pueden ser asumidas como quiebres transitorios. Este ruido se puede apreciar con toda claridad en el espectro de la señal. Parámetros típicos: Desviación estándar - 10% de la amplitud pico a pico del ECG. Duración - 50ms. Contenido de frecuencia DC - 10kHz [ CITATION Álv07 \l 12298 ].

Desarrollo Circuito proporcionado en datasheet del ad620A

El diseño utilizado para dicho circuito fue extraído en el DATASHEET AD620 ANALOG DEVICES pg. 15 la elección del amplificador operacional ad620 se basa en que es un integrado el cual posee una rápida respuesta y una buena calidad de respuesta para bajos valores de corriente y voltaje como se

Figura 4 Circuito propuesto en datasheet de AD620 Fuente:(DataSheet AD620, pag 15)

muestra en la siguiente tabla.

Para obtener una onda de salida sin ruido se deben aplicar distintos filtros para conseguir que esta mejore significativamente. Figura 5.Comparativa amplificadores de instrumentación

La señal de ECG de una persona sana podemos se la puede observar en la ilustración 5. La curva de ECG (normal) consiste en picos característicos y ondas descritas por las letras P, Q, R, S, T y U.

Figura 7. Señal del ECG con la aplicación de distintos filtros. Fuente: (Chr ,2012).

Ganancia del AD620 AV =

49.4 k +1 RG

AV =10.45 RG =

49.4 k =5.22k 10.45−1

Diseño ECG: Filtro Pasa Alto: La función de transferencia de un filtro pasa – bajo de segundo orden en configuración Sallen – Key con frecuencia de corde de 0.5 Hz es:

Figura 6. Simulación AD620 configuración para Electrocardiograma

Figura 8. Filtro Altos de Segundo Orden.

F ( s )=

ω c2 R1 R 2 C 1 C 2 s2

R1 =

1 2 = ω c a1 C π f c C a1

R2 =

a1 2 ωc b1 C

R 2=

a1 4 π f c b1C

Coeficientes Butterworth se

1+( ωc R 2( C 1+ C2) )∗s+ ( ωc2 R 1 R2 C1 C

tiene: Ajustando la ecuación para tenerla de la forma normalizada en la tabla: ∝ C +C +R C (1−∝) R2 ( 1 2 ) 1 2

A ( s)=

ωc R1 C1 C 2 s

1+

∗1 +

ω

Haciendo C 1 =C 2=C=22 [uF ]

∝=1+

R4 R3

Entonces para un alfa

R1 =

1 1 =20.46 k = π f c C a1 π∗0.5∗22∗10−6∗1.4142

∝=1 R1=20.46 [ K Ω]

Haciendo F ( s )=

a1=

C1 =C2=C 1

1 2 ∗1 2 ω R R C2 ω R C + c 1 22 1+ c 1 s s

1 2 b= ω c R1 C 1 ω c 2 R1 R2 C 2

Factores para encontrar las resistencias

R 2=

a1 1.4142 =10.23 k [ Ω ] = 4 π f c b 1 C 4 π∗0.5∗22∗10−6

R2=10.23 k [ Ω]

Figura 11. Filtro Pasa Bajos de Segundo Orden.

La función de transferencia de un filtro pasa – bajo de segundo orden Figura 9. Filtro Pasa Alto de Segundo Orden.

en configuración Sallen – Key es:

A ( s)=

A0 2 2 1+ ( ω c C 1 ( R1 + R2 ) )∗s+ ( ω c R1 R2 C1 C 2 )∗s

Si tenemos una ganancia 1 entonces A0=1 A ( s)=

Figura 10. Respuesta del Filtro Pasa Altos, con pendiente de -40dB.

Etapa de Filtrado pasa Bajos: Para la etapa de filtrado usaremos un filtro pasa bajos activo el cual estará diseñado a partir de una frecuencia de corte igual a

128[ Hz ]

para dicha etapa usaremos una configuración de múltiple feedback por lo cual tendremos :

1 1+ ( ω c C 1 ( R1 + R2 ) )∗s+ ( ω c2 R1 R2 C1 C 2 )∗s2

Comparando los coeficientes con la función de transferencia tenemos que: Arreglando los factores para encontrar las resistencias b1 ωc

=ω c C1 R1 R 2 C 2 a 1−ω c C1 R2=ωc C 1 R 1

b1 = ( a 1−ω c C1 R2 )∗ R 2 C 2 ωc

2

ω c C 1 C 2 R2 −a 1 C 2 R2 +

b1 =0 ωc

√

2

a1 C2 ± ( a1 C 2 ) −4 b1 C1 C2 R1,2= 4 π f c C1C2 Considerando que:

C2 ≥

4 b1 C 1 a12

Al unir estos dos filtros se obtiene un filtro Pasa Banda con frecuencias de corte en 0.5Hz y 128Hz. Figura 12. Coeficientes de Butterworth

Tomando los valores de: C1 =10 nF ; C2 =39 nF

Donde de acuerdo a la tabla y las relaciones de las ecuaciones tendremos como resultado: Etapa 1:C 1=10 nF ;C 2=39 nF ; R 1

Figura 15 Respuesta del Filtro Pasa Banda.

Filtro Notch: Es un filtro rechaza banda en configuración especial para poder elimnar la frecuencia de 60 Hz producidos por los componentes electrónicos. Figura 14. Filtro Pasa Alto de Segundo Orden.

Figura 13. Respuesta del Filtro Pasa Bajos, con pendiente de -40dB

Figura 18. Respuesta Filtro Notch

Etapa de Amplificación. - Dentro de esta etapa usaremos el siguiente circuito el cual a un amplificardor no inversor de ganancia 5.5-55 veces. Figura 16. Filtro Notch.

f c=

1 2 πCR

Para un capacitor de C=100[ nF ]

R=

1 =26.52 k Ω 2 π∗60∗100∗10−9 Figura 19. Etapa de amplificación de la señal

Offset y seguidor de tensión: Se aplica un offset de 1 V

Figura 17. Etapa de Filtro Notch

Figura 20. Etapa de aplicación

Resultados Adquirir 10 segundos de señal ECG de 2 personas, una en estado basal y otra después de un ejercicio forzado e identificar las ondas del ECG y estimar el ritmo cardiaco. Estado Basal Primer Persona (Luis Alvarez)

Segunda Persona (David Bravo)

Estado después de Ejercicio Forzado Primer Persona (Luis Alvarez)

Segunda Persona (David Bravo)

Conclusiones Recomendaciones 

Es sumamente importante realizar filtros activos para poder eliminar ruido proveniente del medio (luz, sistema eléctrico, etc.). Esto permitirá obtener una señal filtrada que carezca en su mayoría de ruido.



Determinar qué tipo de derivación es la adecuada para el diseño de ECG realizado, y así poder obtener una mejor señal de salida.



Realizar pruebas en distintos pacientes puesto que el comportamiento del corazón varía de acuerdo a la persona. Esto puede ayudar a encontrar mejoras para el diseño del ECG.

Bibliografía Álvarez, L., & Ricardo Henao. (2007). Ánalisis de Esquemas de Filtrado Análogo para Señales de ECG. Pereira : Universidad Tecnológica de Pereira. Betancourt Mediavilla, C. K., & Yépez Narváez, I. (2018). Diseño e Implementación de una plataforma multisensado para el monitoreo de sujetos sanos sometidos a un Test de inducción de Estrés-. Sangolqui: ESPE. Boylestad, R., & Nashelsky, L. (2009). Electrónica, Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos (Décima ed.). Prentice Hall. Chr, H. (2012). Desarrollo y Construcción de instrumentos para la Medición de Bioseñales. Wilhelms: Munster. Gerald, T. (2006). Principios de Anatomía y Fisiología. Mexico: Editorial Médica Panamericana. Malvino, P. (2000). Principios de Electrónica (Sexta ed.). Mc. Graw Hill. Palastanga, N. (2000). Anatomía y Movimiento Humano. Barcelona: Paídotribo.

Anexos

Estado después de Ejercicio Forzado...