Reporte ECG

Proyecto final:

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN

ELECTROCARDIGRAFO (ECG)

Profesor:

Ing. Jos Luis Rodrguez Prez

Alumnos: Hernndez Rodrguez Erick Giovani

Ulloa Trejo Franco

Ulloa Trejo Franco Hernndez Rodrguez Erick Giovani

Circuitos Integrados Analgicos Facultad de Ingeniera, UNAM

Electrocardigrafo

A. INTRODUCCIN

Un electrocardigrafo es un aparato elctrico empleado en el mbito sanitario capaz de captar y ampliar la actividad elctrica del corazn a travs de electrodos normalmente colocados en las extremidades y en las posiciones precordiales. En pacientes normales, el espectro de frecuencias de la seal electrocardiogrfica no posee componentes arriba de los 60Hz, por lo cual es adecuado un ancho de banda de entre 0.05 y 110-120Hz para un electrocardigrafo.

Empleando este instrumento biomdico se tiene la ventaja de realizar un procedimiento no invasivo, econmico y, adems, de ste se obtienen resultados inmediatos a travs de un grfico llamado electrocardiograma. Estas caractersticas convierten al electrocardigrafo en el principal instrumento de la electrofisiologa cardaca, a travs del cual se pueden detectar y diagnosticar enfermedades cardiovasculares, alteraciones metablicas e, incluso, una sbita muerte por algunas otras patologas del corazn.

B. MARCO TERICO

I. De la actividad elctrica del corazn

El corazn se compone de cuatro cmaras: aurcula izquierda, aurcula derecha, ventrculo izquierdo y ventrculo derecho. La aurcula derecha recibe la sangre venosa (sin oxgeno) del cuerpo y la enva al ventrculo derecho, el cual la bombea hacia los pulmones para que sta sea oxigenada. Posteriormente, la sangre pasa a la aurcula izquierda y se deriva al ventrculo izquierdo, lugar en donde se distribuye a todo el cuerpo para, finalmente, cerrar el ciclo cardaco regresando la sangre a la aurcula derecha.

Existe un sistema de estimulacin y conduccin elctrica que provoca la contraccin cclica y ordenada del corazn. Dicho sistema es autoexcitable y est compuesto por fibras de msculo cardaco especializadas en la transmisin de impulsos elctricos; de esta forma, aunque el corazn tiene inervacin por parte del sistema nervioso simptico, el primero contina latiendo an sin el estmulo del segundo (es por esto que un individuo no tiene control sobre los latidos de su corazn).

El sistema de conduccin se compone del Nodo Sinusal, Nodo Auriculoventricular, Haz de Hiss y las fibras de Purkinje. Se inicia con la despolarizacin cardaca y, a travs de estos componentes, ese impulso elctrico debe ser transmitido desde las aurculas hacia los ventrculos.



II. De las partes que integran un electrocardigrafo comercial

A continuacin se listan las partes principales que integran un electrocardigrafo comercial:

1. Amplificador de biopotenciales. Compuesto por un circuito de proteccin, seal de calibracin, preamplificador, circuito de aislamiento y amplificador manejados.

2. Circuito manejador de pierna derecha. Este circuito crea una tierra virtual para la pierna derecha del paciente, con el propsito de reducir los voltajes en modo comn. Dichos voltajes de modo comn, provocados por una corriente filtrada al paciente, son disminuidos al reducir la impedancia del electrodo de tierra.

3. Selector de derivaciones. Consiste en un arreglo de resistencias que obtiene el contenido de las seales de cada electrodo, ponderando la contribucin de cada uno por medio de resistencias y obteniendo, de esta manera, la derivacin de inters.

4. Sistema de memoria. Es necesario un convertidor analgico-digital para guardar la seal en una memoria para despus imprimirla.

5. Microcontrolador. Maneja todos los procedimientos llevados a cabo por el electrocardigrafo (Por ejemplo, el microcontrolador puede efectuar un anlisis en las ondas obtenidas para determinar frecuencia cardaca, patrones de cardiopatas, etc.).

6. Registrador. Proporciona un registro impreso de las seales detectadas.

C. DISEO

A grandes rasgos, el esquema de nuestro electrocardigrafo es el que se presenta a continuacin:

Amplificador de

Instrumentacin

Filtro Pasobajas

de 110 Hz

Filtro rechazo de

banda de 60 Hz

PACIENTE



I. Amplificador de instrumentacin

Clculos:

Dado que la amplitud de la seal cardiaca oscila entre 1 y 5 mV, decidimos dar una ganancia de 200 a nuestro amplificador de instrumentacin.

II. Filtro pasobajas fc=110Hz



Clculos:

III. Filtro rechazo de banda de 60Hz

Clculos:



IV. Etapa de compensacin de offset

D. ALAMBRADO Y PRUEBAS

El diagrama esquemtico completo de nuestro electrocardigrafo es el siguiente:

Por tanto, la lista de materiales necesarios para armar nuestro electrocardigrafo es la siguiente:

4 resistores de 12k 4 resistores de 1k 2 resistores de 4.7k 18 resistores de 10k 2 resistores de 6.8k 16 resistores de 10k 2 resistores de 2.2k 2 resistores de 330

Amplificador de instrumentacin

Filtro pasobajas

de 110Hz

Filtro rechazo de

banda de 60Hz

Seal de salida

Compensacin

de offset

1 potencimetro de 10k 6 capacitores de 220nF 4 amplificadores operacionales

TL082



I. Construccin del circuito prototipo

En la Facultad de Ingeniera de la UNAM el nico lugar disponible con los instrumentos necesarios (generador de funciones, fuente, multmetro y osciloscopio) para el armado de nuestro electrocardigrafo es el Laboratorio Abierto; as que asistimos en diversas ocasiones a este lugar.

El primer bloque que se prob fue el amplificador de instrumentacin al cual, mediante un divisor de voltaje, le insertamos un voltaje en el orden de los milivolts (mV). Satisfactoriamente, el amplificador hizo su funcin y aument la seal introducida hasta llegar al orden de los 0.1V.

Acto seguido, alambramos y probamos el filtro pasobajas de 110Hz junto con un seguidor de lnea, mismos que funcionan y empiezan a cortar aproximadamente a los 105Hz, lo cual consideramos aceptable.

Lo siguiente que hicimos fue probar, por separado, las dos etapas del filtro rechazo de banda de 60Hz, probando primero el filtro pasobajas de 50Hz:

Y a continuacin el filtro pasoaltas de 70Hz. Ambos filtros hicieron bien su funcin por separado:

Ya que todas las etapas fueron alambradas y probadas por separado, se procedi a juntarlas de acuerdo a nuestro diseo del electrocardigrafo, polarizando el circuito con un voltaje de 10V y juntando con la etapa de compensacin de offset.



Nos colocamos un electrodo en cada brazo y otro en la pierna derecha (el punto ms alejado del corazn) para hacer la referencia a tierra.

Al conectarnos como se indica en el diagrama, el despliegue grfico de la seal cardaca en el osciloscopio resulta como se presenta a continuacin:

Amplificador de

instrumentacin

Filtro pasobajas

de 110Hz Filtro rechazo de banda de 60Hz

Individuo

Seal de salida

Compensacin

de Offset



Como se puede apreciar, la onda PQRS es distinguible en el osciloscopio, por lo cual consideramos que el electrocardigrafo est funcionando correctamente.

II. Armado del circuito impreso en placa fenlica

Un circuito impreso, tarjeta de circuito impreso o PCB (del ingls Printed Circuit Board), es una superficie constituida por caminos o pistas de material conductor laminadas sobre una base no conductora. El circuito impreso se utiliza para conectar elctricamente a travs de los caminos conductores, y sostener mecnicamente por medio de la base, un conjunto de componentes electrnicos. Los caminos son generalmente de cobre mientras que la base se fabrica de resinas de fibra de vidrio reforzada, cermica, plstico, tefln o polmeros como la baquelita.

Para disear PCB utilizamos el software PCB Wizard Professional Edition de forma tal que fuera igual a nuestro diagrama esquemtico.

Al imprimir el PCB en hojas de acetato realizamos el planchado del mismo sobre una placa fenlica de 10x15cm, quedando de la siguiente forma:



Lo siguiente fue introducir la placa al cido frrico por aproximadamente 15 minutos mientras la movamos para que el cido fluyera. Luego removimos lo que quedaba de tinta con acetona y soldamos los componentes:

E. CONVERSIN ANALGICA DIGITAL Y DESPLIEGUE GRFICO

La digitalizacin o conversin analgica digital (conversin A/D) consiste bsicamente en realizar de forma peridica medidas de la amplitud de una seal; por ejemplo, la seal proveniente de un micrfono (si se trata de registrar sonidos), de un sismgrafo (si se trata de registrar vibraciones) o de una sonda de un osciloscopio para cualquier nivel variable de voltaje que sea de inters. Adems, se debe redondear sus valores a un conjunto finito de niveles preestablecidos de voltaje (conocidos como niveles de cuantificacin) y registrarlos como nmeros enteros en cualquier tipo de memoria o soporte. La conversin A/D tambin es conocida por el acrnimo ingls ADC (analogue to digital converter).

Existen cuatro procesos que intervienen en todo proceso de conversin analgico digital:

1) Muestreo: Consiste en tomar muestras peridicas de la amplitud de onda. La velocidad con que se toma esta muestra (el nmero de muestras por segundo) es lo que se conoce como frecuencia de muestreo.

2) Retencin. Las muestras tomadas han de ser retenidas por un circuito el tiempo suficiente para permitir evaluar su nivel (cuantificacin). Desde el punto de vista matemtico este proceso no se contempla, ya que se trata de un recurso tcnico debido a limitaciones prcticas y carece, por tanto, de modelo matemtico.

3) Cuantificacin. Se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras asignando un margen de valor de una seal analizada a un nico nivel de salida. Incluso en su versin ideal se aade, como resultado, una seal indeseada a la seal de entrada conocida como el ruido de cuantificacin.

4) Codificacin. Consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificacin al cdigo binario. Hay que tener presente que el cdigo binario es el ms utilizado, aunque tambin existen otros tipos de cdigos que son utilizados en menor grado.

Durante el muestreo y la retencin la seal an es analgica puesto que an puede tomar cualquier valor. No obstante, a partir de la cuantificacin (cuando la seal ya toma valores finitos) la seal ya es digital. La mayora de los convertidores analgico digitales se implementan como circuitos integrados y muestrean entre 6 a 24 bits de resolucin, produciendo menos de 1,000,000 de muestras por segundo.

Vista por debajo Vista por arriba



I. Arduino ATmega328P

Arduino es un hardware libre basado en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo que facilita el uso de la electrnica en diversos proyectos multidisciplinarios. Dicho hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel y puertos de entrada y salida. Entre los ms usados podemos mencionar al ATmega328P, que destaca por su sencillez y bajo costo, mismas caractersticas que permiten el desarrollo de mltiples diseos.

Las principales caractersticas del Arduino ATmega328P se tabulan a continuacin:

Voltaje de operacin 5 V

Pines de entrada y salida digital 14

Pines de entrada analgica 6

Intensidad de corriente 40 mA

Memoria flash 32KB

EEPROM 1 KB

Frecuencia de reloj 16 MHz

II. Despliegue grfico

El software de desarrollo grfico LabVIEW de National Instruments nos ayuda a desarrollar, depurar y desplegar sistemas distribuidos en tiempo real. Utilizando LabVIEW se pueden desarrollar aplicaciones confiables y determinsticas que pueda desplegar a una variedad de objetivos de hardware escalables. As mismo, este software nos permite la adquisicin de datos provenientes de distintos hardwares, lo cual es justo lo que necesitamos para hacer la adquisicin de datos proveniente del electrocardigrafo.

El programa diseado est compuesto por mdulos principales son utilizados para manejar la base de datos y controlar el hardware, mientras que los mdulos auxiliares generan las acciones que complementan el control sobre la secuencia de trabajo. ste nos permite desplegar en la pantalla de nuestra computadora la seal cardaca proveniente del electrocardigrafo que fue transmitida por comunicacin serial a 4800 bauds, que es convertida de cadena de datos a nmeros enteros de entre 0 y 5 V con una resolucin de 8 bits y desplegada en forma de osciloscopio.



La interfaz diseada es la que presentamos a continuacin:

El diagrama de bloques de la interfaz es la siguiente:



Y la seal cardiaca vista en la interfaz de la computadora es la siguiente:

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