En el siguiente trabajo se
abordara de una manera sencilla y concreta las principales
consideraciones que se deben tener en cuenta en el momento de
realizar un diseño
de un electrocardiógrafo con amplificadores de
instrumentación, para lograr una
señal de salida aceptable y una pequeña
explicación de la misma.
El costo del
circuito que se propondrá será bastante
económico y su implementación se hará
inicialmente en protobard para realizar las pruebas
correspondientes y posteriormente pasara a un impreso.
El problema es la obtención
de la señal biológica eléctrica producida
por el corazón y
el tratamiento que se le debe dar por medio de algunos circuitos para
que sea una señal bastante confiable.
El principal objetivo
será obtener un sistema que
obtenga la señal con la menor interferencia y ruido para que
sea una replica confiable de la señal del
corazón.
Es el campo de la medicina
encargada del estudio del registro de la
actividad eléctrica cardiaca. Se muestra como una
línea delgada que presenta distintas inflexiones, que
corresponden a parámetros de información del estímulo
eléctrico del corazón. Dicho estímulo, es
originado por el nodo sinusal llegando hasta los
ventrículos a través del SEC(Sistema
específico de conducción). Éste, está
compuesto por el nodo sinusal, las vías de
conducción internodal e interauricular, el nodo
auricoventricular(AV), el haz de His, las dos ramas del haz de
His junto a sus divisiones y sus respectivas células de
Purkinje. En el momento en el que el estímulo llega a
dichas células es cuando se produce el acoplamiento de
excitación-contracción.
3.2 Adquisición señales
bioeléctricas.
El principal objetivo, es conseguir un
sistema con muy poco ruido, para la adquisición de la
señal electrocardiográfica. La presencia de ruido
en el registro de este tipo de señales, es
prácticamente inevitable. Ya sea por causas ajenas, o
propias del sistema. El
conocimiento acerca del ruido, y las causas que lo propician,
ayudarán al procesado y eliminación de éste.
En primer lugar, citamos el concepto de
ruido, que se define como una señal ajena a la
señal de estudio, provocando errores en el sistema de
medida. El termino interferencia, también es
utilizado en este documento, para referirse a las señales
externas a nuestro sistema, que pueden seguir una evolución temporal en el tiempo y
espacio. Podemos destacar: la red eléctrica; y
apartáramos como luces, fluorescentes, motores.
Destacamos, el problema que conlleva la amplitud tan
pequeña de las señales bioeléctricas. Los
potenciales bioeléctricos del ser humano son magnitudes
que varían con el tiempo. Los valores de
dicha medida pueden variar entre distintos individuos por
diversos factores. Por ejemplo, en un ECG la magnitud de un
paciente, puede variar entre 0'5mV-4mV, nivel estimado para el
ECG.
3.3 Señal del corazón
Esta señal nos servirá para
ver si la señal que estamos obteniendo si se parece a la
de la grafica 1.
Grafica 1.
- Problemas. En primer lugar, representamos la
fórmula que calcula el valor del
voltaje de interferencia:
2. Cálculo
del (Common Mode Rejection Ratio)
Como se observa, de ésta
última fórmula, el amplificador para nuestro
sistema debe tener una ganancia en modo común muy elevada.
Por tanto, el amplificador elegido debe cumplir con un elevado
rechazo al modo común descrito en las anteriores ecuaciones.
Eligiremos un Amplificador de instrumentación. El
término amplificador de instrumentación es
usado para denotar la elevada ganancia, acoplo-DC, un
amplificador diferencial con una única señal de
salida, alta impedancia, y un elevado CMRR. El amplificador de
instrumentación se utiliza para amplificar señales
de entradas muy diferentes y pequeñas, que provienen de
transductores, en los cuales podría haber una señal
o nivel alta de modo común.
Los requerimientos de diseño son los
siguientes:
- La señal de ECG tiene componentes relevantes
solo entre 0.05 hz y 150 hz - Los valores de
la señal en la piel oscilan
en pocos milivoltios (entre unos 0.5 y 10mV como
máximo).
– ganancia de aproximadamente 1000.
Con estos datos se
deberá saber que ancho de banda debe tener el circuito,
y la ganancia que este deberá presentar.
Otras consideraciones importantes:
- CMRR lo más alto posible.
- Resistencia de entrada de aproximadamente
2MW o superior para obtener un
acople de impedancias y no atenuar la señal.
Lo primero que tenemos que hacer es un diagrama de
bloques y después ir desglosando cada bloque. Un
electrocardiógrafo es un acondicionador de señales
y tiene la siguiente estructura
general:
4.1 transductor
Para la adquisición analógica, se ha
procedido del siguiente modo: tomamos la señal
electrocardiográfica del usuario a través de los
electrodos, y estos a su vez se encuentran conectados al circuito
a partir de cable apantallado que permite la eliminación
de ruidos, los electrodos que se utilizaran serán de los
de tipo superficial por su facilidad de manejo y economía. La
derivación que se utilizara será la siguiente: un
electrodo ira a la altura del corazón (encima) , el otro
electrodo ira en la parte derecha a la altura intercostal y un
ultimo electrodo que servirá como referencia y va a la
altura de la cintura en la parte izquierda. Ver figura
2.
Figura 2
4.2 Acople de impedancias y amplificador con
ganancia
Esta parte la haremos con un amplificador de
instrumentación ya que nos brinda una impedancia de
entrada infinita produciéndose el efecto del acople de
impedancias y por otro lado tiene un amplificador diferencial el
cual amplifica la diferencia de la señal proveniente de
los electrodos 1 y 2. El amplificador de instrumentación
se compone de tres amplificadores operacionales y tiene la
siguiente estructura (figura3):
Figura3. Amplificador de
instrumentación
Como las amplitudes de la señal eléctrica
del corazón van desde 1milivoltio a 5milivoltios la
ganancia de nuestro amplificador debe ser alta de 1000 como se
habia especificado en los requerimientos.
Ecuaciones del amplificador de
instrumentación.
Vo= salida del amplificador.
Va y Vb son las entradas al diferenciador.
Gd= es la ganancia del amplificador.
Necesitamos que Gd se ha de 1000 para conseguir esto
asumiremos;
Rg=1k ohmio.
R3=100k ohmio.
R2=10k ohmio.
Nos falta determinar el valor de R1 entonces:
R1= [(Gd*R2/R3 -1)*Rg]/2
R1=49,5 ohmios.
Ahora proseguiremos a la respectiva simulación
para verificar si no hubo errores en al calculo de la
ganancia.
Esquema amplificador de
instrumentación
Forma de onda a la salida del
amplificador de instrumentación
Como se esperaba el amplificador mostró en la
simulación que tiene una ganancia de 1000, se aplico un
milivoltio a la entrada y obtuvimos a la salida 1 voltio. Algo
que falto hablar es la alimentación del
circuito que fue de 12 y -12 voltios de esto hablaremos mas
adelante cuando hablemos del filtro rechazabanda de
60Hz.
4.3 filtro pasabajos y pasaaltos
Una de las partes mas importantes de un acondicionador
de señales es el filtrado el cual nos determinara el
ancho de banda del circuito. Como habíamos mencionado
anteriormente la señal de ECG tiene componentes
relevantes solo entre 0.05 hz y 150 hz por lo tanto nuestro
circuito solo debe dejar pasar las señales que se
encuentren en este rango.
- Utilizaremos un filtro pasabajos sencillo el cual
consta de una resistencia y un condensador y tiene la
siguiente configuración:
Filtro pasabajos
Para determinar la frecuencia de corte se tiene la
siguiente formula:
la frecuencia de corte es 150 hz, asumimos un
condensador de 1uf y de la formula despejamos R.
R=1/(150*2*pi*1uf) = 1061,03 ohmios
Grafica filtro pasabajos
- Utilizaremos un filtro pasaaltos sencillo el cual
consta de una resistencia y un condensador y tiene la
siguiente configuración:
Filtro pasaaltos
Para determinar la frecuencia de corte se tiene la
siguiente formula:
la frecuencia de corte es 0.05 hz, asumimos un
condensador de 1uf y de la formula despejamos R.
R=1/(0.05*2*pi*1uf) = 3,18 megohmios
Grafica filtro pasaaltos
Ahora procederemos a la simulación para
verificar que los cálculos estén bien
hechos:
Filtro pasabajos y pasaaltos
Grafica de salida de los filtros en función
de la frecuencia
Grafica de salida en función
del tiempo para una señal de 500hz y amplitud de 1
voltio
Vemos que los filtros están funcionando bien y ya
tenemos filtrada nuestra señal.
4.4 filtro rechazabanda
Cuando utilizamos fuentes de
poder que
están alimentadas por la red de 120 voltios a 60hz con las
cuales alimentaremos los operacionales esa frecuencia de 60 hz se
introduce dentro de nuestro sistema siendo una señal
indeseable. Tenemos que eliminarla por medio de un filtro
rechazabanda de 60 hz.
Pero si utilizamos baterías para alimentar los
operacionales no tenemos que realizar el filtro rechazabanda.
Para evitar esta la componente de 60hz utilizaremos
baterías y nos ahorramos el inconveniente de implementar
dicho filtro.
4.5 señal de salida
Una última consideración es que la
señal hasta este punto esta invertida por lo cual tenemos
que colocar un amplificador inversor de ganancia 1.Nuestro
esquema final queda de la siguiente manera:
Señal de salida para una
entrada de 1milivoltio a 50hz
- 4 amplificadores operacionales TL084.
- 11 resistencias con una potencia
de ¼ 4 de 1K, 2 de 49.5k, 2 de 10k, 2 de 100k y 1 de
3.1Megas - 2 condensadores de 1uf
- Batería de 6 a 12 voltios DC
- Osciloscopio
- Puntas atenuadas.
- Generador de ondas.
- Electrodos.
- Multímetro.
- Se hace imprescindible que los operacionales de
entrada que funcionan como buffers tengan un alto cmrr para
disminuir el ruido lo mas posible.
- El sistema se caracteriza por su bajo precio y
tiene la posibilidad de conectarse a un PC con una etapa extra
(ADC). - Se obtiene una señal
electrocardiográfica bastante limpia, permitiendo su
visualización a través de un osciloscopio. - La señal de ecg es muy susceptible y se hace
imprescindible filtrar la señal lo más que se
pueda. - Para la protección del usuario se
decidió utilizar baterías de 9 voltios y evitarse
el inconveniente de implementar un filtro
rechazanabda.
Fabián Peralta