Fundamentacion_Teorica_para_el_Diseno_Co

Vista previa del material en texto

Fundamentación Teórica para el Diseño,
Construcción y Dimensionamiento de un
Electrocardiógrafo
Karla Calle1 ∗, Diego Mesías1, David Quimbiulco1 y Felipe Ron1
1Escuela de Mecatrónica, Universidad Internacional del Ecuador
∗Autor Principal/Corresponding author, e-mail:karlagracecalleromero@hotmail.com
Abstract— The electrocardiogram is a diagnostic test that assesses rhythm and cardiac function through a recording of the electrical activity
of the heart. The heart beats because electrical signals are emitted that are born from the right atrium and transmitted through specific pathways
that are distributed all over the heart, giving rise to the heartbeat. This electrical activity can be collected through electrodes that stick to the
skin and arms and legs.
Keywords—.........................KEY WORDS
Resumen— El electrocardiograma es una prueba diagnóstica que evalúa el ritmo y la función cardiaca a través de un registro de la
actividad eléctrica del corazón.El corazón late porque se emiten señales eléctricas que nacen de la aurícula derecha y se transmiten por unas
vías específicas que se distribuyen por todo el corazón, dando lugar al latido cardiaco. Esta actividad eléctrica se puede recoger a través de
unos electrodos que se pegan en la piel y en los brazos y piernas.
Palabras Clave—............................PALABRAS CLAVES
I. INTRODUCCIÓN
En este informe se presenta toda la implementación y con-
ceptos teóricos referentes a un electrocardiógrafo. El trabajo
en general consiste en amplificar la señal electrocardiográfica
mediante un amplificador de instrumentación, la elaboración
de filtros: pasa-altas y pasa-bajas.
Este documento contiene: un marco teórico sobre los actuales
avances, el montaje de los circuitos, señal obtenida, materiales
usados, diagrama de bloques del circuito.
A. ¿Qué es un Electrocardiógrafo?
Es un dispositivo electrónico que capta y amplía la actividad
eléctrica del corazón a través de electrodos.
El funcionamiento del electrocardiógrafo, como equipo de
diagnostico clínico, se basa en la instalación de una serie de
electrodos en la superficie de la piel del paciente a nivel de la
región toráxico. Estos electrodos permiten capturar la señal
electrocardiográfica generada por la actividad del músculo
cardiaco del paciente.
B. ¿Qué es un Electrocardiograma?
El registro de un electrocardiógrafo se denomina
electrocardiograma y es el registro continuo de impulsos
eléctricos del corazón, los cuales son generados por un
pequeño grupo de células conocidas como nodo sinusal.
Un electrocardiograma se emplea para medir:
Cualquier daño al corazón
Qué tan rápido está palpitando el corazón y si lo está
haciendo normalmente.
Los efectos de fármacos o dispositivos utilizados para
controlar el corazón (como un marcapasos)
El tamaño y la posición de las cámaras del corazón
C. Historia y Avances
Desde el siglo XVII se ha estudiado con los tejidos humanos
ya sea corazón, pulmón entre otros por medio de pruebas que
se han hecho en perros, ranas y hasta humanos. En 1811 a 1865
se demostró por medio del físico Carlo Matteucci que existe
una corriente eléctrica en un segmento dañado del musculo
llamado como corriente de lesión, esto provocó el interés de
otros científicos a comprobar dicha corriente.
En 1956 Heinrich Muller y Rudolph von Koelliker de-
mostró por medio de un galvanómetro en la base y
apice de un ventrículo lo ya expuesto pot Matteucci, ya
que este aparato no se había diseñado para este trabajo
Julius Bernstein mejoro el dispositivo llamado “reotomo
diferencial” con la diferencia de diseñar un marcador
eléctrico para la rapidez del mismo.
En 1878 se conoce los primeros nombres de las señales
llamado onda Q,R,S y T el cual describe cada acción que
realiza el corazón en un cierto periodo de tiempo.
Williem Einthove diferencia cinco ondas utilizando un
voltímetro mejorado y llamándose como onda P, Q, R, S
y T.
Finalmente en 1911 se introduce la primera máquina del
electrocardiograma diseñado por Einthoven distribuida
UIDE - 2017
por la compañía Cambridge Scientific Instruments de
Londres. La Fig.1 describe las ondas.
Fig. 1. Ondas P,Q,R,S,T [1]
Tras más de 100 años, el electrocardiógrafo de Eindhoven
continúa siendo parte fundamental en la medicina moderna. El
deseo de entender el funcionamiento del corazón nos ha hecho
buscar hasta en nuestra codificación genética, utilizando el
electrocardiograma como su intérprete. Al mirar hacia atrás en
la historia del electrocardiógrafo encontramos un instrumento
creado con el propósito de ayudar en el diagnóstico de ano-
malías cardiacas. De esta manera podemos responder a Lewis
diciendo igualmente que en realidad el electrocardiógrafo ha
hecho “demasiado por la medicina clínica”.
Electrocardiograma se ha vuelto indispensable para el diagnós-
tico de anomalías cardiacas. Es el procedimiento no invasivo
más utilizado para diagnosticar problemas relacionados con el
corazón.
Fisch enfatiza en su artículo que la gran demanda de electro-
cardiógrafos ha creado un déficit de personal experimentado
en la lectura del electrocardiograma y que los programas
de computadora se han convertido en una respuesta alterna
para la interpretación de los trazos. Independientemente de
ello, el estudio del electrocardiograma no se ha detenido y
se han seguido descubriendo nuevas aplicaciones. Algunas
de estas nuevas aplicaciones están ayudando no solamente al
diagnóstico de enfermedades cardiacas sino también a decidir
el manejo más apropiado.
Wellens y Gorgels establecen que, en caso de una oclusión
del árbol coronario, el electrocardiograma puede ser utilizado
para identificar el sitio de la misma y de esta forma ayudar al
médico a determinar el tipo de procedimiento de reperfusión;
Entre más próxima se encuentre la oclusión, más área cardiaca
comprometida habrá y esto se reflejará en los trazos.
Investigaciones recientes muestran que se pueden encontrar
mutaciones genéticas que dejan huellas específicas en el
electrocardiograma. La mayor parte de la actividad eléctrica y
los efectos de despolarización del corazón son influenciados
por canales de iones en las células musculares. La síntesis de
estos canales es controlada genéticamente.
Otras aplicaciones recientes para el electrocardiógrafo son el
reconocimiento de falla cardiaca, localización del origen y vía
de disrritmias cardiacas, reconocimiento de factores de riesgo
para muerte cardiaca súbita, enfermedad ateroesclerótica y
bloqueo Interatrial.
Tras más de 100 años, el electrocardiógrafo de Einthoven
continúa siendo parte fundamental en la medicina moderna.
El deseo de entender el funcionamiento del corazón nos ha
hecho buscar hasta en nuestra codificación genética,utilizando
el electrocardiograma como su intérprete.
Al mirar hacia atrás en la historia del electrocardiógrafo
encontramos un instrumento creado con el propósito de
ayudar en el diagnóstico de anomalías cardiacas. De esta
manera podemos responder a Lewis diciendo igualmente que
en realidad el electrocardiógrafo ha hecho “demasiado por la
medicina clínica”.
II. FUNDAMENTO TEÓRICO
A. Fundamento Biológico
Es un órgano hueco y musculoso del tamaño de un puño,
rodeado por el Pericardio, Situado entre los pulmones,
encerrado en el centro del pecho, dividido en cuatro
cavidades: dos Aurículas y dos Ventrículos. Básicamente
las cavidades derechas manejan el volumen y las cavidades
izquierdas manejan la presión. Para el diagnostico de un
Fig. 2. Pulsaciones por minuto del corazón [2]
electrocardiograma siempre se va a realizar una suma de las
ondas, esto quiere decir restar los valores negativos y sumar
los valores positivos con esto se puede decir que existen
tres tipos de ondas: ondas positivas, ondas negativas y ondas
isodifasica, ondas isoeléctricas.
Derivaciones
Se encuentran tres derivaciones:
Derivación unipolar
Son las que captan la diferencia de potencial en cada
extremo, es decir el brazo izquierdo, brazo derecho y
pierna izquierda
Derivación bipolar
Derivaciones precordiales
Las derivaciones bipolares son lasque captan ña diferencia de
potencial entre dos extremidades, Por ejemplo:
D1: Entre brazo izquierdo (+) y brazo derecho (-)
UIDE - 2017
D2: Entre pierna izquierdo (+) y brazo derecho (-)
D3: Entre pierna izquierdo (+) y brazo izquierdo (-)
Por el cual las más utilizadas son las derivaciones precor-
diales: Toman ese nombre por estar antes del precordio. Estas
derivaciones son 6 con una ubicación anatómica normal del
corazón o normo posición
V1: En la línea para esternal derecha y cuarto espacio
intercostal
V2: En la línea para esternal izquierda y cuarto espacio
intercostal
V3: Entre V2 y V4
V4: Línea media clavicular izquierda y quinto espacio
intercostal
V5: Línea axilar anterior y quinto espacio intercostal
V6: Línea axilar media y quinto espacio intercostal. Dentro
del hueco axilar La Fig. 3 y 4 describe.
Fig. 3. Posiciones de los sensores en el cuerpo [1]
Fig. 4. Posiciones de los sensores en el cuerpo [1]
Lectura del electrocardiograma
Para leer un electrocardiograma se necesita analizar 4 pa-
rámetros que son:
Análisis de las ondas electrocardiográficas
Diagnóstico del eje eléctrico
Diagnóstico de frecuencia cardiaca
Determinación del ritmo cardiaco
Papel del electrocardiograma
Este tipo de papel se valoriza la duración el voltaje en donde
va a estar contenido las ondas Duración Se lo lee de izquierda
a derecha, cada cuadrito tiene una duración de 0.04 segundos,
cada 5 cuadritos hay una línea más gruesa, esto indica que ya
han pasado 20 segundos desde que inicio la medición Voltaje
Por el otro lado el voltaje se lo grafica de abajo hacia arriba y
cada cuadrito vale 0.1 mV Por ende 10 cuadritos hacia arriba
equivale 1mV
B. Medición de señales
Análisis de ondas
Onda P Se produce por la despolarización de las aurículas
esto quiere decir que se despolariza la aurícula derecha y luego
la aurícula izquierda
Especificaciones:
Duración: 0.08-0.09 seg
Voltaje: 0.01-0.03mV
Eje: +-30 a +70 grados
Cuando crece la aurícula derecha la onda P aumenta en
voltaje y cuando crece la aurícula izquierda la onda P aumenta
en duración Complejo QRS
Fig. 5. Grafica de la Onda P [1]
Fig. 6. Grafica de las ondas Q,E,S [1]
Especificaciones:
El complejo QRS tiene una duración de 0.08 seg
Voltaje de R de 1mV
Onda T
UIDE - 2017
Fig. 7. Grafica de la Onda T [1]
Es la onda repolarización ventricular
Especificaciones:
Duracion:0.16-0.20 seg
Voltaje:0.2-0.6 mV
III. DISEÑOS DEL CIRCUITO A IMPLEMENTAR
Tras analizar cada una de las señales que se debe tomar de
una persona se la tiene que trabajar, pasando por algunas eta-
pas donde se implementa circuitos y componentes electrónicos
con el fin de tener la señal final de una manera amplificada y
limpia.
A continuación, se puede ver en la Figura 6 algunas etapas
para el circuito de un electrocardiógrafo, pero de manera
general se explica más adelante de 5 etapas de este circuito:
- Alimentación
- Transductores
- Pre-amplificación
- Filtración
- Amplificación
- Circuito de la pierna derecha
- Otros circuitos recomendables
Fig. 8. Etapas de un electrocardiógrafo
A. Alimentación
Tras analizar algunos circuitos realizados anteriormente y
comparar los elementos que han utilizado, se pudo ver que
la mejor opción para trabajar la alimentación es utilizar 2
circuitos conversores DC que se basan en el LM2596, puesto
que se puede alimentar con un voltaje de 4V a 40V y de
salida puede brindar un voltaje variable desde 1.3V a 35V.
además se escoge este componente puesto que brinda la
corriente suficiente para el buen funcionamiento de todo el
circuito.[3]
B. Transductores
Para esta ocasión el transductor que se utiliza son los
electrodos, puesto que son componentes que ayudan a tomar
las señales eléctricas del corazón, lo realiza por medio de una
transformación entre la señal iónica producida por el tejido
interior del cuerpo y la convierte en una señal eléctrica. Para
explicar de mejor manera, el cuerpo humano tiene electrolitos
los cuales son iones libres que al poner el electrodo en contacto
con la piel va a existir un intercambio iónico entonces se
podría decir que el electrodo es un metal conductor y su
circuito se lo puede representar como en la fig.
Existen varios tipos de electrodos, los cuales funcionan de
Fig. 9. : Circuito equivalente de la interfase de electrodo
para biopotencial
igual manera, su diferencia es la forma, donde se los puede
colocar o reducen el ruido en la señal tomada, por lo que
para el trabajo se tiene que analizar bien esa parte antes de
confirmar cual se va a utilizar.
C. Pre Amplificación
La amplificación en la parte eléctrica como su nombre lo
dice, ayuda a que una señal que es pequeña para trabajar, se
la hace más grande por medio de un circuito. Por lo tanto,
la señal tomada es medida de las derivaciones bipolares,
es decir, que la señal se toma de dos partes del cuerpo
donde se referencia de un potencial que casi siempre se lo
puede tomar de la pierna derecha o izquierda, pero lo más
recomendable es utilizar la pierna derecha., pero las señales
obtenidas sueles ser de amplitud muy baja y es aquí donde
entra la amplificación en el que existen algunos tipos de
amplificadores tales como:
1). Amplificador Operacional: El amplificador operacio-
nal es un dispositivo electronico el cual tiene 2 entradas y
una salida, por lo que esta alimentado por 2 diferencias de
potencial y cabe recalcar que todas las medidas se realizan
con amplificadores operacionales.
Puede contar con algunas configuraciones como retroalimen-
tacion negativa, positiva o sin retroalimentacion. Su funciona-
miento en retroalimentacion negativa es la mas usada porque
se estabiliza su salida con resistencias y asi se trabaja en
la region lineal.Sin retroalimentacion su funcion es como
UIDE - 2017
comparadoren tre la salida saturada con uno de los niveles
de alimentacion según las entradas.
2). Amplificador Diferencial: En este amplificador se pue-
de controlar la ganancia porque depende de 2 resistencias, y
se puede hacer que la ganancia sea variable como en la fig.
Pero para tomar estas señales se recomienda utilizar un
Fig. 10. Circuito de un amplificador operacional
amplificador de instrumentación por su alta impedancia y
rechazo del modo común alto, que se verá más adelante
3). Rechazo del Modo Común(CMRR): Cuando se tiene
2 entradas, una positiva y una negativa, y las 2 son iguales,
se supone que la salida debe ser cero, pero puesto que los
amplificadores operacionales no son ideales va a aparecer una
señal de salida muy pequeña, y el modo de rechazo común es
la media de rechazo a esa señal que se puede representar en
la siguiente ecuación donde lo que nos importa es la CMRR
alta.
4). Amplificador de Instrumentación: Un amplificador de
instrumentación es un amplificador que tiene las siguientes
características:
- Impedancias de entrada en modo diferencial y común extre-
madamente altas .
- Impedancia de salida muy baja.
- Ganancia exacta y estable, por lo general en el rango 1 V/V
a 103 V/V. - Razón de rechazo el modo común muy elevada.
Esto lo puede realizar también un amplificador diferencial
pero no cumple con todas las características, por lo que el
amplificador es el más utilizado para este tipo de trabajos.
D. Circuito de la Pierna Derecha
El circuito de la pierna derecha se usa para aumentar el
factor de rechazo al modo común. Si se analiza este circuito
lo que realmente hace es poner, de forma dinámica, el cuerpo
a un potencial que es el inverso del modo recogido por los
otros dos electrodos.
El esquema que se va a utilizar es el que se lo ve en la siguiente
figura.
E. Amplificación
Como la señal que sale de la pre amplificación sigue siendo
muy pequeña entonces se la amplifica de nuevo.
Según se ha investigado es recomendado utilizar un amplifica-
dor no inversor, que amplifica con una ganancia aproximada
de 148, lo cual es grande y podrá resultar una amplitud de la
señal entre 4 V.
Fig. 11. Circuito de la pierna derecha
F. Filtación
El filtrado es una etapa muy importante debido al ruido
presente en todo nuestro cuerpo.Este ruido de aproximado
de 50 Hz aparece por la producción y distribución de energía
eléctrica. Entonces lo que se realiza en esta etapa consiste
en un sistema en el cual entran señales, algunas frecuencias
son atenuadas y otras siguen iguales, teniendo un resultado de
una señal con mejor ruido. Para esto existen algunos tipos de
filtros:
1). Filtro Pasa Alto: Se ha realizado un filtro paso alto
para eliminar la componente de continua. Este ruido de
continua que aparece suele ser por debajo de 1Hz y es debido
al contacto entre electrodo-piel. Se ha realizado con una
resistencia y un condensador un filtro de primer orden.
2). Filtro Pasa Bajo: El filtro paso bajo permite sólo el
paso de frecuencias por debajo de una frecuencia en particular
llamada frecuencia de corte (Fc) y elimina las frecuencias por
encima de esta frecuencia.
3). Filtro Ranura: El filtro sirve para eliminar la compo-
nente de 50 Hz que ha sido un filtro pasivo elimina banda
Doble T. Se trata de un filtro ranura o un filtro Notch. Este
tipo de filtros eliminan un ancho de banda muy pequeño. Lo
ideal sería eliminar únicamente la componente de 50 Hz pero
con un filtro analógico, esto no se puede conseguir, debido a
las no linealidades de los componentes usados.
G. Otros circuitos recomendables
1). Sumador de tensión: Se coloca un sumador para elevar
la señal con una tensión de continua, ya que para trabajar con
algún software o microcontrolador, no puede adquirir señales
negativas. Para ello, polarizamos la señal con una componente
de continua antes de hacer la conversión con este circuito
2). División de tensión: También se recomienda añadir
dos divisores de tensión con potenciómetros en el circuito.
Uno para bajar la amplitud de la señal después de su y otro
para controlar la tensión de offset que sumamos a la señal.
UIDE - 2017
H. Circuito final
Tras investigar y ver algunos trabajos realizados, el circuito
en el que servirá de base para este trabajo será el de la
siguiente figura.
Fig. 12. Circuito de un electrocardiógrafo
IV. RESULTADOS
V. CONCLUSIONES
Conociendo las diferentes mediciones que se deben realizar
en los puntos correctos del cuerpo humano para poder obtener
las mediciones correctas de corazón y de esta manera elegir
el mejor circuito para poder amplificar los pequeños pulsos
eléctricos del corazón y dar una lectura veraz del funcio-
namiento del corazón, para ello el circuito de amplificación
podría ser el Amplificador de instrumentación por la razón de
que este elimina cualquier interferencia en las señales además
que permite trabajar con bajas medidas de intensidades y
voltajes.
REFERENCIAS
[1] M. Gaibor, El corazon .Aspectos fisiológicos y experimentaless", 1st ed.
Ecuador, EC: Ditoral Universitaria, 2014.
[2] Angela Aguayo and A. P. Lagos, “GUIA CLINICA
DE CONTROL DE SIGNOS VITALES,” Universidad Pedro
de Valdivia, vol. 1, p. 17, 2012. [Online]. Availa-
ble: http://academico.upv.cl/doctos/KINE-4068/ %7B328B1B37-2C2A-
4747-8B38-169806A27753 %7D/2012/S1/GUIA TECNICA DE CON-
TROL DE SIGNOS VITALES KINE.pdf
[3] F. J. ROBLEDO MIRANDA, “Diseño y construccion de un electro-
cardiografo de doce derivaciones y detector de pulsos cardiacos con
visualizacion de trazos en pc y dispositivo movil via bluetooth,” 2016.
UIDE - 2017