electrocardiografo para pc

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El Electrocardiógrafo es un dispositivo que per-mite el registro del voltaje y la dirección de laactividad eléctrica durante la despolarización yla repolarización de las células del músculo car-díaco. Estas son representadas gráficamentepor un Electrocardiograma (ECG), respecto altiempo. Normalmente, la activación eléctrica delas células o “despolarización” estimula la con-tracción del miocardio. La “repolarización” orestauración del potencial eléctrico de las célu-las se produce hacia el final de la contraccióncardíaca. Mediante electrodos fijados a la pieldel paciente, sirven como las terminales posi-tiva y negativa de un sistema de derivaciónusado para medir la actividad eléctrica durantetodo el ciclo cardíaco. Una onda eléctrica quese desplace hacia el electrodo positivo se regis-trará como una deflexión positiva en el ECG,mientras que una onda eléctrica que se des-

place alejándose del electrodo se registrarácomo una deflexión negativa. En general loselectrocardiógrafos son equipos caros y tantolos estudiantes, como los médicos recién reci-bidos y los técnicos dedicados a la electrome-dicina no cuentan con los recursos que les per-mita poseer estos aparatos de alta tecnología.

Utilizando una placa de adquisición dotada deun amplificador diferencia para instrumentacióny filtros que permitan manejar solamente lasseñales referentes del corazón y mediante elempleo del osciloscopio para PC publicado enSaber Electrónica Nº 241 puede construir unelectrocardiógrafo portátil para primeros auxi-lios e investigación, utilizando cualquier compu-tadora para obtener la iterfaz gráfica y un pro-grama que permite almacenar e imprimir laseñal obtenida.

AA RTÍCULRTÍCUL OO DEDE PP ORTORTADAADA

ELECTROCARDIÓGRAFO

PARA PCAUTOR: ING. HORACIO D. VALLEJO

Art Port - Electrocar.qxd 10/14/11 12:35 PM Página 5

altura del corazón. La combinación de los diferentesimpulsos que se producen es recogido por sensoreslocalizados al final de los electrodos y que son inter-pretados por medio de la señal que se envía y gráficaen el tiempo “real”, lo que da como resultado un ECG.

La interpretación adecuada del trazado electrocardio-gráfico permite el diagnóstico de los trastornos cardí-acos.

LA TEORÍA DEL DIPOLO

La actividad eléctrica del corazón se realiza en talforma que las ondas que recorren el músculo cardíacopositivizan las regiones hacia las cuales se acercan yvan negativizando las zonas de las cuales se alejan.Esto equivale a decir que la onda de activación sepuede representar como un dipolo:

(Negativo) –––––––––––> (Positivo)

Tal es el concepto que se aplica tanto a una célula ais-lada como al corazón. Cuando una célula se encuen-tra en reposo tiene cargas negativas en su interior ycargas positivas sobre la membrana que la cubre.

Un electrodo que registrara los fenómenos eléctricosen uno de los extremos del exterior de una célula enreposo, daría como gráfica una línea horizontal. Siesta célula fuese activada, por medio de un estímulo,habría que representar la onda de activación como undipolo con su polo positivo en la parte anterior (sen-tido en el que se aloja el dipolo). El electrodo recoge-ría los efectos del dipolo de activación y daría lugar auna gráfica de dirección hacia arriba (positiva) que vaaumentando en altura o voltaje conforme el dipolo seacerca al electrodo. El vértice de este trazo coincidirácon la llegada de la onda de activación al extremo dela célula, es decir, al electrodo. El descenso del trazocorrespondería a la disminución rápida de los efectosdel dipolo de activación sobre el electrodo.

La célula que dejó su estado de reposo, lo recuperagracias a la onda de recuperación, que se producecon el dipolo de recuperación. Este dipolo viaja en elmismo sentido sólo que con su polo negativo pordelante. La recuperación es más lenta, por lo que eltrazo es de morfología distinta y de inscripción máslenta. Tiene dirección inversa a la del trazo de activa-ción. El proceso de repolarización y despolarizaciónse muestra en la figura 1.

A continuación listamos algunas de las enfermedadesdel corazón que pueden ser detectadas y/o diagnosti-cadas mediante un electrocardiograma

INTRODUCCIÓN

El ECG es un recurso importante para el diagnósticode arritmias cardíacas, en la valoración de la res-puesta a tratamiento y en proporcionar informaciónrelativa a algunos procesos fisiológicos y/o patológi-cos que afectan al corazón.

El corazón podría considerarse como una bombaelectromecánica; es decir, un sistema que genera enforma automática el impulso cardíaco y lo transmite atodas las células de trabajo, denominadas miocitos, yéstas, con su contracción o acortamiento impulsan lasangre para que se distribuya por todo el organismo.

El electrocardiógrafo nos permite visualizar la activi-dad eléctrica del músculo cardíaco por medio de elec-trodos, los cuales captan las diferencias de potencialque ocurren en cada uno de los latidos. Tiene comoaplicación el campo de la investigación biomédica queaporta sus resultados al diagnóstico y prevención deenfermedades cardiovasculares.

La electrocardiografía es el campo de la medicinaencargada del estudio del registro de la actividad eléc-trica cardiaca. Se muestra como una línea delgadaque presenta distintas inflexiones, que correspondena parámetros de información del estímulo eléctrico delcorazón. Dicho estímulo, es originado por el nodosinusal llegando hasta los ventrículos a través delSEC (Sistema específico de conducción). Éste, estácompuesto por el nodo sinusal, las vías de conduccióninternodal e interauricular, el nodo auricoventricular(AV), el haz de His, las dos ramas del haz de His juntoa sus divisiones y sus respectivas células de Purkinje.En el momento en que el estímulo llega a dichas célu-las es cuando se produce el acoplamiento de excita-ción-contracción. Más adelante retomaremos estetema.

Un electrocardiógrafo mide las diferencias de poten-cial existentes en la superficie del organismo. Duranteel proceso de activación del corazón se crean diferen-cias de potencial y a través de los electrodos fluye unacorriente eléctrica.

Un electrocardiograma (ECG) es la visualización delas corrientes eléctricas que se producen en el mús-culo cardíaco durante cada latido. Estas corrientes seregistran mediante un dispositivo electrónico emple-ado en el campo de la medicina, que se conoce comoelectrocardiógrafo.

Un electrocardiógrafo básico está compuesto de unpar de electrodos, los cuales son unas pequeñas lámi-nas metálicas, que se colocan en el antebrazo y en laspiernas del paciente, y otro más cerca del pecho a la

Artículo de Portada

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Hipertrofia ventricular derechaHipertrofia ventricular izquierdaBloqueos de ramaBloqueo de rama derechaBloqueo de rama izquierdaCardiopatía isquémicaIsquemia subendocárdicaIsquemia subepicárdicaInfarto subendocárdicoInfarto transmuralArritmias cardíacas

Listamos a continuación la cla-sificación de arritmias:

1. Hiperactivas2. Extrasístoles3. Parasístoles4. Taquicardias5. Flutteres6. Fibrilaciones7. Hipoactivas8. Impulsos y ritmos de escape9. Bradicardia sinusal10. Bloqueos

El estudio de un enfermo y desu enfermedad, tiene como unade sus metas, conocer el grado en el que el pacientese encuentra alejado de la normalidad en sus funcio-nes físicas; mientras más enfermo se encuentre, máslejos de la normalidad se halla.

Cuando el corazón deja de funcionar correctamente,la consecuencia para el individuo enfermo es la dismi-nución de su capacidad de realizar esfuerzos físicos yla aparición de numerosos síntomas directamentederivados de esta incapacidad, atribuibles a que elcorazón ha perdido en mayor o menor grado su ener-gía vital, con las consecuencias que lo anterior tieneen todo el organismo, y en particular, en ciertos siste-mas o en ciertos órganos.

ADQUISICIÓN DE LAS SEÑALES ELÉCTRICAS

RELACIONADAS CON LA ACTIVIDAD DEL CORAZÓN

Con la ayuda de un ECG se realizan las muestras delas señales eléctricas que emite el corazón.

El electrocardiógrafo consta de un sistema de conver-sión de señal, un sistema de amplificación y otro deregistro. Los equipos con sistemas de registro mecá-nico emplean un galvanómetro pero en la actualidad elregistro se realiza en una pantalla, la señal resultantese almacena en formato digital y se la puede imprimir

o guardar para futuros estu-dios.

Las contracciones rítmicas delcorazón están controladas poruna serie ordenada de descar-gas eléctricas que se originanen el nodo sinusal de la aurí-cula derecha y se propagan alos ventrículos a través delnodo aurículoventricular y delhaz de His (un haz de fibrasneuromusculares).

Mediante electrodos aplicadosen varias regiones del cuerpose puede obtener, tras amplifi-carlas, un registro de estasdescargas eléctricas (transmiti-das por los tejidos corporalesdesde el corazón hasta la piel).

Este registro se llama electro-cardiograma (ECG). La agujadel galvanómetro sólo se des-plaza hacia arriba o haciaabajo. Cuando la corrienteeléctrica que está registrando

un electrodo va en la dirección del mismo, lo que seregistra en el electrocardiograma es una onda posi-tiva, es decir un desplazamiento de la aguja del gal-vanómetro hacia arriba; por el contrario, si lo que estáregistrando el electrodo es una corriente eléctrica quese aleja de él, lo que se obtendrá en el registro es unaonda negativa, por el trazado que origina la aguja delgalvanómetro al desplazarse hacia abajo.

EL ELECTROCARDIOGRAMA

El EGC es un registro compuesto por diferencias depotencial, que se interpretan a manera de impulsoseléctricos producidos entre varios puntos de la super-ficie del paciente, generados por polarizaciones eléc-tricas resultantes de la actividad química celular.

Durante cada ciclo cardíaco, se genera un registroelectrocardiográfico en el que se observa como segenera una serie de ondas, llamadas comúnmentedeflexiones.

En el electrocardiograma, el eje de las ordenadasrepresenta la magnitud del potencial o el voltaje quese está produciendo a cada momento durante el latidocardíaco; por su parte, en el eje de las abscisas serepresenta el tiempo. Cabe señalar que se conoce


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Figura 1 - Esquema que representa loseventos que tienen lugar en la despola-

rización y repolarización de la célula.


como polarización al resultado de cambiar lascargas de los electrones de lugar cambiando lapolaridad de la célula que un lado se vuelve posi-tiva y del otro negativa.

Por su parte, la despolarización es el proceso derestaurar las cargas de la célula haciéndolas quese vuelvan neutras.

En la gráfica de la figura 2 se presentan las defi-niciones básicas de los segmentos que confor-man un electrocardiograma.

ONDA P: En condiciones normales, es la pri-mera marca reconocible en el ECG. Representala despolarización de ambas aurículas, su dura-ción es menor de 100 ms y su voltaje no excedelos 5,5mV.

INTERVALO PR: Es el período de inactividadeléctrica, corresponde al retraso fisiológico quesufre el estímulo en el nodo arterioventricular. Su


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Figura 2. Diagrama de un pulso de corazón(complejo PQRST).

Figura 4 - Diagrama en bloques para un electrocardiógrafo sencillo.

Figura 3 - Señal eléctrica correspondiente a un electrocardiograma obtenida en una PC con un sis-tema de adquisición de datos.


duración debe estar comprendida entre 120 y 200 ms

COMPLEJO QRS: Representa la despolarización deambos ventrículos. Su duración debe estar compren-dida entre los 80 y 100 ms.

SEGMENTO ST: Desde el final del QRS hasta el ini-cio de la onda T.

ONDA T: Corresponde a la repolarización ventricular,apareciendo al final del segmento ST.

INTERVALO QT: Comprende desde el inicio del QRShasta el final de la onda T y representa la despolari-zación ventricular. Su duración estará comprendidaentre los 320 y 400 ms.

Las principales partes de un ECG son:

La onda P, una onda más o menos sinusoidal querefleja la descarga eléctrica que se origina y propagapor las aurículas;

El complejo QRS, que muestra el paso de la ondaeléctrica a los ventrículos y la activación de éstos; y

La onda T, señal de la repolarización de los ventrícu-los.

El electrocardiograma es extremadamente útil para eldiagnóstico y control de las arritmias cardíacas, de laangina de pecho y del infarto agudo de miocardio.

NUESTRO OBJETIVO

Construir un circuito que pueda ser empleado juntocon un osciloscopio digital o con una PC para obtenerlas gráficas correspondientes a un electrocardio-grama, las que tendrán una imagen como la de lafigura 3.

El principal objetivo, es conseguir un sistema con muypoco ruido, para la adquisición de la señal electrocar-diográfica.

La presencia de ruido en el registro de este tipo deseñales, es prácticamente inevitable. Ya sea por cau-sas ajenas, o propias del sistema. El conocimientoacerca del ruido, y las causas que lo propician, ayu-darán al procesado y eliminación de éste. En primerlugar, citamos el concepto de ruido, que se definecomo una señal ajena a la señal de estudio, provo-cando errores en el sistema de medida.

El término interferencia, también es utilizado en estedocumento, para referirse a las señales externas a

nuestro sistema, que pueden seguir una evolucióntemporal en el tiempo y espacio. Podemos destacar:la red eléctrica; y apartáramos como luces, fluores-centes, motores. Destacamos, el problema que con-lleva la amplitud tan pequeña de las señales bioeléc-tricas. Los potenciales bioeléctricos del ser humanoson magnitudes que varían con el tiempo. Los valoresde dicha medida pueden variar entre distintos indivi-duos por diversos factores. Por ejemplo, en un ECG lamagnitud de un paciente, puede variar entre 0'5mV-4mV, nivel estimado para el ECG.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Los requerimientos para el diseño de un electrocar-diógrafo son los siguientes:

La señal de ECG tiene componentes relevantes soloentre 0,05 Hz - 150Hz.

Los valores de la señal en la piel oscilan entre unos0.5mV como mínimo y 10mV como máximo.

La ganancia de la señal debe ser de aproximada-mente 1000.

CMRR (relación de rechazo de modo común, que dáuna idea de la inmunidad al ruido) lo más alto posible.

Resistencia de entrada de aproximadamente 2MΩ osuperior para obtener un acople de impedancias y noatenuar la señal.

Con estos datos se deberá saber que ancho de bandadebe tener el circuito, y la ganancia que este deberápresentar.

Lo primero que tenemos que hacer es un diagrama debloques y después ir desglosando cada bloque. Unelectrocardiógrafo es un acondicionador de señales ytiene la siguiente estructura general.

En la figura 4 podemos observar el diagrama en blo-ques sugerido.

Para la adquisición analógica de datos, tomamos laseñal electrocardiográfica del usuario a través de loselectrodos, y éstos a su vez se deben conectar al cir-cuito a partir de cables apantallado (blindado omallado) que permite la eliminación de ruidos. Sedeben usar electrodos de tipo superficial por su facili-dad de manejo y economía.

La derivación que se utilizará será la siguiente: unelectrodo irá a la altura del corazón (encima), el otroelectrodo irá en la parte derecha a la altura intercostal

Electrocardiógrafo para PC



y un último electrodo, que servirá como referencia, sepuede colocar a la altura de la cintura (en la parteizquierda) o en el tobillo izquierdo, figura 5.

UN DISEÑO CON

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Para capturar las señales cardíacasnecesitamos un amplificador de instru-mentación que nos brinda una impe-dancia de entrada muy alta, producién-dose el efecto del acople de impedan-cias y por otro lado tiene un amplifica-dor diferencial el cual amplifica la dife-rencia de la señal proveniente de loselectrodos 1 y 2. El amplificador de ins-trumentación se compone de tresamplificadores operacionales y tiene laestructura de la figura 6.

Como las amplitudes de la señal eléc-

trica del corazón van desde 0,5mV a 10mV la ganan-cia de nuestro amplificador debe ser alta, de 1000,como se había especificado en los requerimientos.

Del circuito de la figura 6 se puede obtener la fórmulaque define la ganancia y que se muestra en la figura7, en donde:

Vo = salida del amplificador.Va y Vb son las entradas al diferenciador.Gd = es la ganancia del amplificador.

Necesitamos que Gd sea igual a 1000, para conseguiresto asumiremos;

Rg = 1kΩ, R3 = 100kΩ, R2 = 10kΩ


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Figura 7 - Ecuaciones del amplificador deinstrumentación.

Figura 6 - Amplificador de instrumentación

Figura 5 - Ubicación de los electrodos paratomar señales que permitan obtener un

electrocardiograma.


Nos falta determinar el valor de R1, entonces traba-jando matemáticamente:

R1 = [(Gd x R2/R3 -1) x Rg] / 2

R1 = 49,5kΩ

Podemos construir el circuito en Livewire y simular sufuncionamiento para ver cómo se comporta, colo-cando una de las entradas a masa y en la otra entradaun generador de señal de 1mV, figura 8. El diagramaque muestra el osciloscopio es el de la figura 9.

Como se esperaba, el amplificador mostró en la simu-lación que tiene una ganancia de 1000, se aplicó unmilivolt a la entrada y obtuvimos a la salida 1V. La ali-mentación se hizo con 2 fuentes de 9V (para queluego se puedan emplear baterías y obtener un equipoportátil).

Ahora bien, una de las partes mas importantes de unacondicionador de señales es el filtrado, el cual nosdeterminará el ancho de banda del circuito. Comohabíamos mencionado anteriormente la señal de ECGtiene componentes relevantes solo entre 0,05Hz y150Hz, por lo tanto nuestro circuito sólo debe dejarpasar las señales que se encuentren en este rango.

Para ello, utilizaremos un filtro pasabajos sencillo elcual consta de una resistencia y un condensador ytiene la configuración de la figura 10, en la que tam-bién se muestra su gráfica de respuesta.

Para determinar la frecuencia de corte se tiene lasiguiente fórmula:

1fo = ––––––––––

2π RC

Para la frecuencia de corte es 150Hz,asumimos un condensador de 1µF y dela fórmula despejamos R.

R = 1 / (150 x 2 x π x 1 x 10-6F) =

R = 1061,03Ω

Ahora debemos definir un filtro pasaaltossencillo el cual consta de una resistenciay un condensador, tal como se muestraen la figura 11, en la que también se gra-fica su respuesta en frecuencia.



Figura 8 - Circuito cons-truido en Livewire parasu simulación.

Figura 9 - Diagrama de la señal a la salida del amplificador de instrumentación.


Para determinar la frecuencia de corte se tiene lasiguiente formula:

1fo = ––––––––––

2π RC

Para una frecuencia de corte es 0.05Hz, asumimos uncondensador de 1µF y de la fórmula despejamos R.

R = 1 / (150 x 2 x π x 1 x 10-6F) = 3,18MΩ

Cuando utilizamos fuentes de poder que están ali-mentadas por la red de 110V o 220V con 50Hz o 60Hzse introduce dentro de nuestro sistema una señal deruido indeseable. Tenemos que eliminarla por mediode un filtro rechazabanda de 50 ó 60Hz. Pero si utili-zamos baterías para alimentar los operacionales notenemos que realizar el filtro rechazabanda.

Para evitar esta la componente de 60Hz utilizaremosbaterías y nos ahorramos el inconveniente de imple-mentar dicho filtro. Podemos agregar este filtro y ten-dremos un amplificador para instrumentación quepodrá usarse para obtener las señales de un electro-cardiograma.

Por último, la señal hasta este punto esta invertida porlo cual tenemos que colocar un amplificador inversorde ganancia 1. Nuestro esquema final es el de lafigura 12 y puede ser empleado con cualquier oscilos-copio, como el que sugeriremos más adelante. Paraarmar este amplificador “electrocardiógrafo” puedeusar el circuito impreso de la figura 13.

La prueba de este aparato no es compleja, basta conconectar dos electrodos de goma conductora en lasentradas de Vin1 y Vin2 por medio de cables apanta-llados (blindados o mallados) y fijar los electrodos en


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Figura 10 - Filtro pasabajos con su grafica de respuesta en frecuencia.

Figura 11 - Filtro pasaaltos con su gráfica de respuesta en frecuencia.




Figura 12 - Electrocardiógrafo realizado con amplificadores operacionales.

Figura 13 - Circuito impreso para armar el electrocardiógrafo con amplificadores operacionales.

LISTA DE MATERIALES

IC1 - TL074 - Circuito integrado cuádru-ple amplificador operacional.R1 - 10kΩR2 - 100kΩR3 - 10kΩR4 - 100kΩR5 - 49,5kΩ (47kΩ)R6 - 49,5kΩ (47kΩ)R7 - 1kΩR8 - 3,2MΩ (3,3MΩ)R9 - 1kΩ

R10 - 1kΩC1 - 1µF - Capacitor no polarizadoVin1 - Bornera de dos contactos. El elec-trodo se conecta con cable blindado, elconductor concéntrico va a Vin de unlado y al electrodo del otro y la malla seconecta a masa.Vin2 - Bornera de dos contactos. El elec-trodo se conecta con cable blindado, elconductor concéntrico va a Vin de unlado y al electrodo del otro y la malla seconecta a masa.

OUT 2 - Bornera de dos contactos. Lasalida al osciloscopio se conecta concable blindado, el conductor concéntricova a la entrada del osciloscopio de unlado y OUT 2 del lado de la placa y lamalla se conecta a masa.

VARIOS

Placa de circuito impreso, gabinete paramontaje, conectores para batería de 9V ybaterías de 9V, cable mallado, electrodosde goma conductora, osciloscopio, etc.


la parte derecha e izquierda del torax, a la altura delcorazón. En este caso no utilizaremos el electrodo dereferencia.

La salida del amplificador - electrocardiógrafo (OUT2) se debe conectar a un osciloscopio digital o un osci-loscopio para PC, y de inmediato debemos ver cómose genera la señal sobre la pantalla. La base detiempo del osciloscopio debe ser tal que un barridodure aproximadamente 5 segundos. La señal debecapturarse y luego se la puede reproducir o imprimirpara que el cardiólogo la diagnostique.

Con VR1 calibra el circuito para que la salida no pre-sente señal cuando los electrodos no están conecta-dos al cuerpo del paciente o persona bajo estudio.

Si no sabe utilizar un osciloscopio o quiere sabercómo funciona un osciloscopio para PC, en estamisma edición, luego de explicar cómo funciona unelectrocardiógrafo con el circuito integrado AD620,indicamos cómo puede armar un prototipo y utilizarlo.

En conclusión, el circuito de un electrocardiógrafoincluye filtros que eliminan ciertas frecuencias como

por ejemplo, la de 50Hz o 60Hz de la red o de lasondas electromagnéticas generadas por los equiposeléctricos. Las etapas que debe poseer un electrocar-diógrafo son :

1) Adaptador de impedancia. 2) Amplificador de señal (con circuito integrado parainstrumentación como el AD620 ó INA114P ).3) Protección del paciente (entrada optoacoplada). 4) Filtro Notch (60Hz ó 50Hz dependiendo de la fre-cuencia de la línea de tensión del país donde se vayaa utilizar).5) Filtro pasa banda (0.05Hz a 120Hz ). 6) Circuito de protección opcional y referencia (piernaderecha).

Muchos fabricantes de semiconductores diseñan cir-cuitos específicos para uso en determinadas discipli-nas, por ejemplo, Texas Instruments propone el cir-cuito de la figura 14. El circuito no es complicado perolos componentes suelen ser difíciles de conseguirrazón por la cual explicaremos el desarrollo de nues-tro propio amplificador para electrocardiógrafo y suuso con un osciloscoio para PC.


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Figura 14 - Amplificador de instrumentación sugerido por Texas Instrument para la fabricación deun electrocardiógrafo.


electrocardiografo para pc

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