UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERIALABORATORIO DE ELECTRNICA 2

MONITOR DE RITMO CARDIACO

GUATEMALA 5 DE JULIO DE 2011

JORGE DAVID TOP RAXON 200914908 JOS MIGUEL RUANO AGUILAR 200914909 SILVIO ALEJANDRO URIZAR SALAZAR 200915098

Monitor de ritmo cardiaco

INTRODUCCIN La electrnica ha sido una herramienta muy importante en la vida del hombre moderno, gracias a esta, se han realizado grandes avances en diversos campos de la vida del hombre, no solo ha desarrollado el campo del entretenimiento y simplificado tareas cotidianas que antes eran difciles de hacer, sino que tambin ha contribuido a que la humanidad tenga un mejor modo de vida y pueda cuidar mejor su salud. La electrnica tambin ha revolucionado el campo de la medicina, introduciendo tecnologas de ltima generacin a los consultorios y quirfanos, las cuales son usadas para diagnosticar enfermedades al igual que para poder monitorear el estado del paciente. Entre los mencionados se encuentra un dispositivo muy til, el cual es el medidor de ritmo cardaco, ste es de gran utilidad ya que permite monitorear uno de los parmetros ms importantes en un paciente, el latido del corazn. Dependiendo del tipo de medidor de ritmo, se pueden utilizar distintas configuraciones para poder obtener los datos para su funcionamiento. Los datos son obtenidos por las pulsaciones elctricas que ocurren al latir el corazn, stas son amplificadas por el dispositivo y tratadas para poder observar cmo se est comportando el corazn. Los dispositivos electrnicos utilizados para esta tarea deben de estar calibrados de tal manera que la precisin en las medidas sea muy grande, dado que el rango de frecuencia de latido del corazn es muy reducido. Se pueden utilizar circuitos especiales para convertir la frecuencia del corazn en un voltaje especfico, y as poder utilizar estos niveles de voltaje para poder desplegar la medida en una escala. Como estudiantes de electrnica, es importante dominar todo tipo de circuitos, tambin los circuitos de amplificacin y tratado de seales. Por eso, se ha planeado la elaboracin de un proyecto, el cual consiste en construir un medidor de pulso, el cual desplegar en una escala cmo est el latido del corazn. En este reporte, se incluye la teora y los diagramas que se planean utilizar para llevar a cabo dicho dispositivo electrnico.

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OBJETIVOS

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Generales: j Elaborar un medidor de pulso cardaco.

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Especficos: j Utilizar amplificadores operacionales para elaborar un amplificador de instrumentacin. j Medir el ritmo cardaco utilizando un vmetro convencional. j Elaborar un circuito que sea capaz de interpretar una frecuencia y convertirla en un voltaje.

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MARCO CONCEPTUAL SEALES EGC Activacin elctrica del corazn En condiciones normales, la activacin cardaca es el resultado de un impulso que se origina en una clula o en un grupo de clulas, que constituyen el marcapasos, y de la propagacin de este impulso a todas las fibras de las aurculas y los ventrculos. La llegada de la seal elctrica a las fibras musculares del corazn inicia la contraccin. Una actividad rtmica regular y una contraccin coordinada de las aurculas y ventrculos requiere la presencia de fibras automticas especializadas que genere impulso elctrico y lo distribuya a las fibras miocrdicas de estas cmaras en la secuencia apropiada y en el tiempo preciso. Realizan ambas funciones grupos especializados de fibras cardacas que componen el sistema de conduccin. El sistema de conduccin se encarga de originar y transmitir el impulso elctrico por medio de fibras cardacas especializadas entre las que se incluyen: el ndulo sinusal (SA), el ndulo auriculoventricular (AV), el fascculo de His, las ramas derecha e izquierda, y las ramificaciones perifricas de estas ramas fasciculares que dan lugar a la red subendocrdica, e intramiocrdica de Purkinje.

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El ndulo sinusal est en la pared de la aurcula derecha, en la unin entre la propia aurcula y la vena cava superior. Tiene forma de semicrculo y mide unos 15mm de largo y 5mm de ancho. El ndulo sinusal genera potenciales de accin a una frecuencia aproximada de 70 por minuto y, pese a que existen otros tejidos cardacos dotados de automatismo, es el ndulo sinusal el que marca el ritmo cardaco dado que presenta la frecuencia ms rpida. Desde aqu la excitacin se transmite a las clulas auriculares vecinas, por las zonas de menor resistencia elctrica intercelular a una velocidad de 0,3 m/s. Esta propagacin de la despolarizacin se canaliza especialmente a travs de las vas especficas de conduccin denominadas vas internodales anterior, media y posterior, que conducen el impulso desde el ndulo sinusal al ndulo auriculoventricular. El ndulo auriculoventricular (AV) est situado en la parte posterior del septum interauricular y constituye la nica va de comunicacin entre la cavidad auricular y la ventricular. Tiene una frecuencia intrnseca aproximada de 50 pulsos por minuto pero, bajo condiciones normales, sigue la frecuencia impuesta por el ndulo sinusal. La velocidad de propagacin en el ndulo AV es muy lenta (0,05 m/s) y da lugar a un retraso en el progreso de la activacin que permite un llenado ventricular ptimo durante la contraccin auricular.

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Monitor de ritmo cardiaco A continuacin del ndulo AV se encuentra el haz de His que se divide a nivel subendocrdico en dos ramas que se propagan una a cada lado del tabique interventricular. Estas ramas del haz de His se arborizan en una compleja red de fibras de conduccin denominada Fibras de Purkinje. La velocidad del sistema de conduccin ventricular es de 1 a 4 m/s de manera que la activacin de la regin subendocrdica es casi inmediata en toda la superficie. Todas las clulas cardacas tienen la propiedad de generar dipolos elctricos cuando reciben la seal de activacin (despolarizacin) y tambin cuando, tras su contraccin, regresan al estado de reposo (repolarizacin). Estos dipolos elctricos son los que se registran utilizando la mquina electrocardiogrfica y las posiciones de electrodos que se detallan a continuacin. Derivaciones electrocardiogrficas La disposicin de las conexiones de cada par de electrodos recibe el nombre de derivacin. En el registro del electrocardiograma se utilizan habitualmente doce derivaciones: las derivaciones de extremidades, las derivaciones de extremidades aumentadas y las derivaciones precordiales. Derivaciones de extremidades. Estas derivaciones son bipolares, porque detectan las variaciones elctricas en dos puntos y ponen de manifiesto la diferencia. DI es una conexin entre electrodos situados en el brazo izquierdo y en el brazo derecho. Cuando el brazo izquierdo est en un campo de fuerzas positivo respecto al brazo derecho, en DI se inscribe una deflexin hacia arriba (positiva). DII es la conexin entre los electrodos situados en la pierna izquierda y el brazo derecho, Cuando la pierna izquierda est en un campo de fuerzas positivo respecto del brazo derecho, se inscribe una deflexin hacia arriba en esta derivacin. DIII es una conexin entre la pierna izquierda y el brazo izquierdo. Cuando la pierna izquierda est en un campo de fuerzas positivo respecto al brazo izquierdo, se inscribe una deflexin positiva en DIII.

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Derivaciones de extremidades aumentadas. Estas derivaciones son unipolares, registran las variaciones elctricas de potencial en un punto (brazo derecho, brazo izquierdo o pierna izquierda) respecto a otro punto en que la actividad elctrica durante la contraccin cardiaca no vara significativamente. La derivacin est aumentada en virtud del tipo de conexin elctrica, que da como resultado un trazo de amplitud aumentada. La derivacin aVR inscribe los potenciales elctricos del brazo derecho respecto a un punto nulo, que se hace uniendo los cables del brazo izquierdo y de la pierna izquierda. La derivacin aVL registra los potenciales del brazo izquierdo en relacin a una conexin hecha mediante la unin de los cables del brazo derecho y del pie

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Monitor de ritmo cardiaco izquierdo. La derivacin aVF revela los potenciales que hay en el pie izquierdo respecto a la conexin hecha con la unin de los cables de los brazos derecho e izquierdo.

Derivaciones precordiales. Estas derivaciones son unipolares y se registran en el trax desde la posicin 1 a la 6. Los electrodos mviles registran el potencial elctrico que hay bajo ellos mismos respecto a la conexin terminal central, que se hace conectando los cables del brazo derecho, el brazo izquierdo, y la pierna izquierda. El potencial elctrico de la conexin terminal central no vara significativamente a travs del ciclo cardaco; por tanto, los registros efectuados con la conexin V muestran las variaciones elctricas que tienen lugar debajo del electrodo precordial mvil. La posicin de V1 est en el IV espacio intercostal a la derecha del esternn; V2 est en el IV espacio intercostal a la izquierda del esternn; V4 est a la izquierda de la lnea medioclavicular en el V espacio intercostal; V3 est a medio camino entre V2 y V4; V5 est en el V espacio intercostal en la lnea axilar anterior, y V6 est en el V espacio intercostal en la lnea medioaxilar izquierda.

A veces son de utilidad otros emplazamientos de las derivaciones precordiales, por ejemplo, aquellas que estn elevadas 5cm por encima de las posiciones usuales (EV1, EV2, etc.) que pueden ayudar a detectar infartos de miocardio, o aquellas que estn situadas 5cm por debajo de las posiciones usuales (LV1, LV2, etc.) cuando el corazn est anormalmente bajo en el trax, como ocurre con los pacientes con enfisema pulmonar.

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Ondas componentes del ECG

Monitor de ritmo cardiaco Una vez hemos visto la activacin elctrica del corazn, as como las posibles derivaciones que se utilizan para registrar las diferencias de potencial, estamos en disposicin de explicar cmo se genera una onda ECG y sus caractersticas. Un perodo del ECG perteneciente a un individuo sano, consiste en una onda P, el complejo QRS, la onda T y la onda U, tal como se muestra en la siguiente figura.

Las porciones del electrocardiograma entre las deflexiones se denominan segmentos, y las distancias entre ondas se denominan intervalos. El ECG puede ser dividido en los siguientes intervalos y segmentos: > Onda P. En condiciones normales es la primera marca reconocible en el ECG. Corresponde a la llegada de la seal de activacin a las aurculas. Su duracin es menor de 100ms y su voltaje no excede los 2,5mV. > Intervalo PR: Muestra el perodo de inactivida elctrica correspondiente al retraso fisiolgico que sufre el estmulo en el nodo auriculoventricular. Su duracin debe estar comprendida entre los 120 y 200ms. Pgina > Complejo QRS: Es la marca ms caracterstica de la seal electrocardiogrfica. Representa la llegada de la seal de activacin a ambos ventrculos. Su duracin es de 80 a 100ms. Electrnica 2 Grupo VV03

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Monitor de ritmo cardiaco > Segmento ST: Comprende desde el final del complejo QRS hasta el inicio de la onda T. > Onda T: Corresponde a la repolarizacin ventricular, aparece al final del segmento ST. > Intervalo QT: Comprende desde el inicio del complejo QRS hasta el final de la onda T y representa la despolarizacin y repolarizacin ventricular. Su duracin estar entre 320 y 400 ms. A continuacin se muestra una tabla con la relacin entre el ritmo cardiaco y la duracin de este intervalo.

Ritmo cardiaco 60 70 80 90 100 120

Duracin QT (s) 0.33 - 0.43 0.31 - 0.41 0.29 - 0.38 0.28 - 0.36 0.27 - 0.53 0.25 - 0.32

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN

El amplificador de instrumentacin es un amplificador diferencial tensin-tensin cuyaganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a su propia especificacin an en un entorno hostil. Es un elementoesencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece caractersticas funcionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona. Para ello, se le requiere: a) Tengan unas caractersticas funcionales que sean precisas y estables. b) Sus caractersticas no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos.

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A los amplificadores de instrumentacin se les requieren las siguientes caractersticas: 1) Son amplificadores diferenciales con una ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a 1000. 2) Su ganancia diferencial se controlada mediante un nico elemento analgicos (potencimetro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste. 3) Su ganancia en modo comn debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial, esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de frecuencia en que opera. 4) Una impedancia muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada. 5) Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida.

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Monitor de ritmo cardiaco 6) Bajo nivel de la tensin de offset del amplificador y baja deriva en el tiempo y con la temperatura, a fin de poder trabajar con seales de continua muy pequeas. 7) Una anchura de banda ajustada a la que se necesita en el diseo. 8) Un factor de ruido muy prximo a la unidad, Esto es, que no incremente el ruido. 9) Una razn de rechazo al rizado a la fuente de alimentacin muy alto.

El amplificador diferencial bsico construido con un nico amplificador operacional, satisface algunas de las caractersticas del amplificador de instrumentacin, pero no todas. No obstante, como es la base de los amplificadores de instrumentacin es interesante analizar algunas de sus caractersticas.

Para que el amplificador se comporte como amplificador diferencial debe verificarse:

El amplificador diferencial bsico es un amplificador de instrumentacin de muy bajas prestaciones, porque: a) Requiere modificar dos componentes para modificar su ganancia diferencial, manteniendo la ganancia en modo comn nula. b) Es muy difcil conseguir CMRR muy altos. El CMRRTOTAL del circuito se degrada por dos causas: a. El amplificador operacional tiene un CMRRAO finito. b. Las resistencias difcilmente se pueden ajustar para que exactamente satisfagan la relacin R1R4=R2R3, y en consecuencia se genera un CMRRR Configuracin bsica: La configuracin ms utilizada como amplificador de instrumentacin est constituida por tres amplificadores operacionales utilizados de acuerdo con el esquema de la figura.

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El anlisis de este circuito es mas instructivo si se analiza considerando propiedades de simetra. a) Cuando es excitado con una entrada en modo diferencial -v1=v2=vd/2, el punto medio de la resistencia RG permanece a 0 voltios (por simetra)

b) Cuando es excitado con una entrada en modo comn v1=v2=vc, las seales va y vb deben ser igual a vc, sean cual sean los valores de las resistencias RG, R1 y R 1.

El circuito funciona como amplificador diferencial si las resistencias satisface la relacin:

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En el caso de que el circuito sea simtrico:

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El CMRR de este amplificador de instrumentacin depende de los dos factores: a) Las resistencias no satisfacen exactamente la relacin entre resistencias R2R 3=R3R 2. El CMRR debido a las resistencias es:

El CMRR total del amplificador de instrumentacin debido a ambas causas integradas es,

A la vista de esta expresin, se observa que los dos primeros trminos se cancelan si se utilizan amplificadores operacionales duales integrados (CMRR1=CMRR2) y CMRRTOTAL aumenta. Dado que las resistencias no se pueden fabricar con una precisin excesiva, para conseguir que el ltimo termino no degrade el CMRR, se suele hacer la resistencia R 3, y experimentalmente se ajusta su valor de forma que se minimice la ganancia en modo comn y con ello se haga maximiza el CMRR.

La anchura de banda de la ganancia diferencial de un amplificador de instrumentacin depende de la anchura de banda de cada una de sus etapas. Estas son,

La anchura de banda del amplificador de instrumentacin compuesto se puede calcular, de forma aproximada, aplicando la formula composicin de la anchura de banda en etapas en cascada, Pgina

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Monitor de ritmo cardiaco DESARROLLO Para el amplificador de instrumentacin se arm el siguiente circuito:

Para eliminar el ruido y obtener una forma de onda utilizable en los circuitos posteriores se utiliz un comparador de voltaje, su diagrama se muestra a continuacin:

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Monitor de ritmo cardiaco Para hacer en anlisis de la frecuencia de la onda se utiliz un PIC 16F648, el cual consta de la siguiente distribucin de pines:

En el programa del PIC, se llev a cabo una interrupcin para poder contar entre ciertos valores predeterminados, con esto, se establecieron rangos para el pulso cardaco en diferentes estados. El programa se muestra a continuacin:Dim a As Word Dim b As Word Dim cam As Word Dim cont As Word TRISA = 255 TRISC = 0 a=0 b=0 cam = 0 cont = 0 CMCON0 = %0000111 CMCON1 = 0 ANSEL = 0 TMR0 = 0 INTCON.GIE = 1 INTCON.PEIE = 1 INTCON.INTE = 1 OPTION_REG = %00000111 TMR0 = 205 main: If b > 23 Then If b 30 Then If b 37 Then If b 48 Then PORTC = %001000 Endif Goto main End

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Monitor de ritmo cardiaco DIAGRAMA DE BLOQUES:

SENSORES

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN PARA OBTENCIN DE PULSOS CARDIACOS

PIC 16F648 COMPARADOR DE VOLTAJE DE LA ONDA

SALIDA VUMETRO

DIAGRAMA ESQUEMTICO:

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Monitor de ritmo cardiaco PLACAS Placa principal:

Placa de LEDs

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Monitor de ritmo cardiaco COSTOSComponente Resistencias de valores varios Potencimetros de 50k Amplificador LM348 Amplificador LM358 PIC 16F648 4 LEDs normales 1 LED superbright azul Set de 30 electrodos Placa cido Total Costo unitario Q0.60 Q4.50 Q10.00 Q4.50 $3.00 Q2.00 Q5.00 Q125.00 Q20.00 Q15.00 Unidades 11 2 1 1 1 4 1 1 1 1 Costo total Q6.60 9.00 Q10.00 Q4.50 $3.00 Q8.00 Q5.00 Q125.00 Q20.00 Q15.00 Q227.10

CONCLUSIONES 1. El amplificador de instrumentacin es utilizado generalmente en sensores corporales debido a su facilidad de armar y su alta ganancia. 2. El vmetro puede ser utilizado como un medidor de escala para un medidor de pulso cardaco. 3. En algunos circuitos, es necesario que el voltaje est en funcin de la frecuencia de entrada al mismo.

RECOMENDACIONES

1. Calibrar cuidadosamente el amplificador para que este posea una ganancia adecuada para poder ser utilizada en los circuitos posteriores. 2. Investigar a fondo cmo son las posiciones de medicin para un electrocardiograma para poder obtener mejores medidas para ser utilizadas en las mediciones. 3. Utilizar electrodos de calidad para evitar el ruido en el circuito. 4. Calibrar los circuitos adecuadamente ya que se requiere de una alta precisin en circuitos de equipo mdico.

BIBLIOGRAFA y Instrumentacin Electrnica para Comunicaciones Universidad de Cantabria http://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacion_5_IT/IEC_3.pdf Teora del electrocardiograma: Seales ECG e informacin clnica http://www.electrocardiografia.es/ Grupo VV03

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