Desarrollo de un monitor de ECG by Javier Camacho

Desarrollo de un monitor de ritmo cardíaco Luis Díaz Baldevenito, Cesar Castro Rojas. Escuela de Ingeniería Civil Informática, Universidad Católica del Maule Avda. San Miguel #3605 Talca {ldiazbal@gmail.com} Resumen— En este trabajo se presenta el desarrollo de un sistema de monitoreo del ritmo cardíaco a partir de la detección del complejo QRS de la señal electrocardiografica del paciente. Se propone un circuito de adquicisión y amplificación de la señal ECG además de una etapa de filtrado, constituida por filtros pasa bajo y pasa alto, una etapa digital constituida por un microcontrolador PIC16F84 para el cálculo del ritmo cardíaco y una pantalla LCD para visualizar el resultado. Palabras claves—ECG, Electrocardiograma, complejoQRS, filtros electrónicos.

II. CARACTERÍSTICAS DE LA SEÑAL ELECTROCARDIOGRÁFICA Una forma de onda de señal cardiaca típica es como la mostrada en la figura 2. Los voltajes producidos representan las presiones ejercidas por los músculos del corazón en un ciclo de bombeo. La primera deflexión ascendente, P, es debido a la contracción de los atrios y se conoce como el complejo atrial. Las otras desviaciones, Q, R, S y T, son debidas a la acción de los ventrículos y se conoce como los complejos ventriculares.

I. INTRODUCCÍON Un electrocardiograma (ECG) es un registro de la actividad eléctrica del corazón llevado a cabo a partir de unos electrodos (conductores eléctricos) aplicados en la superficie de la piel, habitualmente en ambos brazos y piernas y sobre el tórax. Dentro del corazón minúsculos impulsos eléctricos controlan la función del corazón de expansión y contracción para bombear la sangre al cuerpo. Los electrodos colocados sobre la piel pueden detectar estos impulsos y transmitirlos al electrocardiógrafo por medio de cables. El ECG se estructura en la medición del potencial eléctrico entre varios puntos corporales. Las derivaciones I, II y III se miden sobre los miembros: la I va del brazo derecho al izquierdo, la II del brazo derecho a la pierna izquierda y la III del brazo izquierdo a la pierna izquierda. A partir de esto se obtiene el punto imaginario V, localizado en el centro del pecho, por encima del corazón. Las otras nueve derivaciones provienen del potencial entre este punto y las tres derivaciones de los miembros (aVR, aVL y aVF) y las seis derivaciones precordiales (V1-6).

Fig. 1. Derivaciones bipolares I, II y III.

Fig. 2. Forma de onda básica de ECG. La señal electrocardiográfica (ECG) tiene como parámetros relevantes[11]: o

Rango de medida de amplitud de 500uV a 5mV, combinada con una componente DC de ±300mV

Frecuencia con componentes relevantes entre 0.5 Hz y 50 Hz para monitoreo

Frecuencia con componentes relevantes entre 0.05 Hz y 100 Hz para diagnóstico.

Dado que la señal de la figura 2 es relativamente periódica - cada ciclo tiene la misma estructura - se puede tomar cualquier punto de los señalados en la figura para calcular el ritmo cardiaco. Obviamente se elegirá la zona QRS ya que es la que más favorece el reconocimiento.

2 Como la señal captada por el electrodo tiene un rango de amplitud bajo es necesario amplificar la señal en un factor, de por lo menos 1000x, para que sea usable para la detección del ritmo cardíaco. Sin embargo realizar una amplificación limpia y de alta ganancia no es tarea fácil, ya que} en la señal de ECG existen interferencias y ruidos de todo tipo las que también son amplificadas. Por ejemplo la actividad muscular (señal electromiográfica ó EMG) genera potenciales que no aportan nada a la señal (ver figura 3.b) o la red eléctrica induce sobre el cuerpo corrientes que enmascaran la verdadera actividad cardíaca (ver figura 3.a).

que muchos ruidos son en voltaje en modo común, pueden ser eliminados de esta forma. El amplificador de instrumentación utilizado es el INA122P, fabricado por Burr Brown Corporation. Este amplificador de instrumentación por sus características es adecuado para sistemas portables operados con baterías, para amplificadores de señales bioeléctricas y para amplificadores de sensores industriales. Según sus especificaciones técnicas, tiene un CMRR de 96 dB, provee una ganancia fija de 5x, pudiendo variar hasta 10000x mediante una resistencia de ganancia, lo que lo hace apto para aplicaciones biomédicas, como lo recomienda el fabricante. Para configurar la ganancia de este amplificador se utiliza la siguiente fórmula:

G = 5+

Fig. 3.a) Interferencia de 50 Hz de la red eléctrica. b) Interferencia electromiográfica en ECG. Considerando lo anterior, se requiere en la etapa de entrada de la señal, amplificadores con una elevada tasa de rechazo en modo común (RRMC), una alta tasa de ganancia y una alta impedancia de entrada. Estas características del circuito de adquisición permiten obtener una señal con bajo nivel de ruido y una amplitud mayor. III. DISEÑO DE CIRCUITO.

2 R1 ) Rg

(2)

B. Filtrado de la señal Esta característica es necesaria para eliminar el ruido de alta frecuencia de la señal y además para delimitar el ancho de banda de la señal ECG a procesar, ya que solo nos interesan las bajas frecuencias pues son las correspondientes a las señales bioeléctricas. Se utilizarán 2 tipos de filtros electrónicos muy sencillos de implementar: filtro pasa bajo y filtro pasa alto. Estos filtros permiten discriminan una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase. Su implementación más sencilla consiste en un circuito RC (circuito con una resistencia y un condensador). C. Detección de complejo QRS

A. Amplificación de la señal. De acuerdo a las características de la señal ECG y las diferentes fuentes de ruido presentes en la misma, se debe utilizar un amplificador diferencial para eliminarlos. Se usa un amplificador diferencial ó amplificador de instrumentación, ya que éste permite medir pequeños voltajes diferenciales superpuestos sobre un voltaje de modo común, más grande que el diferencial, se le llama también, amplificador transductor, amplificador de error y/o amplificador de puente. El amplificador de instrumentación se coloca en la etapa de entrada de un instrumento electrónico y se utiliza para aumentar la sensibilidad del circuito. La operación que realiza este amplificador es la resta de sus entradas multiplicada por un factor, ecuación 1, donde la resistencia Rg permite controlar la ganancia.

Vout = (V2 − V1 )(1 +

200 K Rg

Para calcular la frecuencia cardíaca se acondicionará la señal ECG a una señal rectangular, como muestra la fig. 4. Esta señal se envía al microcontrolador para calcular dicha frecuencia.

(1)

Si la entrada es un voltaje en modo común (V1 = V2), entonces Vout = 0. Si V1 ≠ V2,, entonces el voltaje diferencial (V2 - V1) produce una ganancia diferencia. Si consideramos

Fig. 4. Señal cardiaca acondicionada para micro-controlador. Para obtener la señal rectangular se utiliza un comparador de tensión LM311 configurado como comparador con histéresis o “Schmitt Trigger “.

Fig. 5 Diagrama de bloques correspondiente a la implementación del sistema.

IV. IMPLEMENTACIÓN Luego de conocidos los requerimientos de la amplificación de la señal ECG mencionados en la parte III. Se procederá al diseño y montaje de los circuitos de adquisición, amplificación, procesamiento y despliegue de los resultados, es decir, la visualización del ritmo cardiaco. En la fig. 5 se muestra el diseño del sistema mediante diagrama de bloques. Luego se mostrarán los diagramas de los circuitos y la selección de los distintos valores de las características mencionada anteriormente. El monitor de pulsos cardíacos está compuesto por dos etapas bien diferenciadas, la etapa analógica y la etapa digital. La etapa analógica esta compuesta por el amplificador de instrumentación, el amplificador no inversor, un filtro pasa bajo y un filtro pasa alto y por último un comparador de tensión. La etapa digital esta compuesta por el Microcontrolador y un display LCD. A. Etapa analógica Los cables de los electrodos E1 y E2 (fig. 6) que llegan a las entradas V+in y V-in respectivamente del amplificador INA122, deben ser trenzados para eliminar la corriente producida por el campo magnético producido en el área entre los cables y el cuerpo del paciente cuando son parte del circuito del ECG[10]. La resistencia de ganancia se ha establecido en 1KΩ, lo que da una ganancia de G1 ≈ 200.

Fig. 6: Esquema circuito para la adquisición de la señal. Posterior al amplificador de instrumentación. se incluye un filtro pasa alto, para eliminar el ruido de baja frecuencia y la componente DC. Se ha elegido una frecuencia de corte de 0.05 Hz, con un condensador de 1µF. Estos valores se han seleccionado de forma experimental.

Ra =

1 2πRC a 0.05Hz

(3)

A continuación, se tiene otra etapa de amplificación compuesta por un amplificador no diferencial configurado como amplificador no inversor [7]. El objeto de esta etapa de amplificación es controlar la ganancia final del sistema, ajustar la componente DC y preparar la señal para ser digitalizada.

En esta etapa se ha elegido R1 = 5KΩ y R2 = 39KΩ obteniendo una ganancia es G2 ≈ 8. De esta forma la ganancia final del circuito es G = G1*G2 ≈ 1600, y la señal ECG de salida será Vo = Vi * G, es decir, Vo = Vi * 1600

(4)

Se utiliza un filtro pasa bajo a la salida del amplificador no diferencial para eliminar los posibles ruidos que se hayan originado en ésta etapa de amplificación. Al utilizar un condensador de 4.7 µF, la resistencia para una frecuencia de 100 Hz se calcula como:

Rb =

1 2πRC b 100 Hz

(5)

Finalmente en la figura 16 se muestra el esquema completo de la etapa analógica del circuito. B. Etapa digital. El microcontrolador utilizado es el PIC16F84A de la línea MICROCHIP, que posee las características descritas en [3]. Se utilizó este microcontrolador ya que es el más conocido de la gama de microcontroladores de MICROCHIP por lo tanto existe numerosa documentación para el mismo. Además de su reducido precio y su facilidad de programación. El software programado en el microcontrolador (fig. 12) muestra la frecuencia cardiaca en el display LCD. Esta frecuencia se calcula cada 5 pulsos (entregados por el comparador de tensión). El valor del ppm (pulsos por minuto), se calcula:

En la figura 9, se puede ver el circuito para la etapa descrita:

PPM =

5 * 30000 Temp

(6)

donde Temp es una variable que incrementa un contador cada 2mSeg. El circuito de la parte digital es el que muestra la figura 11.

Fig. 9: esquema de circuito de la fase de amplificación y filtrado de la señal. Para la detección del QRS se utilizó el circuito de la fig. 10 donde VTH y VTL (ver fig. 5) tienen los valores 2.62 Volts y 2.43 Volts respectivamente. La alimentación del sistema se realiza mediante 2 baterías para obtener ±9 Volts. Se usan 9 Volts para alimentar los distintos amplificadores operacionales y para alimentar el comparador de tensión, el PIC y el display LCD se utiliza un conversor de tensión LM7805ACZ, que nos permite obtener alimentación de +5 Volts.

Fig. 11: Circuito final etapa digital. El programa está escrito en lenguaje ensamblador, donde cada instrucción demora 1 µSeg en su ejecución. Por lo tanto, las instrucciones entre cada llamada a una interrupción no son consideradas puesto que no son mas de 10 instrucciones entre cada llamada.

Fig. 10: Circuito de comparador de tensión con histéresis.

5 -

usar gel conductor para mejorar la conductividad de los electrodos.

Fig. 14: Despliegue de señal ECG en osciloscopio digital. La fig. 14 muestra la señal amplificada y filtrada vista mediante la interfaz del osciloscopio digital. La escala de tiempo está configurada a 0.1 seg y la escala de amplitud a 1 volts. Falta agregar la componente DC para alcanzar los niveles para el comparador de tensión. Fig.12: Diagrama de flujo de programa cargado en microcontrolador. V. REGISTRO DE LA SEÑAL.

En la fig. 15 se muestra el circuito de la etapa digital, compuesto por la pantalla LCD y el microcontrolador, donde el potenciómetro permite regular la luminosidad de la pantalla. La señal de entrada proveniente del comparador de tensión se conecta a la entrada 4 del puerto A del microcontrolador.

La ubicación de los electrodos se realizó para la primera derivación bipolar (fig.13). En este caso se ubican dos electrodos en ambas muñecas respectivamente y un tercer electrodo (masa de referencia) se ubica en la pierna derecha.

Fig. 13. Ubicación de los electrodos para primera derivación. Se deben tener algunas consideraciones a la hora de realizar el registro, ya que la resistencia de la piel es un factor crítico para la conducción de la señal: - si la zona donde van los electrodos tiene mucho vello, se recomienda rasurar dicha zona, - limpiar la piel para eliminar el aceite presente mediante un algodón humedecido con alcohol,

Fig. 15: Componentes etapa digital.

Fig. 16: Circuito final etapa analógica.

VI. CONCLUSIÓN Este trabajo tenia como objetivo construir un monitor de ritmo cardiaco, el cual fue realizado cabalmente. En cuanto a los objetivos específicos que se han logrado - El estudio de la señal electrocardiográfica, sus características y valores relevantes. - Obtención, amplificación y filtrado de la señal ECG. - El circuito implementado es de bajo costo y factible de implementar, en cuanto a los costos y la disponibilidad de los materiales. En cuanto a los alcances futuros de este trabajo se puede incluir una pantalla matricial LCD para mostrar la señal ECG. Desarrollar una aplicación para almacenar los registros de cada paciente en el computador y realizar el análisis de la señal mediante técnicas de inteligencia artificial. Por ejemplo un sistema experto para ayudar al diagnostico de anomalías cardíacas.

El desarrollo de este proyecto esta enmarcado en el contexto del ramo de circuitos digitales (quinto año de la carrera) dirigido por los profesores Mary C. Jarur y Leopoldo Pavesi. Es importante destacar que este tipo de implementaciones traspasan la disciplina informática y alcanzan un gran impacto no solo en el aspecto formativo sino que en las áreas involucradas, específicamente el ámbito de la salud.

REFERENCIAS [1]

Murugavel Raju. “Heart Rate EKG Monitor using the MSP430FG439”. Texas Instruments. Octubre 2005. http://focus.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?literatureNumber=sl aa280&fileType=pdf [2] Datasheet de amplificador de instrumentación INA122P. Texas Instruments. Octubre 1997. http://www-s.ti.com/sc/ds/ina122.pdf [3] Datasheet de microcontrolador PIC16F84A. Microchip Technology Inc. 2001 http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/35007b.pdf [4] Datasheet comparador de tension LM311 National Semiconductor. Enero 2001. http://www.national.com/ds/LM/LM111.pdf [5] Datasheet amplificador operacional OP07 Analog Devices. 2002 http://web.mit.edu/6.301/www/OP07_a.pdf [6] Colaboradores de Wikipedia. “high-pass filter”. http://en.wikipedia.org/wiki/Low-pass_filter. Mayo 2006 [7] Colaboradores de Wikipedia. “Amplificador operacional”. http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional. Mayo 2006 [8] Vidal , Cristian y Pavesi Leopoldo. “Desarrollo De Un Sistema De Adquisición Y Tratamiento De Señales Electrocardiográficas”. Rev. Fac. Ing. - Univ. Tarapacá. [online]. abr. 2005, vol.13, no.1, p.39-46. http://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S071813372005000100005&lng=es&nrm=iso [9] C. Vidal. Tesis de licenciatura:” “Construcción de un Electrocardiógrafo Digital y Desarrollo de Algoritmos para la medición de parámetros relevantes al diagnóstico médico”. Universidad Católica del Maule. Talca. 2004 [10] Enrique Palacios. “Microcontrolador PIC16F84, Desarrollo de proyectos”. Alfa Omega grupo Editor. México. Junio de 2004 [11] Diapositivas de libro: “Medical instrumentation: application and design. 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 1998” http:// ecow.engr.wisc.edu/cgi-bin/get/ ece/462/webster/powerpoint/ chapter06.ppt [12] Enrique Company-Bosch, Eckart Hartmann. “ECG Front-End Design is Simplified with MicroConverter” Analog Dialogue 37-11, November (2003) http://www.analog.com/analogdialogue. [13] S. Parmet. “Electrocardiograma”. The Journal of the American Medical Association. Abril 2003. http://jama.ama-assn.org/cgi/data/289/16/2166/DC1/1 [14] Colaboradores de Wikipedia. “Electrocardiograma”. http://es.wikipedia.org/wiki/Electrocardiograma. 16 Mayo de 2006. [15] H. Feldman. "A Guide to Reading and Understanding the EKG". NYU School of Medicine. 1999, http://endeavor.med.nyu.edu/student-org/erclub/ekghome.html