PROTOTIPO DE UN ELECTROCARDIÓGRAFO DIGITAL
Por Omar Gurrola
Presentado a la academia de Sistemas Digitales y Comunicaciones del Instituto de Ingeniería y Tecnología para su evaluación
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ Marzo 2012
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Introducción El diagnóstico clínico de un paciente depende principalmente de su historial y se extiende con un examen físico, el cual incluye un electrocardiograma, este brinda resultados que dan soporte al diagnóstico y en algunos casos es crucial para el tratamiento de enfermedades relacionadas con el corazón [1]. El electrocardiógrafo es un instrumento médico que capta y amplia la actividad bioeléctrica del corazón, a través de electrodos que se adhieren a la superficie de la piel en diferentes partes del cuerpo utilizando un procedimiento no invasivo, lo cual significa que no requiere penetrar físicamente el cuerpo [2]. Un electrocardiograma también conocido como ECG o EKG, es la interpretación de la actividad bioeléctrica del corazón en un periodo de tiempo, se utiliza para medir el ritmo y regularidad de los latidos del corazón al igual que el tamaño y posición de las cámaras con la intención de detectar irregularidades en el mismo [1].
Antecedentes El ECG fue observado originalmente en 1887 por Augustus Desire Waller (1856– 1922), profesor de psicología en el hospital de St. Mary en Londres. Waller comenzó sus investigaciones sobre la actividad eléctrica del corazón, aunque ya existían estudios, quería demostrar que se podían leer las señales bioeléctricas del corazón a través de los miembros del cuerpo sin recurrir a un procedimiento invasivo, lo que le permitió leer las señales eléctricas de las contracciones del corazón de su perro al igual que del humano utilizando el electrómetro capilar de Lippman, iniciando así la ciencia de la electrocardiografía [3,4]. En 1903 Willem Einthoven (1860-1927) mejoró el ECG utilizando un galvanómetro de cuerda para grabar la señal de personas con problemas cardiacos. Einthoven designó el nombre de las diferentes señales que componen un ECG (P, Q, R, S, T), realizando siempre las mediciones a través de los brazos y las piernas, siendo representado a través de un triangulo que se 1
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conoce como el triangulo de Einthoven. Asimismo, desarrolló la primer teoría a través de la cual el corazón esta modelado como un dipolo variante en el tiempo [3].
Figura 1: Triangulo de Einthoven [1].
Figura 2: Señal ECG [1].
La evolución del ECG continuó por 31 años cuando Frank Wilson (18901952) en 1934 agregó el concepto de derivación unipolar, registrando el potencial total de un punto de referencia en el cuerpo a través de la unión de las tres derivaciones del triangulo de Einthoven, utilizando resistencias de 5K Ohm. Dicho punto central se conoce como terminal central de Wilson. Las derivaciones unipolares se denominan: Potencial absoluto (Vw), brazo derecho (VR), brazo izquierdo (VL), pierna izquierda (VF) y precordiales (V1-V6) [3,5].
Figura 2: Derivación unipolar de Wilson [7].
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En 1942 Emanuel Goldberger (1881-1970) modificó el sistema de Wilson, consiguiendo aumentar la onda hasta un 50% y obtuvo las derivaciones amplificadas: aVR, aVL y aVF [5]. De 1942 a la fecha se utiliza el ECG con doce derivaciones para diagnóstico, que utilizan las tres derivaciones de Einthoven, las derivaciones amplificadas de Goldberger y las derivaciones precordiales de Wilson. Además se ha reducido su tamaño haciéndolo portátil y de fácil uso [3].
Planteamiento del Problema La carrera de Ingeniería Biomédica en la UACJ es de reciente creación, poco a poco se ha adquirido material y equipo para los laboratorios en está área, tal es el caso del equipo biopac que permite medir las señales eléctricas del cuerpo y obtener su representación, por ejemplo: electromiograma, electrocardiograma, electroencefalograma, entre otros. Se cuentan con 6 unidades ubicadas en el laboratorio de control, la ventaja de usar estos equipos en los primeros semestres, es que los alumnos pueden medir y analizar las señales sin necesidad de conocer a fondo la forma en que opera el circuito electrónico. La desventaja es el precio y su cualidad más importante radica en que la señal obtenida es una señal sin ruido, ya filtrada y lista para usarse. Las señales obtenidas por el biopac se pueden utilizar en materias como sistemas lineales o señales digitales, materias en la cuales los grupos son de 30 estudiantes en promedio. Atendiendo a esta necesidad se propone diseñar un circuito electrocardiógrafo (ECG) que permita medir la señal eléctrica del corazón y le brinde al estudiante la posibilidad de obtener la señal filtrada o sin filtrar para hacer un filtro digital por ellos mismos, además ofrecer un prototipo de menor costo que junto con el biopac sea una herramienta educativa.
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Marco Teórico El corazón es el órgano principal del aparato circulatorio que funciona como una bomba impulsando la sangre a todo el cuerpo; se encuentra dividido en cuatro cavidades: dos superiores conocidas como aurícula derecha e izquierda, y dos inferiores llamadas ventrículo derecho e izquierdo. La aurícula derecha recibe sangre poco oxigenada de la circulación venosa, enviándola hacia el ventrículo derecho y de ahí es enviada a las arterias pulmonares. Una vez oxigenada por los pulmones la sangre entra en la aurícula izquierda y es enviada al ventrículo izquierdo, propulsando la sangre hacia la arteria aorta para proporcionar oxigeno a todos los tejidos del organismo [6]. Las contracciones de los músculos del corazón están asociadas con cambios bioeléctricos conocidos como despolarización, este potencial crea corrientes eléctricas que se distribuyen a todo el cuerpo y pueden ser detectados por electrodos adheridos a la superficie del mismo. Aunque el corazón tiene cuatro cámaras, desde el punto de vista eléctrico se puede considerar que solo tiene dos debido a que las dos aurículas se contraen al mismo tiempo, al igual que los dos ventrículos. La onda producida por estos potenciales se conoce como ECG que es una grafica del ritmo cardiaco [1,7]. Para obtener la señal ECG, se necesita medir la diferencia de voltaje entre dos puntos del cuerpo. Cada medición se conoce como derivación (lead). Einthoven definió tres derivaciones (3-lead ECG) con números romanos I, II y III. Donde cada una se obtiene de la siguiente manera [6]:
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Derivaciones:
Dónde: Brazo izquierdo Brazo derecho Pierna izquierda
Figura 3: Derivaciones de Einthoven [6]. Cabe mencionar que estas tres derivaciones no son independientes ya que existe una relación entre ellas [6]: (1) Los requerimientos generales de instrumentación para el ECG han sido definidos por la “American Heart Association” en 1984 y la “Association for the Advancement of Medical Instrumentation” en 1990, en pocas palabras ellos definieron que las señales para un ECG están en un rango de +/- 2mV y requieren un ancho de banda de 0.05 a 150 Hz [6].
Justificación Realizar un circuito prototipo de un electrocardiógrafo con la interfaz de usuario realizada en LabVIEW que permita obtener la señal filtrada y sin filtrar, para que pueda ser utilizado por los alumnos de la carrera de Ingeniería Biomédica para que puedan medir las señales eléctricas del corazón, visualizarlas, medir la frecuencia cardiaca y exportar la señal a un archivo de texto que pueda ser utilizado en matlab. El biopac puede realizar lo mismo pero este proyecto ofrece la ventaja de que el alumno puede elegir entre obtener la señal filtrada o no.
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Se espera que el prototipo sea de bajo costo y permita con una inversión pequeña ampliar las opciones para medir la señal cardiaca con propósitos didácticos, considerando que los grupos que lo usarían son en promedio treinta alumnos y seis biopac no son suficientes. Se propone como alternativa el prototipo del ECG que sería utilizado en la materia de sistemas lineales, es importante mencionar que los alumnos en materias posteriores a ésta cursarán instrumentación biomédica donde verán a detalle el circuito del ECG y otros equipos. Además, realizar un proyecto de este tipo permite poner en práctica los conocimientos adquiridos durante la carrera, la capacidad de investigar e integrar información y conocimientos en el diseño.
Objetivo General Diseñar e implementar el prototipo de un electrocardiógrafo digital que permita medir las señales bioeléctricas provenientes del corazón, visualizarlas en una computadora por medio de un programa realizado en LabVIEW versión 11, además de poder exportar la señal a un archivo de texto y dar la opción al usuario de calcular la frecuencia cardiaca.
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Metodología Para llevar a cabo este proyecto se investigará mas sobre las señales bioeléctricas producidas por el corazón y la interpretación que se le debe dar a la misma. También se va a investigar todo lo referente a cada una de las etapas que componen un electrocardiógrafo digital y así desarrollar un prototipo de tres derivaciones. Este prototipo se implementará en un protoboard en primera instancia para la realización de las pruebas y posteriormente se procederá a la elaboración de una tablilla impresa. El diagrama de bloque de un electrocardiógrafo es el siguiente:
Figura 4: Diagrama de bloques de un electrocardiógrafo digital de tres derivaciones [7,8].
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Etapa de Diseño 1. Objetivo específico: Protocolo clínico del ECG. 1.1. Meta: Obtener un protocolo clínico para realizar un ECG para el 31/07/12. 1.1.1. Actividad: Investigar bibliografías del protocolo clínico. 1.1.1.1.
Requerimientos: Tiempo (6 horas).
1.2. Meta: Obtener un ECG con el biopac aplicando el protocolo clínico para el 02/08/12. 1.2.1. Actividad: Ir al laboratorio de control y realizar un ECG. 1.2.1.1.
Requerimientos: Tiempo (6 horas).
2. Objetivo específico: Adquisición de la señal ECG. 2.1. Meta: Tener los puntos de adquisición de la señal para el 07/08/12. 2.1.1. Actividad: Investigar bibliografías de los puntos de adquisición de la señal. 2.1.1.1.
Requerimientos: Tiempo (6 horas).
2.2. Meta: Tener los electrodos y cables para obtener la señal para el 09/08/12. 2.2.1. Actividad: Investigar en internet tipos de electrodos y cables comerciales y comprar el más conveniente. 2.2.1.1.
Requerimientos: Tiempo (6 horas).
3. Objetivo específico: Amplificación de instrumentación. 3.1. Meta: Contar con el circuito de amplificación de instrumentación para el 29/08/12. 3.1.1. Actividad: Investigar bibliografías sobre amplificadores de instrumentación. 3.1.1.1.
Requerimientos: Tiempo (6 horas).
3.1.2. Actividad: Investigar dos amplificadores de instrumentación comerciales. 3.1.2.1.
Requerimientos: Tiempo (6 horas).
3.1.3. Actividad: Simular los circuitos de amplificación de instrumentación. 8
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3.1.3.1.
Requerimientos: Programa para simular circuitos
electrónicos. 3.1.3.2.
Requerimientos: Tiempo (10 horas).
3.1.4. Actividad: Armar y probar los amplificadores en el protoboard. 3.1.4.1.
Requerimientos: Componentes del circuito, aparatos de
medición y herramientas. 3.1.4.2.
Requerimientos: Tiempo (10 horas).
4. Objetivo específico: Filtrado de la señal. 4.1. Meta: Eliminar el ruido y obtener la señal ECG para el 12/09/12 4.1.1. Actividad: Investigar bibliografías sobre filtros. 4.1.1.1.
Requerimientos: Tiempo (6 horas).
4.1.2. Actividad: Simular los filtros para obtener su respuesta. 4.1.2.1.
Requerimientos: Programa para simular circuitos
electrónicos. 4.1.2.2.
Requerimientos: Tiempo (10 horas).
4.1.3. Actividad: Armar y probar los filtros en el protoboard. 4.1.3.1.
Requerimientos: Componentes del circuito, aparatos de
medición y herramientas. 4.1.3.2.
Requerimientos: Tiempo (10 horas).
5. Objetivo específico: Alimentación del circuito. 5.1. Meta: Contar con el circuito de alimentación del prototipo para el 02/10/12. 5.1.1. Actividad: Investigar bibliografías de circuitos de alimentación. 5.1.1.1.
Requerimientos: Tiempo (6 horas).
5.1.2. Actividad: Determinar los voltajes y las corrientes necesarias en base a las pruebas en el protoboard. 5.1.2.1.
Requerimientos: Tiempo (4 horas).
5.1.3. Actividad: Simular el circuito de alimentación. 5.1.3.1.
Requerimientos: Programa para simular circuitos
electrónicos. 5.1.3.2.
Requerimientos: Tiempo (10 horas). 9
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5.1.4. Actividad: Armar y probar el circuito de alimentación en el protoboard. 5.1.4.1.
Requerimientos: Componentes del circuito, aparatos de
medición y herramientas. 5.1.4.2.
Requerimientos: Tiempo (10 horas).
6. Objetivo específico: Digitalización de la señal ECG. 6.1. Meta: Tener la señal digitalizada para el 04/10/12 6.1.1. Actividad: Aprender a utilizar la tarjeta de adquisición de LabVIEW. 6.1.1.1.
Requerimientos: Computadora con LabVIEW.
6.1.1.2.
Requerimientos: Tiempo (6 horas).
7. Objetivo específico: Programa en LabVIEW. 7.1. Meta: Mostrar la señal ECG en LabVIEW para el 15/10/12 7.1.1. Actividad: Investigar bibliografías sobre el algoritmo para calcular la frecuencia cardiaca. 7.1.1.1.
Requerimientos: Tiempo (6 horas).
7.1.2. Actividad: Diseñar el programa para mostrar la señal y calcular la frecuencia cardiaca en LabVIEW. 7.1.2.1.
Requerimientos: Computadora con LabVIEW.
7.1.2.2.
Requerimientos: Tiempo (10 horas).
8. Objetivo específico: Tablilla PCB del prototipo. 8.1. Meta: Tener el diseño la tablilla PCB del prototipo para el 18/10/12 8.1.1. Actividad: Diseñar la tablilla PCB del prototipo. 8.1.1.1.
Requerimientos: Computadora con el software de diseño.
8.1.1.2.
Requerimientos: Tiempo (10 horas).
Etapa de Construcción 9. Objetivo específico: Ensamble de la tablilla PCB del prototipo. 9.1. Meta: Tener fabricada y ensamblada la tablilla PCB para el 24/10/12 9.1.1. Actividad: Ir al laboratorio de eléctrica para elaborar la tablilla y soldar los componentes. 9.1.1.1.
Requerimientos: Materiales de la tablilla y componentes. 10
Omar Gurrola 9.1.1.2.
www.proprojects.wordpress.com Requerimientos: Tiempo (10 horas).
Etapa de Pruebas 10. Objetivo específico: Pruebas eléctricas y de señales del prototipo. 10.1.
Meta: Funcionamiento eléctrico correcto del prototipo para el
31/10/12. 10.1.1.
Actividad: Revisar que los voltajes y las señales sean los
adecuados en cada parte del prototipo. 10.1.1.1. Requerimientos: Prototipo y aparatos de medición. 10.1.1.2. Requerimientos: Tiempo (10 horas). 11. Objetivo específico: Pruebas del prototipo con pacientes. 11.1.
Meta: Obtener las señales ECG de dos personas para el 05/11/12.
11.1.1.
Actividad: Medir la señal ECG de dos personas, mostrarla
en LabVIEW y obtener la frecuencia cardiaca. 11.1.1.1. Requerimientos: Dos personas voluntarias. 11.1.1.2. Requerimientos: Computadora con LabVIEW. 11.1.1.3. Requerimientos: Tiempo (6 horas). 12. Objetivo específico: Documentación del proyecto. 12.1.
Meta: Tener la documentación completa del proyecto para el
08/11/12. 12.1.1.
Actividad: Realizar la documentación diariamente hasta la
finalización del proyecto. 12.1.1.1. Requerimientos: Computadora.
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Calendarizaci贸n
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Referencias
[1]. Hampton, John R. THE ECG MADE EASY. Edinburgh: CHURCHILL LIVINGSTONE ELSEVIER, 2003 [2]. Kutz, Myer. BIOMEDICAL ENGINEERING AND DESIGN HANDBOOK Volume 1: Fundamentals. New York: MC GRAW HILL, 2009 [3]. Bronzino, Joseph D. The Biomedical Engineering Handbook: Volume I. Massachusetts: CRC PRESS, 2000 [4]. Besterman, Edwin Creese, Richard. “Waller-Pioneer of Electrocardiography”. British Heart Journal. 1979: 61-64 [5]. Jenkins, Dean. “ECG library”. A (not so) brief history of electrocardiography. Mayo 2009. http://www.ecglibrary.com/ecghist.html. 05/02/2012. [6]. Dorf, Richard. Sensors, Nanoscience, Biomedical Engineering, and Instruments. California: CRC, 2006 [7]. Carr, Joseph. Brown, John. Introduction to Biomedical Equipment Technology. New Jersey: Prentice Hall, 2001 [8]. Enderle, John. Bioinstrumentation. Connecticut: Morgan & Claypool, 2006
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