DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SIMULADOR DE FUNCIONES CARDÍACAS

LICENCIATURA:

INGENIERÍA BIOMÉDICA

ALUMNO:

Noé Arellano Pineda

ASESOR:

M. en I. Donaciano Jiménez Vázquez

México, D.F., a 20 de Septiembre de 2007

INTRODUCCIÓN

La electrónica moderna es un campo que en la actualidad recibe el nombre demicroelectrónica. Ésta se refiere a la tecnología de circuitos integrados (IC) que, enel tiempo que se describe esto, puede producir circuitos que contienen millones decomponentes en un pequeño trozo de silicio. Uno de estos circuitosmicroelectrónicos, por ejemplo, es una computadora digital completa queapropiadamente se denomina microcomputadora o, en forma más general,microprocesador. Los dispositivos electrónicos se pueden usar individualmente en eldiseño de circuitos discretos o como componentes de un chip de circuito integrado(IC), en ambos usos tales dispositivos tienen la capacidad de realizar una ampliavariedad de funciones de complejidad variable.

Las aplicaciones de las técnicas de la electrónica y computación a lamedicina y otros campos afines ha introducido una nueva era de progreso en lamedicina. Los desarrollos más recientes en instrumentación biomédica ha puesto enmanos de la medicina estas herramientas muy eficaces mediante las cuales puedeexpandir ampliamente sus capacidades; estas aplicaciones son tan numerosas yaquí presentamos una de ellas: El Simulador de ECG.

Los electrocardiogramas se usan muy a menudo para los exámenes médicos,investigación y desarrollo de equipo biomédico. Por consiguiente un simulador deECG tiene una variedad grande de aplicaciones. El origen de un simulador de ECGse debe a sugerencias, a través de varios años, en talleres de interpretación dedisritmias cardíacas. Numerosos participantes notaron que usando un simulador conun monitor cardíaco era una manera muy efectiva de aprender las diferentesarritmias del corazón una experiencia muy similar a la realidad.

Los simuladores ofrecen en la actualidad una solución adecuada para cadatipo de necesidad, permitiendo la comprobación de equipos que incorporan elparámetro de ECG, desde la simple comprobación del funcionamiento hasta laverificación y ajuste preciso de cada una de las especificaciones del equipo bajotest. Existen por ejemplo simuladores de ECG de 12 derivaciones, que disponen determinales con conexión para banana, clip y pinza que permiten una rápidaevaluación de Electrocardiógrafos, Monitores de paciente y Centrales demonitorización. Son equipos que disponen de gran autonomía, con indicación dedescarga de pila/acumulador y desconexión automática al no ser usados.

ANTECEDENTES

Se necesita una señal de ECG obtenida electrónicamente para el desarrollo yreparación de un equipo de electrocardiografía. Esto hace innecesario el realizar lasmediciones en personas y en particular en la investigación y todas aquellasactividades de reparación eliminan un riesgo de potencial bajo el sujeto de prueba.

El simulador de ECG que desarrollamos produce una señal conveniente deECG (controlada por un cristal de cuarzo) y puede ser utilizada para la calibraciónde despliegues de pulso. Para realizar un ECG, se colocan los electrodos en partesespecíficas del cuerpo: brazos, piernas y tórax. Los potenciales eléctricos producidospor la actividad eléctrica del corazón, son medidos entre estos electrodos y segraban.

El origen del voltaje del músculo cardíaco es en el nodo sinusal (Figura 1), queemite un pulso que se propaga en dos partes principales temporal y espacial. Elpulso y la progresión de la excitación, puede ser medida en la superficie del cuerpo.Las formas de onda resultantes y su progresión proporcionan información importantea los médicos con respecto a las enfermedades del corazón y el sistema circulatorio.

Figura 1. En el nodo sinusal se origina el voltaje en el músculo cardíaco.

El ECG puede ser desplegado continuamente en un monitor para supervisiónintensiva o puede ser registrado con pluma para documentación. En la figura 2mostramos en detalle el latido del corazón, en la misma se puede apreciar lo quesucede con cada onda e intervalo de un ECG normal.

Figura 2. Secuencia de despolarización del miocardio, en la señal de ECGnormal.

Los modernos registradores para ECG y monitores verifican y evalúan la señalde entrada y filtran la señal de salida de artefactos y señales de ruido como porejemplo señales provenientes de marcapasos. Esto implica que un simple generadorde onda cuadrada no es satisfactorio para usarlo como simulador de ECG, ya quelos equipos para ECG ignorarían simplemente tal señal.

La señal producida por el simulador que hemos desarrollado se puede probarcon diferentes monitores y registradores para ECG. Para esto presentamos acontinuación la información pertinente que nos servirá para desarrollar nuestrotrabajo.

ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA DEL CORAZÓN

El corazón es un órgano ubicado en la cavidad torácica y está cubierto por un sacofibroso, el pericardio. Sus paredes se componen primordialmente de músculo(miocardio), cuya estructura difiere de la del músculo esquelético y la del músculoliso. La superficie interna del miocardio, esto es, la que se encuentra en contactocon la sangre que hay dentro de las cámaras cardiacas, está tapizada por unestrato delgado de células (endotelio).

Longitudinalmente el corazón está dividido en dos mitades, derecha eizquierda, cada una de las cuales consta de dos cámaras, llamadas aurículas yventrículos. La arquitectura del corazón consiste en un esqueleto fibroso, el cualcomprende cuatro anillos de tejido conjuntivo denso, donde la masa muscular detodos está unida. Las masas musculares de las aurículas están adheridas a la partesuperior de dichos anillos y a la parte inferior las de los ventrículos. Entre las cavidadesde la aurícula y el ventrículo de cada mitad del corazón se hallan las válvulasauriculoventriculares (AV), que le permiten a la sangre pasar de la aurícula alventrículo pero no viceversa. Las válvulas AV derecha e izquierda se denominantricúspides y mitrales respectivamente. Las aberturas de los ventrículos hacia elinterior de la arteria pulmonar y hacia la aorta están controladas también porválvulas que permiten el flujo sanguíneo hacia el interior de estas arterias (pulmonar yaórtica respectivamente), pero que se cierran inmediatamente para impedir elreflujo de sangre en dirección opuesta. En las entradas a las aurículas tanto derechacomo izquierda de las venas cavas y pulmonares, respectivamente no hayverdaderas válvulas.

El flujo de sangre del corazón derecho al izquierdo no es directo. Entre lasestructuras a través de las cuales fluye sangre al pasar de las venas sistémicas a lasarterias sistémicas se encuentran: las venas cavas, superior e inferior, la aurículaderecha, el ventrículo derecho, las arterias pulmonares, las arteriolas, los capilares,las vénulas, las venas, la aurícula izquierda, el ventrículo izquierdo y la aorta. Lafuerza impulsora de este flujo sanguíneo, proviene únicamente de la contracciónactiva del músculo cardíaco. Las válvulas no desempeñan papel alguno en lainiciación del flujo, y simplemente impiden que la sangre corra en sentido contrario.

Las células que componen la pared interna de aurículas y ventrículos(miocardio) son una combinación de células de músculo liso y células de músculoesquelético. La célula individual es estriada y contiene tanto los filamentos gruesosde miosina como los delgados de actina, con la diferencia de de que la longitud dela célula cardiaca es mucho más corta que las largas fibras esqueléticas cilíndricas.Los procesos de las células adyacentes se unen por los extremos, en estructurasconocidas como discos intercalados, dentro de los cuales están los puntos de fusiónque permiten la transmisión del potencial de acción a través de las célulascardiacas, en forma similar al músculo liso.

El 99% de las células cardiacas constituye la fuerza de contracción de lasaurículas y los ventrículos; el porcentaje restante corresponde a célulasespecializadas del miocardio que no se contraen, pero son esenciales para laexcitación normal del corazón. Las células especializadas constituyen una redconocida como sistema de conducción del corazón; que hace contacto eléctricocon las células contráctiles por medio de los puntos de fusión (Figura 3). El Haz de Hisy los nodos SA y NA están formados por este tipo de células.

Figura 3. Representación esquemática del sistema de conducción cardíaco.

Las células musculares tanto de las aurículas como de los ventrículos debenexcitarse en forma coordinada para que la bomba cardiaca funcioneadecuadamente. La coordinación se lleva a cabo debido a dos factoresprincipales:

Las uniones herméticas permiten la expansión de un potencial de acción, deuna fibra a la siguiente, de tal forma que la excitación de una sola fibramuscular se expande por todo el corazón

El sistema conductor especializado que hay dentro del corazón facilita laexpansión rápida y coordinada de la excitación.

En el caso del corazón las células del nodo SA presentan máxima velocidadde despolarización (100 despolarizaciones por minuto), asumiendo el papel de

marcapasos natural. Si se realiza una comparación entre una célula muscularcardiaca perteneciente al nodo SA (especializada) y otra célula perteneciente a unventrículo (contráctil), se notará una diferencia importante en cuanto a la prontitudpara alcanzar el umbral de despolarización, siendo la célula especializada la másrápida. Ahora es lógico pensar que la despolarización inicial que da origen al ciclocardiaco y que además establece la frecuencia cardiaca, es el nodo SA localizadoen la aurícula derecha cerca de la entrada de la vena cava superior.

El potencial de acción producido en este punto se expande a través delmúsculo cardiaco contráctil y especializado de manera que cause la contracciónde las aurículas y después de los ventrículos en forma sincronizada.

El músculo cardiaco se contrae de acuerdo con el desplazamiento de unaonda de despolarización que parte del nodo SA. A partir del marcapasos, la ondade despolarización se desplaza hacia la aurícula izquierda a través de la aurículaderecha, provocando la contracción aproximadamente simultánea de ambasaurículas. Cuando la despolarización llega al nodo AV, la transmisión de ladespolarización es a través de la ramificación del haz de His y después por las fibrasde Purkinje que logran la contracción de ambos ventrículos.

REGISTRO ELECTROCARDIOGRÁFICO

A causa de que los líquidos corporales son buenos conductores(es decir, porque elcuerpo es un conductor de volumen), las fluctuaciones en el potencial, querepresentan la suma algebraica de los potenciales de acción de las fibras delmiocardio, pueden ser registradas extracelularmente. El registro de estasfluctuaciones de los potenciales durante el ciclo cardiaco es el electrocardiograma(ECG).

Podemos definir el registro electrocardiográfico o electrocardiograma (ECG)como una representación tiempo-amplitud (volts) de los eventos eléctricosproducidos durante el ciclo cardiaco. La señal electrocardiográfica es determinista,ya que los valores futuros de la señal pueden predecirse a partir de valores pasados.

En un registro de ECG de un paciente sano se identifican claramente tresformas de onda: onda P, complejo QRS y onda T (Figura 4), cada unacorrelacionada con la despolarización que reciben las distintas zonas del miocardio.

Figura 4. Ondas del ECG normal.

La onda P se produce por la despolarización de las aurículas y es la primeradeflexión electrocardiográfica de cada ciclo cardiaco. Durante el intervalo PR quesigue a la despolarización auricular, el impulso se propaga al nodo AV, al haz de Hisy a ambas ramas; en el electrocardiograma clínico sólo es posible ver una líneaplana.

La despolarización de ambos ventrículos y la repolarización de las aurículas sereflejan en el complejo QRS, donde la onda R es la primera deflexión positiva, ladeflexión negativa anterior a R es la onda Q, y la deflexión negativa posterior a R es

la onda S. El segmento ST se extiende desde el final del complejo QRS al comienzode la onda T y representa la fase de repolarización inicial en ambos ventrículos. Elpunto en el que el segmento ST se une al complejo QRS se denomina punto J (delinglés joint, unión).

La fase tardía de la repolarización de ambos ventrículos corresponde a laonda T. El segmento ST y la onda T son indicadores del estado del miocardioventricular.

La onda U no es un hallazgo constante y se piensa que es debida a ladespolarización lenta de los músculos papilares. Los intervalos entre las distintasondas de ECG y los fenómenos que ocurren en el corazón durante éstos se muestranen el cuadro 1.

Cuadro 1. Intervalos del ECG

Duración normal(seg)

Promedio Límites

Fenómenos en el corazóndurante el intervalo

Intervalo PR* 0.18† 1.12 - 0.20Despolarización auricular yconducción a través del nodo AV

Duración QRS 0.08 Hasta 0.10Despolarización ventricular yrepolarización auricular

Intervalo QT 0.40 Hasta 0.43Despolarización ventricular másrepolarización del ventrículo

Intervalo ST(QTmenos QRS) 0.32

… Repolarización ventricular

* Medido desde el inicio de la onda P al comienzo del complejo QRS.† Se acorta cuando crece la frecuencia cardiaca del promedio 0.18 a la frecuencia de 70, a 0.14 a la frecuencia de 130.

Las diferencias temporales y morfológicas en las ondas y segmentos delregistro electrocardiográfico con respecto a un paciente normal podrían serindicativas de padecimientos cardíacos, siempre y cuando se haya descartado laposibilidad de interferencias de cualquier índole (como interferencia de la líneaeléctrica, interferencia magnética, interferencia por transientes, etc.). Estorepresenta el análisis de la señal eléctrica cardiaca en el dominio del tiempo.

DERIVACIONES ELECTROCARDIOGRÁFICAS

Existen doce derivaciones electrocardiográficas estándar internacionalmenteempleadas en la clínica. Con estas doce derivaciones se obtiene una resoluciónespacial adecuada para el diagnóstico de enfermedades cardíacas, los cuales seidentifican con problemas en la conducción de los potenciales de acción delcorazón.

El estudio electrocardiográfico realiza registros unipolares y bipolares delcomportamiento del vector de despolarización cardiaco desde planoscoordenados distintos, el plano frontal y el plano transversal. En el plano frontal seencuentran las derivaciones bipolares DI, DII, y DIII, y las unipolares aumentadas aVR,aVL, aVF. El registro en el plano transversal se efectúa con seis derivacionesunipolares precordiales. Todos los registros en las diferentes derivaciones se llevan acabo con referencia a la pierna derecha del paciente.

Derivaciones bipolares de las extremidades:

Derivación I. Al registrar la derivación I de extremidades la terminal negativadel electrocardiógrafo se conecta al brazo derecho y la positiva al brazoizquierdo. En consecuencia, cuando el punto del tórax donde el brazoderecho se une al tórax es electronegativo con respecto al punto en que elbrazo izquierdo se une al tórax, el electrocardiograma registra undesplazamiento positivo, es decir por encima de la línea de voltaje cero(Figura 5).

Figura 5. Disposición convencional del electrodopara el registro de la derivación I.

Derivación II. Para registrar la derivación II de extremidades, la terminalnegativa del electrocardiógrafo se conecta al brazo derecho y la positiva a la

pierna izquierda. Así, cuando el brazo derecho es negativo con respecto a lapierna izquierda el electrocardiógrafo registra positivamente (Figura 6).

Figura 6. Disposición del electrodopara el registro de la derivación II.

Derivación III. Para registrar la derivación III la terminal negativa delelectrocardiógrafo se une al brazo izquierdo y la terminal positiva a la piernaizquierda. Esto significa que el electrocardiógrafo da un registro positivocuando el brazo izquierdo es negativo con relación a la pierna del mismo lado(Figura 7).

El triángulo de Einthoven es un medio esquemático para señalar que los dosbrazos y la pierna izquierda forman los vértices de un triángulo que rodea al corazón.Los dos ángulos de la parte alta del triángulo representan los puntos a los cuales seconectan eléctricamente los dos brazos con los líquidos que rodean al corazón; elángulo inferior es el punto donde la pierna izquierda se conecta eléctricamente conlos líquidos de la base del corazón. La ley de Einthoven dice simplemente que si seregistran los potenciales eléctricos de dos de las tres derivacioneselectrocardiográficas estándar, la tercera puede deducirse matemáticamente delas dos primeras simplemente sumándolas (incluyendo los signos positivos y negativosde las derivaciones).

Figura 7. Disposición del electrodo para elregistro de la derivación III.

El electrocardiograma típico para las derivaciones bipolares se encuentra en lafigura 8.

Figura 8. Electrocardiograma típico para lasderivaciones bipolares.

Derivaciones unipolares aumentadas de miembros:

Derivación aVR (aumentada de brazo derecho), el electrodo positivo secoloca en el brazo derecho y el electrodo negativo es un promedio entre elbrazo izquierdo y la pierna izquierda (Figura 9).

Figura 9. Disposición del electrodo para elregistro de la derivación aVR.

Derivación aVL (aumentada de brazo izquierdo), el electrodo positivo secoloca en el brazo izquierdo y el electrodo negativo se coloca en el promediode brazo derecho y pierna izquierda (Figura 10).

Figura 10. Disposición del electrodo para elregistro de la derivación aVL.

Derivación aVF (aumentada de pierna izquierda), el electrodo positivo secoloca en la pierna izquierda y el electrodo negativo en el promedio de losmiembros restantes (Figura 11).

Figura 11. Disposición del electrodo para elregistro de la derivación aVF.

El electrocardiograma para las derivaciones unipolares aumentadas demiembros se encuentra en la figura 12.

Fig. 12 Electrocardiograma para las derivacionesunipolares aumentadas de miembros.

De esta forma en el plano frontal tenemos seis derivaciones: tres bipolares (DI,DII y DIII) y tres unipolares aumentadas (aVR, aVL y aVF), esto se conoce como elsistema hexaxial de Bailey.

Derivaciones Precordiales:

Las derivaciones del plano transversal se obtienen al colocar el electrodo negativoen la terminal de Wilson y el electrodo positivo en el tórax, en posiciones quedeterminan las diferentes derivaciones precordiales.

La terminal de Wilson es el promedio entre el potencial registrado en el brazoderecho, brazo izquierdo y pierna izquierda, localizando al electrodo negativo en elcentro del corazón. En realidad el centro del corazón no se encuentra en el centrodel triángulo de Einthoven, pero para fines prácticos esto se considera válido.

Las posiciones de los electrodos precordiales sobre el tórax son las siguientes(Figura 13):

V1: Cuarto espacio intercostal a la derecha del esternón.

V2: Cuarto espacio intercostal a la izquierda del esternón.

V3: En el centro de V2 y V4.

V4: Quinto espacio intercostal en la línea media clavicular.

V5: Quinto espacio intercostal en la línea anterior axilar.

V6: Quinto espacio intercostal en la línea media axilar.

Figura13. Colocación de los electrodos para elregistro de las derivaciones precordiales.

En la figura 14 se muestra el electrocardiograma típico de las derivacionestransversales precordiales.

Figura 14. Electrocardiograma que especifica el comportamiento típico de las derivaciones precordiales.

EL SIMULADOR DE FUNCIONES CARDÍACAS: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN

Diseñamos un simulador que proporciona doce ondas1, similares a la de unelectrocardiograma normal, es un circuito casi en su totalidad analógico con el cualse crea primeramente una señal compleja por medio de la sumatoria final de loscomponentes parciales de dicha señal (onda P, complejo QRS, onda T), incluyendolos circuitos que realicen los retardos correspondientes a los intervalos y segmentos. Elsimulador será capaz de desplegar en pantalla (de un osciloscopio por ejemplo) lasdoce derivaciones electrocardiográficas estándar internacionales empleadas en laclínica. Todas estas señales en el orden de mV y también en el orden de V, paracuatro diferentes frecuencias.

En la figura 15 mostramos un diagrama de bloques para el diseño delsimulador.

Figura 15. Diagrama de bloques del simulador de funciones cardíacas.

De acuerdo con el diagrama de bloques debemos obtener cada etapa,comenzando por el oscilador, hasta obtener la red de derivaciones para estoutilizaremos lo siguientes componentes:

Circuitos Integrados (divisor de frecuencias, contadores y amplificadoresoperacionales)

1 Para detalles de cómo generar una sola señal de ECG véase también “ECG simulator” por J. Holzhauer enwww.ieeexplore.ieee.org

OSCILADORDIVISOR

DEFRECUENCIAS

SELECTORDE

FRECUENCIASCONTADOR

COMPONENTESPASIVOS AMPLIFICADOR

SEÑALDE

ECG

REDDE

AMPS. OPS.

DERIVACIONES

° DI ° V1° DII ° V2° DIII ° V3° aVR ° V4° aVL ° V5° aVF ° V6

Componentes pasivos (capacitores y resistencias)Cristal de cuarzoDip SwitchTarjeta de circuito impreso o protoboards

Oscilador

Para el oscilador podemos seguir dos vías: usando un oscilador de cristal o unoscilador RC. En nuestro caso hemos optado por utilizar un oscilador de cristal decuarzo de 4MHz debido a que los cristales de cuarzo presentan características deresonancia muy estables y que al ser utilizados en el diseño de osciladores estosúltimos presentan frecuencias muy precisas y estables, lo cual no sucede con lososciladores RC.

El oscilador generará los pulsos necesarios de frecuencia variable para hacervariar la frecuencia de la señal de ECG en un rango de 14 pulsos/minuto hasta 113pulsos/minuto aproximadamente. Para construir el oscilador hacemos uso de uncircuito integrado que es contador binario de cuatro fases o periodos.

Divisor de Frecuencias

Utilizamos un circuito integrado (4521) el cual es un divisor de frecuencias, este divisorde frecuencias es alimentado por el oscilador, se obtiene a la salida de este circuitointegrado cinco señales de onda cuadrada a diferentes frecuencias, de las cualescuatro de éstas señales nos servirán para la obtención a diferentes frecuencias de laseñal de ECG. La otra señal nos servirá para alimentar la etapa del contador.

Selector de Frecuencias

Para la etapa de selección de frecuencias utilizamos un circuito como el mostradoen la figura 16.

Figura 16. Circuito selector de frecuencias.

Las cuatro señales de onda cuadrada a diferentes frecuencias que seobtienen del divisor de frecuencias se conectarán al nodo N1 a través de un dipswitch. Este último nos permitirá conmutar entre cuatro pines del divisor defrecuencias y el nodo N1 mostrado en la figura 16, esto con el propósito de obtenerla señal de ECG, juntamente con las doce derivaciones estándar a cuatro diferentefrecuencias.

La señal elegida por el usuario a través del dip switch será diferenciada por lacombinación de C1 y R1, como se obtienen pulsos con amplitud positiva y negativautilizamos el diodo D1 con el propósito de eliminar la porción negativa del pulso.

Contador

En esta etapa utilizamos un circuito integrado el cual es un contador decimal (4017Johnson de 5 periodos o etapas).

Pulsos provenientes del selector de frecuencias inician o reajustan a cero elcontador decimal en el tiempo apropiado. El contador decimal alcanza un conteode nueve y mantiene este estado ya que la máxima salida decodificada O9 se haconectado a la entrada de habilitación, esto solamente ocurre cuando el pulso seinicia o reajusta a cero.

Componentes Pasivos

Usamos resistencias, capacitores y diodos. Es aquí en donde finalmente podemosobservar de una manera clara la señal de ECG, para esto describimos acontinuación la manera en como este diagrama genera dicha onda.

Señal ECG

En este caso obtenemos ya una señal amplificada del ECG normal (Figura 18) la cuales posible observarla por medio de un osciloscopio.

Figura 18. Señal electrocardiográfica normal obtenida por el simulador.

Red de Amplificadores Operacionales

Esta red de amplificadores operacionales está construida con la finalidad deobtener cada una de las derivaciones que hemos estudiado hasta este momento.

Cabe hacer mención que existe otra vía que podemos usar y consiste en usaruna red puramente resistiva con la función de simular las doce derivaciones, estearreglo resistivo está basado en la impedancia que se tiene entre dos puntosdiferentes del cuerpo: brazo derecho (RA), brazo izquierdo (LA), pierna derecha (RF)y pierna izquierda (LF). En este caso cada derivación se obtiene usandoamplificadores operacionales en sus diferentes configuraciones y aplicaciones, deacuerdo a la tabla I.

Por facilidad usamos varios amplificadores operacionales para poder obteneruna amplitud (ganancia) que esté de acuerdo con cada una de las diferentesderivaciones electrocardiográficas que vamos a obtener. Esta forma de hallar lasdoce derivaciones tiene la ventaja de no usar el arreglo resistivo que se usa enmétodo anterior.

Para esto usamos las diferentes configuraciones que existen paraamplificadores operacionales, como configuración inversora, configuración noinversora y sus diferentes aplicaciones de ambas por ejemplo: el sumadorponderado, el seguidor de voltaje y el amplificador diferencial. Cada una de lasconfiguraciones y aplicaciones mencionadas anteriormente se usarán de acuerdo ala derivación que deseamos obtener.

DerivaciónNomenclatura

Definición Nombre de laderivación

I I = LA - RAII II = LL - RAIII III = LL -LA

Derivación bipolar demiembros (Einthoven)

aVR aVR = RA - (LA + LL)/2aVL aVL = LA - (LL + RA)/2aVF aVF = LL - (LA + RA)/2

Derivacionesaumentadas(Goldberger)

V1 V1 = V – (LA + RA + LL)/3V2 V2 = V – (LA + RA + LL)/3V3 V3 = V – (LA + RA + LL)/3V4 V4 = V – (LA + RA + LL)/3V5 V5 = V – (LA + RA + LL)/3V6 V6 = V – (LA + RA + LL)/3

Derivaciones unipolaresprecordiales (Wilson)

Tabla 1. Definición de derivaciones. (AAMI)

Derivaciones

Es en esta etapa en donde ya tenemos todas las derivaciones y podemos medir eneste momento sus características más importantes que son amplitud y frecuencia.

Hablando de amplitudes éstas oscilan en un rango que van de 0 V a 2.5 V. Yen términos de frecuencias éstas oscilan en un rango de 14.28 pulsos/min hasta113.20 pulsos/min. Este último rango de frecuencias comprende lo que se conocecomo bradicardias y taquicardias.

Mostramos el diagrama a bloques en la Figura 19. Este es el diagrama agrandes rasgos:

Figura 19. Primera parte del diagrama eléctrico del simulador de ECG, en esta primera parte se obtienen lasondas de un ECG normal.

En la figura 20 mostramos la segunda parte del diagrama eléctrico delsimulador de funciones cardiacas, en esta parte es en donde se obtienen todas lasderivaciones electrocardiográficas.

Figura 20. Segunda parte del diagrama eléctrico del simulador de ECG, se han utilizado amplificadoresoperacionales para la obtención de todas las derivaciones.

Señalde

ECG

Red de Amplificadores

Salidade las 12

derivaciones

RESULTADOS

DERIVACIONES BIPOLARES

Lat/min DI DII DIII

120

60

30

15

DERIVACIONES UNIPOLARES

Lat/min aVR aVL aVF

120

60

30

15

DERIVACIONES PRECORDIALES

Lat/min V1 V2 V3

120

60

30

15

DERIVACIONES PRECORDIALES

Lat/min V4 V5 V6

120

60

30

15

CONCLUSIÓN

Se debe tener una base sólida para la obtención de los resultados, es decir las docederivaciones, por tal motivo la generación de la señal electrocardiográfica contodas las ondas y segmentos característicos es la parte medular para la obtenciónde las mismas, debido a que esta onda la hemos obtenido parcialmente, deacuerdo al diagrama eléctrico podemos observar que tenemos las siguientes ondas:

Ondas P y T juntamenteComplejo QRSOnda T

En los dos primeros casos existe un intervalo de tiempo diferente, de tal formaque al sumar todas las ondas por medio de un sumador ponderado se obtenga laseñal electrocardiográfica normal. En el último caso nos sirve para variar la amplitudde la onda T de la señal resultante.

Por otro lado no necesariamente tenemos que obtener las doce derivacionespara poder observar los cambios en frecuencia de las mismas, ya que la parte delcircuito que estamos utilizando como selector de frecuencias nos permite observarcambios en cuatro diferentes frecuencias de la señal electrocardiográfica normal.En cuanto a las amplitudes de onda obtenidas éstas son adecuadas para excitarpor ejemplo: monitores y registradores de manera directa.

Es conveniente aclarar que el dispositivo que hemos desarrollado presenta laenorme ventaja de ser muy económico debido a los componentes que se hanutilizado y la construcción del mismo no implica ningún problema.

Todos los resultados que reportamos los hemos obtenido con ayuda de unosciloscopio por facilidad, sin embargo se puede utilizar: amplificador NihomKohden, consola de amplificador, panel de entradas bioeléctricas, selector dederivaciones, caja de entradas bioeléctricas Nihom Kohden, BIOPAC SISTEM MP 150,y CPU con el sistema de adquisición.

OBSERVACIONES

Es importante hacer algunas aclaraciones sobre la metodología que hemos utilizadopara llegar a los resultados. Ya que tuvimos que esperar hasta el proceso deconstrucción o armado del circuito para observar que se presentan factores nodeseados que por alguna razón no esperábamos, y por esta razón adoptamos lametodología que hemos presentado.

Para alimentar al circuito se puede usar una batería de 9 V, pero resulta máseconómico y practico utilizar una fuente de alimentación de 9 V.

Podemos asegurar que no existe algún problema para la generación de laseñal electrocardiográfica normal en cuanto a magnitud y frecuencia.Preferimos amplificar ésta señal para que al momento de obtener las docederivaciones éstas últimas no se tengan que amplificar por separado, con estose ahorran amplificadores operacionales.

Si se utiliza una red resistiva para simular las doce derivaciones sí obtenemosresultados; pero se presentan en todas las derivaciones componentes decorriente directa (cd), es decir se presenta la derivación más un voltaje en cd.

El uso de la red resistiva implica necesariamente el uso de la tabla 1 para lageneración de las derivaciones, sin embargo se tendrían que utilizar bastantesamplificadores operacionales, y en este caso no es una buena opción.

Para la red de amplificadores operacionales conviene utilizar CI de cuatroamplificadores operacionales para ahorrar espacio.

La vía más fácil para la adquisición de la información resultante es por mediode un osciloscopio como lo vemos en la figura 21, dado que como se fijo elvoltaje de salida entre 1 y 2 volts, con otro equipo como el BIOPAC, satura laseñal; una de las grandes ventajas es que se puede reducir o aumentar laganancia de la salida sin modificar la onda de la señal.

Figura 21: Vista completa del simulador usando máximo 4 protoboards.

Las señales mostradas en este trabajo fueron obtenidas con una cámara digital,usando un osciloscopio con fondo negro mostrado en la figura 22, y haciendo usodel procesamiento de imágenes pudo tenerse un fondo negro.

Figura 22: osciloscopio usado en la adquisición fotográfica.

Este simulador es básico, pero hemos visto y aprendido que puede adicionarseinfinidad de cosas, tales como arritmias, y valores mas aproximados a un simuladorconvencional, solo con la ayuda de componentes pasivos y unos cuantos arregloscon integrados TL084 (amplificadores operacionales).

GLOSARIO DE TERMINOS

Arritmia Cardíaca. Frecuencia o ritmo anormal de las contraccionesmiocárdicas auriculares o ventriculares. Puede deberse a un defecto en elnodo sinoaricular, que es incapaz de mantener su función de marcapasos, oen el haz de His y las ramas o la red e Purkinje, que no conducenadecuadamente el impulso contráctil.

Bipolar. Electrocardiograma registrado a partir de dos electrodos específicossituados sobre el cuerpo, en este caso las extremidades del mismo.

Disritmia Cardíaca. Alteración de un patrón de ritmo normal de las ondaselectrocardiográficas.

Interferencias. Señales que interfieren el registro de la actividad eléctricaproveniente del órgano de interés, modificando la morfología de la señal eimpidiendo o dificultando su interpretación.

Resolución espacial. Medida de la distancia mínima en que dos fuentes de luzindependientes son reconocidas como tales y no como una sola fuenteemisora.

Unipolar. Electrocardiograma registrado a partir de dos electrodos específicosen donde el electrodo positivo se coloca en una extremidad del cuerpo y elelectrodo negativo es un promedio de las extremidades restantes.

BIBLIOGRAFÍA

CASTELLANOS P., GODÍNEZ R., JIMÉNEZ J., MEDINA V. 1997. Electrofisiologíahumana. Un enfoque para ingenieros. UAM Iztapalapa, México.

GANONG W. Fisiología Médica. 14ª. Ed., El Manual Moderno S. A. de C. V.México, D. F. 1990

GIBILISCO S. Electrónica. Diccionario Enciclopédico, 2da ed., McGraw-Hill,México, 1995.

SEDRA A., SMITH K. Circuitos Microelectrónicos. 4ta. ed., Oxford University Press,México, 1999.