Reporte Electrocardiógrafo (8BM1)
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8/2/2019 Reporte Electrocardigrafo (8BM1)
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ElectrocardigrafoDiseo,ConstruccineImplementacindelECG
Monitorizacindelassealeselectrocardiogrficas,producidasporlacontraccininvoluntariadel
msculocardiaco
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trocardigrafo
1
Electrocardigrafo
Elaboro:
AlfaroSosaJorge
DeJessQuezadaOscar
DeLaOOrtizJavier
PrezVzquezAlandJosu
Revisa:
Profesor.RicardoRobertoHortaOlivares
Grupo:
8BM1
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lectrocardigrafo
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Diseo,Construccine
ImplementacindelECG
Objetivo general,
Desarrollar un dispositivo que nos permita monitorear las
seales elctricas que se producen en los periodos de sstoles
y distole, comprendidos en las fases de funcionamiento del
corazn.
Objetivo particular.
Disear, construir y calibrar un electrocardigrafo en base al
amplificador de instrumentacin AD620 implementando los
filtros necesarios para el acondicionamiento de la seal
obtenida y utilizando los mtodos necesario para la reduccin
mxima del ruido que se pueda inducir.
Marco Terico
En el cuerpo humano se generan diferentes seales
bioelctricas debido al funcionamiento de rganos tales como
el cerebro, el corazn, los ojos, los msculos. Estas seales
reciben nombres caractersticos dependiendo del rgano en
el que se originan. Para los rganos mencionados, las seales
reciben el nombre de electroencefalogrficas
electrocardiogrficas, electrooculogrficas y
electromiogrficas, respectivamente. Las seales bioelctricas
son utilizadas principalmente en diagnstico mdico para
detectar patologas en los rganos que las producen
En el cuerpo humano se producen potenciales elctricos
debido a las membranas de prcticamente todas la clulas.
Algunas clulas como las nerviosas y las musculares son
capaces de generar impulsos electroqumicos rpidamente
cambiantes en sus membr.La funcin del msculo cardaco es dependiente de la
ElectrocardigrafoLa actividad
bioelctrica
correspondiente al
latido cardiaco fue
descubierta por Kolliker
y Mueller en 1856. El
primero en aproximarse
sistemticamente a
este rgano bajo el
punto de vista elctrico
fue Augustus Waller,
que trabajaba en el
hospital St. Mary, en
Paddington (Londres)
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actividad contrctil organizada de las clulas musculares ventriculares. Esta actividad
contrctil es gatillada por la generacin de cambios temporales especficos en el
potencial de transmembrana de las clulas musculares (potencial de accin). La
duracin, sincrona o dispersin de los potenciales de accin de las clulas
musculares ventriculares puede ser estudiada desde la superficie corporal a travs
del Electrocardiograma (ECG). El complejo de ondas que representa el tiempo desde
que comienza la despolarizacin ventricular hasta que todas las ondas se repolarizan
es llamado Intervalo QT. El perodo durante el cual las clulas ventriculares
permanecen en reposo elctrico es llamado Intervalo TQ. Factores biolgicos como
la Frecuencia Cardaca (FC) y la actividad del sistema nervioso modifican la duracin
del intervalo QT. Presentamos un modelo que intenta describir la evolucin del
Intervalo QT en funcin del cambio instantneo de la FC (representada por el
Intervalo TQ previo del ECG) y la historia de cambios en la FC (representada por un
parmetro al que llamamos Memoria). Los resultados de la simulacin son
comparados con datos experimentales. La aplicacin de este modelo, si se ajusta el
valor de los parmetros a las condiciones fisiolgicas individuales, permitira predecir
los cambios en la duracin del Intervalo QT y prevenir los efectos sobre la
produccin de arritmias cardacas.
El ciclo cardiaco esta formado por un periodo de relajacin denominado distole,
seguido de un periodo de contraccin denominado sstole.
En la siguiente figura se describe los diferentes acontecimientos que se producen
durante el ciclo cardiaco para el lado izquierdo del corazn.
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Las tres curvas superiores muestran los cambios de presin en la aorta en el
ventrculo izquierdo y en la aurcula izquierda respectivamente. La cuarta curva
representa los cambios en el volumen ventricular izquierdo, la quinta el
electrocardiograma y la sexta un cardiofonograma que es un registro de los ruidos
que se producen en el corazn ( principalmente la de las vlvulas cardiacas) durante
su funcin de bombeo.
En el electrocardiograma, la sstole elctrica de los ventrculos empieza donde
comienza el complejo QRS. La sstole elctrica de las aurculas comienza con elinicio de la onda P del electrocardiograma (ECG) Correspondiente a la fisiologa del
ciclo cardiaco, la onda P representa la fase de llenado, el Complejo QRS la fase de
contraccin isovolumtrica y lo correspondiente a la fase de eyeccin y relajacin
isovolumtrica se representa a partir del punto donde termina el complejo QRS hasta
el final de la onda T. Referente a la fisiologa elctrica, la onda P es la representacin
del inicio de la excitacin del ndulo sinusal, la conduccin seno-atrial, el inicio de la
despolarizacin auricular, la llegada de la onda al nodo AV y la completa
despolarizacin auricular. El segmento PR es la representacin de la llegada de la
onda al Haz de His, luego a las fibras de Purkinje, El complejo QRS representa la
despolarizacin ventricular, y la onda T la repolarizacin ventricular, asimismo; la
repolarizacin auricular ocurre durante el complejo QRS y queda enmascarada por
ste.
Los voltajes de las ondas que se registran en el electrocardiograma normal
dependen de la manera en la que se aplican los electrodos en la superficie del
cuerpo y de la proximidad de los electrodos al corazn. Cuando un electrodo est
colocado directamente sobre los ventrculos y un segundo electrodo est localizadoen otra parte del cuerpo alejada del corazn el voltaje del complejo QRS puede ser
de hasta 3 a 4mV, Incluso este voltaje es pequeo en comparacin con el potencial
de accin monofsico de 110mV que se registra directamente en la membrana del
msculo cardiaco. Cuando los electrocardiogramas se registran con electrodos en
los dos brazos o en un brazo y una pierna, el voltaje en el complejo QRS
habitualmente es de 1,0 a 1,5 mV desde el punto ms elevado de la onda R hasta el
punto ms profundo de la onda S; el voltaje de la onda P est entre 0.1 y 0,3 mV y el
de la onda T est entre 0.2 y 0,3 mV.
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En cuanto a la disposicin de los electrodos para el registro de la actividad elctrica
cardiaca, podemos encontrar diferentes configuraciones que muestran cambios en
las amplitudes monitorizadas, esto depender de las capacidades de los potenciales
de accin que se llegan a captar y es diferente para cada persona de acuerdo con
aspectos intrnsecos y extrnsecos, sin embargo podemos clasificar las disposiciones
en dos grupos, las derivaciones bipolares y las derivaciones mono polares. En las
derivaciones bipolares se conectan dos electrodos en secciones corporales
definidas, as una derivacin bipolar significa que el electrocardiograma se registra a
partir de dos electrodos que estn localizados en lados diferentes del corazn. En
cambio las derivaciones unipolares dos de los electrodos se conectan a la terminal
negativa del electrocardigrafo y la tercera extremidad se conecta al terminal
positivo. Cuando el terminal positivo est en el brazo derecho se conoce como
derivacin a VR, cuando est en el brazo izquierdo es la derivacin a VL y cuando
est en la pierna izquierda es la derivacin VF.
Existen tres zonas estndar para el registro de actividad elctrica del corazn, de
acuerdo con el tringulo de Einthoven en donde se traza un tringulo con su base en
la parte superior del trax, de esta forma los vrtices estn localizados en las dos
extremidades superiores y en la pierna izquierda, de ah que los electrodos e
conecten en estos puntos. A partir de este tringulo se estandariza el registro de la
actividad, para de esa forma ubicar los electrodos en los lugares correspondientes
con el fin de obtener una seal que nos otorgue la mayor amplitud posible. Se debe
tener en cuenta que los periodos de despolarizacin y repolarizacin de las aurculas
y los ventrculos ocurre en intervalos de tiempo muy cortos por lo que es necesario
asegurar que el equipo tenga la capacidad de registrar estos cambios para poder
apreciar los complejos de la onda electrocardiogrfica.
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Desarrollo
Como hemos mencionado la amplitud de las ondas elctricas producidas por el
msculo cardiaco son de muy baja amplitud, haciendo imposible su monitorizacin a
travs de dispositivos de medicin de seales como los son los osciloscopios o los
multmetros, en consecuencia resulta necesario una etapa intermedia entre la
adquisicin de las seales elctricas del corazn y la representacin grfica de las
mismas. Esta etapa consiste en un dispositivo que tenga la capacidad de identificar
seales de baja amplitud y frecuencia variable, con el fin de lograr una etapa
posterior de amplificacin que nos permita la visualizacin de su espectro en el
tiempo mediante un aparato de medicin. Hemos utilizado un amplificador de
instrumentacin (AD620) que nos permitir amplificar la amplitud de la seal en un
orden variable que puede ser regulado fcilmente cambiando el valor de dos
resistencias. De acuerdo con la hoja de especificaciones del AD620 el circuito en su
configuracin de ECG queda como el siguiente.
ILUSTRACIN1: CONFIGURACINECG
La configuracin mostrada presenta diversas complicaciones en cuanto a materiales
y mtodos de obtencin de las seales, especficamente de la seal de referencia,
por tal motivo hemos modificamos la configuracin del amplificador de tal manera
que el electrodo de referencia pueda ser conectado a la tierra del circuito, de esta
manera, se canalizan las seales de los electrodos ms cercanos al corazn a lasterminales inversora y no inversora del amplificador, en este caso se coloc un
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electrodo en una regin cercana a los ventrculos y el otro electrodo en una regin
complementaria en la regin del bceps derecho.
En cuanto a la ganancia del amplificador hemos colocado una resistencia de 100
que de acuerdo a la ecuacin:
Obtenemosunagananciade:
=49.4
100+ 1 = 495
Como sabemos, la amplitud de la seal electrocardiogrfica en el complejo QRS se
encuentra en el intervalo de 3 a 4mV, por lo que segn la ganancia obtenida
obtenemos:
= 3 495 = 1.485
Una seal con esta amplitud puede ser observada a travs del osciloscopio y a partir
de esto podemos analizar la seal para determinar los elementos necesarios de
acondicionamiento para obtener una seal libre de ruido externo. El circuito
modificado y la simulacin de su funcionamiento se muestran en las siguientes
figuras.
V1
DC = 10
V2
10 0
R1
5k
V3
FREQ = 60
VAMPL = .02
VOFF = 0
10k
0
U2
AD620/AD
OUT6
+3
-2
REF5
V+
V-
4
RG11
RG28
010.00V
V
V
ILUSTRACIN2: DISEODEAMPLIFICADORDE INSTRUMENTACIN
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ILUSTRACIN3: SIMULACINDELAD620
En la siguiente figura se muestra la seal obtenida fsicamente a la salida del
amplificador de instrumentacin, podemos observar que la seal electrocardiogrfica
est montada en una seal de corriente directa en el rango de 5 a 6v, esto se debe a
que los potenciales producido por el msculo cardiaco y la piel producen una
componente de corriente directa.
ILUSTRACIN4: SEALOBTENIDAALASALIDADELAD620
Para eliminar la componente de corriente directa que ocasiona este efecto de
potenciales de accin, hemos implementado un filtro pasa altas de primer orden con
una frecuencia de corte muy baja, basndonos en el principio de que una seales de
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corriente directa no presenta oscilaciones, por lo que su frecuencia de oscilacin
idealmente corresponde a cero, diseando un filtro pasa altas, eliminaremos por
completo la seal de corriente directa, permitindonos visualizar el comportamiento
real de msculo cardiaco.
Para un filtro pasa altas tenemos que:
!=
1
2!
Si la frecuencia de corte debe ser muy baja, podemos proponer:
= 100K = 1 = 4.7
Obtenemos:
!=
1
2(100)(4.7)= 0.3
=!
!
=
1
100= 10
El circuito que diseamos queda de la siguiente manera:
U1
TL081/301/TI
+3
-2
V+
7
V-4
OUT6
N11
N25
V1
1Vac
0Vdc
R1
100k
R2
1000k
C1
4700n
0
10.00V
0
+V
-V
V
ILUSTRACIN5: FILTROPASAALTAS
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En la siguiente ilustracin podemos observar la simulacin del filtro pasa altas,
podemos observar la baja frecuencia de corte, que nos asegura la atenuacin de la
oscilacin de la seal de corriente directa y nos proporciona una seal
electrocardiogrfica centrada en el origen.
ILUSTRACIN6: SIMULACINFILTROPASAALTAS
Fsicamente observamos una seal desmontada, centrada en el eje horizontal; sin
embargo aun se logran apreciar componentes de seales ruido producidas por
diversos factores externos, como lo son la fuente de alimentacin del circuito, la
impedancia de la piel al contacto con los electrodos, los efectos capacitivos de los
cables, los efectos receptivos de las conexiones que no cierran un circuito as como
el efecto producido por radiaciones electromagnticas de fuentes de luz y la propia
seal de ruidos de la frecuencia cardiaca.
ILUSTRACIN7: SEALOBTENIDADELFILTROPASAALTAS
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Realizamos un acercamiento a la seal mediante el osciloscopio para poder observar
las componentes de las seales de ruido, nos percatamos de una seal montada a
una frecuencia aproximadamente de 100Hz, por lo que proponemos el diseo de un
filtro pasa bajas con una frecuencia de corte cercana a esta, de tal modo que nos
permita atenuar las frecuencias ms altas y nos proporcione un espectro ms
limitado en frecuencia, sin perder la informacin de la seal original.
Para el diseo del filtro proponemos un capacitor de 10nF de tal forma que:
! =!
2!!
=
1
2 70 10 = 227.36
La resistencia ms cercana a ese valor es de 220K, por lo que nuestra frecuenciade corte queda finalmente de:
!=
!
2!!
=
1
2 220 10 = 72.4
El circuito del diseo queda de la siguiente forma:
ILUSTRACIN8: FILTROPASABAJAS
U4
TL081/301/TI
+3
-2
V+7
V-4
OUT6
N11
N25
V8
1Vac
0Vdc
R10
220k
0
-V
+V
C5
10n
V
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ILUSTRACIN9: SIMULACINDEFILTROPASABAJAS
En la siguiente figura observamos la respuesta de la seal al filtro pasa bajas con
frecuencia de corte de 72.4Hz, se aprecia la atenuacin del ruido de alta frecuencia
que se monta en la seal, sin embargo, se logra apreciar la presencia de otra
componente de ruido ajena a la seal original.
ILUSTRACIN10:RESPUESTAREALDELFILTROPASABAJAS
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Hasta este punto obtuvimos la seal bsica en el dominio del tiempo de la frecuencia
cardiaca, podemos observar de primera mano el complejo QRS, sin embargo
visualizamos alteraciones sobre esta seal producidas por los efectos que hemos
mencionado. Una de las seales de ruido ms inducidas en circuitos delicados
como lo es un amplificador de instrumentacin son producidas por las oscilaciones
no estabilizadas de la fuente de alimentacin y las ondas electromagnticas
producidas por las fuentes de luz. Estas seales de ruido tienen una caracterstica
muy en particular y relativamente fcil de identificar, poseen una oscilacin que se
encuentra en el rango de 50 a 60Hz. Podemos identificarla midiendo el periodo de la
seal de ruido montada en la seal electrocardiogrfica y puede ser eliminadamediante la implementacin de un filtro rechaza bandas con una frecuencia de corte
de 60Hz.
Se dise un filtro T-twin de 2 orden donde
=!
2!
Se propone C = 10 nF
=1
2 60 10 = 265.258
El valor ms prximo es R = 270KPara determinar R! , Q = 0.5, de esta manera R! puede ser descartada.
! = !(1
1
2)
Propusimos R! = 10K, sin embargo esto no tiene sentido, ya que de la misma
manera se puede descartar cuando Q = 1
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En la siguiente figura se muestra el circuito diseado.
ILUSTRACIN11: FILTRORECHAZABANDASDE60HZ
En la siguiente ilustracin se puede apreciar la simulacin producida por estecircuito, observamos que la frecuencia de corte se localiza aproximadamente en
60Hz, lo que en teora nos permitira eliminar la componente de ruido montada en la
seal muestreada.
ILUSTRACIN12: SIMULACINDEFILTRORECHAZABANDAS
Fsicamente la seal que obtenemos a la salida del filtro rechaza bandas es una
seal ms estable, aunque an contiene algunas componentes de ruido mnimas seconsideran inherentes a la seal cardiaca.
U1
TL081/301/TI
+3
-2
V+7
V-4
OUT6
N11
N25
270k
R6
270k
C2
22n
00
C3
10n
C4
10n
R7
270k
R8
10k
0
V7
1Vac
0Vdc
R9
270k
+V
-V
V
-
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ILUSTRACIN13: SEALECG FINAL
ILUSTRACIN14: SEALECG FINAL
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En la siguiente ilustracin se muestra el acoplamiento de todas las etapas en un
circuito final que nos otorga una respuesta ms estable de trazo electrocardiogrfico
ILUSTRACIN15: ACOPLAMIENTODEETAPAS
V1
10v
V2
10
-V
+V
0
U2
AD620/AD
OUT6
+3
-2
REF5
V+7
V-4
RG11
RG28
+V
-V
Vin-
Vin+
R1100
0
R2
100k
U3
TL081/301/TI
+3
-2
V+7
V-4
OUT6
N11
N25
C1
4700n
U4
TL081/301/TI
+3
-2
V+7
V-4
OUT6
N11
N25
R3
220k
0
C2
10n
-V
+V
U5
TL081/301/TI
+3
-2
V+
7
V-4
OUT6
N11
N25
-V
+V
R4
265k
R5
270k
R6
270k
R7
270k
C3
10n
C4
10n
C5
22n
0
R9
1000k
-V
+V
0
R10
1k
Salida
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Problemas
Debidos a la naturaleza de las seales que estamos monitorizando es necesario
tomar precauciones especiales en cuanto a la reduccin de ruido. En el desarrollo
del circuito, nos encontramos con diversos dificultades. En cuanto a la adquisicin
de la seal tuvimos problemas con la posicin de los electrodos, debido a las
corrientes producidas durante la frecuencia cardiaca, la amplitud de esta seal
tambin representa un problema ya que se trata de conseguir la seal con la ms
alta amplitud con el fin de reducir la necesidad de amplificacin que pueda inducirruido en un factor mayor. La identificacin de las frecuencias de los armnicos
montados en la seal puede generar problemas debido a que la accin de los filtros
debe ser en un rango muy especfico con muy poca tolerancia en el caso de filtros
sencillos. La calibracin de estos filtros exigen mayor precisin en cuanto a los
componentes que se utilizan en su diseo, lo que llega a ser muy complicado.
Conclusin
Las seales electrocardiogrficas y las seales bioelctricas en general representan
potenciales de muy baja amplitud, lo que hace difcil su visualizacin eimplementacin en sistemas; sin embargo el desarrollo de dispositivos ms sensibles
ha logrado reducir esta dificultad. Con el desarrollo de esta prctica logramos
visualizar aspectos que en ocasiones pasamos por alto debido a su naturaleza y al
mnimo grado al que llegan a inferir, por otra parte, al tratar con seales de
naturaleza biolgica debemos contemplar aspectos tan bsicos como las ondas
electromagnticas que nos rodean debido a las corrientes que fluyen en los
dispositivos prximos. Con la presencia de la diversidad de seales en el medio,
debemos tomar especial atencin a los conductores que puedan fungir como
antenas receptoras que logren captar seales no deseadas que finalmente son
inducidas en la seal muestreada, por otro lado resulta casi imposible eliminar elruido en un 100% estas alteraciones, lo que se intenta es reducir la cantidad de
estas y tratar de atenuar las que lograron penetrar al sistema.