UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

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Proyecto Diseño de Circuitos Analógicos Electrocardiógrafo ECG

Presentado por: Erwin Leonardo Higuera, Leonardo Guerrero Ayala, Freddy Alexander Bermúdez y Jorge Alberto Rodríguez.

I. Introducción

En el mundo de la medicina moderna se observa la necesidad de la sociedad por buscar un bienestar en todo sentido, tanto en salud física como mental. El control de los signos vitales humanos es una de las razones principales por las cuales ha intervenido la ingeniería en la medicina y en este caso la ingeniería electrónica. Las mediciones de las diferentes respuestas del corazón se realizan por medio de un equipo llamado electrocardiógrafo el cual toma las señales eléctricas de los diferentes vectores del corazón humano y las traduce en imágenes o señales eléctricas potenciadas, la medición de la señal cardiaca es difícil debido a las componentes de DC, offset y diversas señales de ruido. Siendo necesario desarrollar herramientas que acondicionen la señal, para esto son utilizados los filtros los cuales se encargan de eliminar determinadas frecuencias que afectan la respectiva lectura del ECG, en el siguiente informe se presenta el diseño de un electrocardiógrafo utilizando un amplificador de instrumentación y los filtros necesarios para brindar un óptimo funcionamiento en el diseño del ECG.

II. Procedimiento

1. Marco teórico:

1.1. Señal Cardiaca:Una forma de onda de señal cardiaca típica es la mostrada en la figura 1. 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.

Figura 1

La señal electro cardiográfica (ECG) tiene como parámetros relevantes:

Rango en amplitud entre 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.

Como la señal captada por el electrodo tiene un rango de amplitud bajo es necesario amplificar la señal en un factor, por lo menos 1000, para que así pueda usarse en 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 genera potenciales que no aportan nada a la señal o la red eléctrica e induce sobre el cuerpo corrientes que enmascaran la verdadera actividad cardiaca.

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2. Amplificador de instrumentación:

Es un circuito que posee simultáneamente: una alta impedancia de entrada; alto rechazo en modo común; ganancia estable que se pueda variar con una sola resistencia conservando el ancho de banda; tensión y corrientes de offset bajas e impedancia de salida de baja magnitud. Este amplificador permite medir pequeños voltajes diferenciales superpuestos sobre un voltaje de modo común, más grande que el diferencial.

La operación que realiza este amplificador es la resta de sus entradas multiplicada por un factor, donde la resistencia Rg permite controlar la ganancia.

El amplificador de instrumentación permite rechazar las señales de modo común y amplificar las de modo diferencial. El circuito que se usa para implementar un amplificador de instrumentación se muestra en la figura 2. Este es el circuito de amplificador de instrumentación implementado para el desarrollo de este electrocardiógrafo; finalmente el electrocardiógrafo tendrá dos señales de entrada y una realimentación de pierna derecha la cual tiene como punto de partida la resistencia variable del amplificador de instrumentación.

U 1 C

TL 0 8 4

+1 0

-9

V+

4V

-11

O U T8

V C C

U 1 D

TL 0 8 4

+1 2

-1 3

V+

4V

-11

O U T1 4

-V C C

U 2 B

TL 0 8 4

+5

-6

V+

4V

-11

O U T7

R 14 4 7 k

R 3

4 7 5 k

-V C C

R 1 5

4 7 0 k

R 1 6

4 7 5 k

R 1 71 . 5 k

R 1 8

4 4 7 k

R 1 91 . 5 k

-V C C

V C C

R 2 24 7 0 k

g n d

Figura 2

2.1. Simulación amplificador de instrumentación:

Mediante Orcad se realizo la simulación del amplificador de instrumentación para una ganancia de 1000, con R1= 25k ohm y Rg = 50 ohm. Se simulo para el valor máximo que el electrodo puede percibir de la señal del corazón, 5mV. En la figura 3 se observa la señal de

entrada y la señal de salida para el amplificador de instrumentación.

Time

0s 0.4s 0.8s 1.2s 1.6s 2.0s 2.4s 2.8s 3.2s 3.6s 4.0sV(U6:OUT)

-5.0V

0V

5.0V

SEL>>

Salida

V(V6:+)-5.0mV

0V

5.0mV

Entrada

Figura 3

2.2. Implementación del amplificador de instrumentación en el laboratorio:

Usando el circuito típico para un amplificador de instrumentación con 3 opam, se realizo el montaje y se obtuvieron las siguientes graficas:

Para una ganancia de 228 se escogieron los valores de R1=25k ohm y Rg=220 ohm. En las graficas mostradas en la figura 4 y 5, la señal de entrada tiene una amplitud de 10mv, la cual se le aplico al amplificador de instrumentación en una de sus 2 entradas, mientras la otra fue puesta a tierra. Se observa que la señal de salida en una de las graficas se desfasa 180 grados, debido a que se alternaron las entradas.

Figura 4: vin1=10mV Vin2=0 VVo=2.1V

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Figura 5: vin1=0 Vin2=10 mVVo=2.1V

Para una ganancia de 10 se escogieron los valores de R1=25k ohm y Rg = 5K ohm. En la graficas mostradas en la figura 6 y 7, la señal de entrada tiene una amplitud de 100mv, la cual se aplico al amplificador de instrumentación en una de sus 2 entradas, mientras la otra fue puesta a tierra. Se observa que la señal de salida en una de las graficas se desfasa 180 grados, debido a que se alternaron las entradas.

Figura 6: vin1=100mV Vin2=0 VVo=1V

Figura 7: vin1=0 Vin2=100 mVVo=1V

3. Filtro Pasabajos:

Este tipo de filtro deja pasar todas las frecuencias desde 0Hz hasta la frecuencia de corte (fc) y atenúa todas las frecuencias por encima de fc. No produce desfase en todas las frecuencias de la banda pasante, la ausencia del desfase es importante cuando la señal no es sinusoidal.El diseño de este filtro se realizo por medio del software: Texas Instruments Filterpro. El filtro pasabajos implementado para este electrocardiógrafo es de cuarto orden y tiene una frecuencia de corte 150Hz.

Figura 8. Parámetros de diseño filtro pasa bajos

Basados en una configuración tipo sallen-key se simulo el esquema del filtro por medio de Orcad capture Cis, obteniendo el siguiente esquema:

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Figura 9. Esquema general del filtro pasa bajos

Con un barrido en frecuencia del esquema mostrado se obtiene el siguiente comportamiento a la salida del filtro:

Frequency

0Hz 50Hz 100Hz 150Hz 200Hz 250Hz 300Hz 350Hz 400Hz 450Hz 500Hz 550HzV(U2:-)

0V

0.5V

1.0V

Figura 10. Respuesta en frecuencia del filtro pasa bajos

4. Filtro Pasaaltas:

A continuación presentamos el filtro pasa altas el cual se diseño con MFB Single-Ended, la característica de este filtro es que elimina las frecuencias bajas y permite el paso de frecuencias a partir de 0.05 [hz], esto con el fin de optimizar el diseño y funcionamiento del ECG.

El diseño de este filtro se realizo por medio del software: Texas Instruments Filterpro, en la siguiente grafica se muestran los parámetros utilizados para la implementación pasa alta requerida.

Figura 11. Parámetros de diseño del filtro pasa alto.

Con el propósito de analizar el comportamiento del filtro se simulo en Orcad el esquema general del filtro.

Figura 12. Implementación del filtro pasa alto.

La siguiente grafica representa la respuesta en frecuencia del filtro pasa alto. Utilizando un barrido en frecuencia, se observa que para frecuencias menores a 0.05 [hz] el filtro atenúa su ganancia de manera considerable permitiendo eliminar la componente de DC de la señal cardiaca.

Figura 13. Respuesta en frecuencia del filtro pasa alto.

5. Diseño del Layout PCB:

El diseño del PCB para el electrocardiógrafo se llevo a cabo con el software EAGLE 5.0 del cual se obtuvieron los siguientes diseños: Las figuras 14 y 15 muestran la vista superior e inferior del PCB de dos capas.

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Figura 14. EKG PCB Top view

Fig 15. EKG PCB Botom View

Cabe aclarar que el circuito para la realización del electrocardiógrafo consta de un amplificador de instrumentación, un filtro pasaaltas, un filtropasabajos, circuito de realimentación para la pierna derecha y algunos buffer en la entrada del amplificador de instrumentación para elevar su impedancia de entrada.

El circuito integrado empleado para la implementación del electrocardiógrafo es el TL084 tipo SOID el cual tiene una relación de rechazo en modo común CMRR= 86dB.

6. Implementación del electrocardiógrafo:

Una vez el diseño del PCB fue terminado se realizo el montaje de cada fase y se comprobó su correcto funcionamiento para tener más control si alguna falla se presenta.

6.1 Etapa 1: Amplificador de instrumentación:

Se comprobó el correcto funcionamiento del amplificador actuando de manera aislada a las otras etapas del electrocardiógrafo. La figura 16 es la entrada del amplificador de instrumentación de 50mV y la figura 17 es la salida que el amplificador de instrumentación tiene una ganancia de 20v/v.

Figura 16

Figura 17.

6.2. Filtro Pasa altos:

Se comprobó su correcto funcionamiento actuando de manera individual a las demás etapas del electrocardiógrafo y su frecuencia de corte es efectivamente 0.05Hz.

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6.3 Etapa 3: Filtro Pasa bajos:

Esta es la última etapa del circuito para la implementación del electrocardiógrafo. La etapa funciono correctamente y se puede observar su comportamiento en la figura 18. La frecuencia de corte final vario debido a que no se encontraron todos los valores de capacitancia arrojados por el software filter pro, esta frecuencia de corte finamente es de 110Hz.

Figura 18.

En la figura 19 se puede observar como quedo la tarjeta PCB con todos los elementos necesarios para cada etapa del electrocardiógrafo.

Figura 19.

6.4 Análisis de la señal de salida del electrocardiógrafo con la señal cardiaca.

En la figura 20 se muestra la salida para el amplificador de instrumentación, el cual tiene definida una ganancia de 320V/V. En esta figura se puede observar el ruido que afecta a la señal cardiaca debido los elementos resistivos presentes en el circuito, además puede existir interferencia debido a la proximidad de los camino en el PCB.

Figura 20.

En la figura 21 se puede observar el espectro de la señal cardiaca al salir del amplificador de instrumentación y se parecía una componente de DC.

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Figura 21.

En la figura 22 se muestra la salida del filtro pasa altas en la cual se observa que el espectro ya no presenta la una componente de DC, esto se logra ya que su frecuencia de corte es de 0.05Hz.

Figura 22.

En la figura 23 se muestra la señal cardiaca. Esta representación se logra después de pasar la señal por todas las etapas que componen el electrocardiógrafo. El ruido es eliminado finalmente debido al ancho de banda que maneja la señal al pasar por los filtros pasa altas y pasa bajas que está comprendido entre 0.05Hz<f<110Hz y en la figura 24 se presenta el espectro de la señal.

Figura 23.

Figura 24.

III. Conclusiones y Observaciones

Es recomendable inspeccionar muy bien el circuito empleado para la realización del layout PCB para que posteriormente no se presenten inconvenientes en las conexiones de los elementos y así poder evitar señales indeseadas.

Es posible que al implementar el electrocardiógrafo no se obtenga el resultado esperado si no se selecciona correctamente el voltaje de alimentación para los circuitos integrados, para el caso de este amplificador la alimentación fue de 6V dual.

La ubicación de los electrodos es fundamental para la correcta adquisición de la señal cardiaca. Existen diversos puntos con los cuales se puede obtener la señal y en nuestro caso utilizamos la siguiente triangulación:

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Los filtros pasa altos y pasa bajas contribuyen a la eliminación de las señales de ruido ya que limitan el ancho de banda de la señal eléctrica de entrada.

En el amplificador de instrumentación se deben elegir adecuadamente sus resistencias para disminuir la señal de modo común y además emplear correctamente el circuito de realimentación de pierna derecha favorece a la relación de rechazo en modo común. El circuito empleado para la realimentación fue:

IV. Bibliografía

1. Sedra and Smith. Circuitos microelectrónicos. 5ª edición McGraw-Hill, 2003.

2. Robert Coughlin. Operational amplifier and linear integrated circuits. 6ta edición Prentice Hall, 2001.

3. http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tl084.pdf.

4. http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ina333.pdf

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