PROCESO DE DISEÑO DE UN ELECTROCARDIÓGRAFO

D.F.Velasco, L.Saavedra, J.E.Aponte

Universidad Autónoma de Occidente, Santiago de Cali, 2008

Resumen: En el presente informe, se dará a conocer la forma como se desarrollo el proceso de diseño de un electrocardiógrafo, mediante dispositivos electrónicos, así como también, investigación de mercado, y beneficios ante la competencia.

1. INTRODUCCIÓN

Actualmente, los dispositivos médicos están a la vanguardia del mercado, puesto que en todos los países del mundo, son necesarios para la visualización y control de enfermedades o problemas relacionados con la salud.

Un dispositivo de electrónico de gran acogida a nivel mundial debido a la ayuda que presta para la prevención y corrección de enfermedades del corazón, es el electrocardiógrafo. Un electrocardiógrafo (ECG) es un dispositivo que capta y amplia la actividad eléctrica del corazón a través de electrodos colocados en las cuatro extremidades y en 6 posiciones precordiales.

Con la realización del ECG se pretende generar un dispositivo que esté al alcance de los bolsillos de los centros médicos de bajos recursos y que no puedan acceder a los ECG que hay en la actualidad debido a sus elevados costos, así como también generar un dispositivo de alta calidad y fidelidad.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Debido, a que actualmente gran parte de la población mundial sufre de enfermedades cardiacas, y que muchos de los centros médicos no disponen de los recursos para adquirir los dispositivos eléctricos para la toma y prevención de estas enfermedades, se tomo la decisión de desarrollar un dispositivo que cumpla con algunas de las características medicas necesarias en la toma de señales cardiacas para la prevención de enfermedades de este índole.

Es por esto que nuestro equipo de trabajo va a desarrollar un electrocardiógrafo

En términos generales, se pretende intentar un aumento en la calidad de vida en Colombia (y en otros países del mundo) desde los servicios de salud teniendo en cuenta la cantidad de problemas cardiacos, con ello, se disminuye la taza de mortalidad debido a los problemas ocasionados por el sistema de salud.

3. CARACTERISTICAS TECNICAS Y REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE

3.1 CARACTERISTICAS DE LA COMPETENCIA

1. SCHILLER: las características de los electrocardiógrafos de Schiller son.

Alta ergonomía en el producto Dispositivo con memoria Diagnostico cardiopulmonar

para medicina industrial Dispositivo portátil Cumple con el estándar para

ECG IEC60601-2-51

2. NIHON KOHDEN:

Pantalla LCD de alta resolución Alta capacidad de memoria Los datos pueden ser manejados

por medio de Windows XP Datos transferidos a PC vía usb,

tarjeta de memoria o LAN Cumple con el estándar para ECG

IEC60601-2-51 6 canales de grabación3. TRIMED:

Económico con alto funcionamiento

impresora térmica de arreglo impresión de formato de 1 o 3

canales cuadro de largo elegible tamaño elegible de papel de 63 o

50 mm

4. ATES MEDICA DEVICE S.r.l:

permite ejecutar una RESTO ECG junto con datos de pacientes y con sólo un diagnóstico de impresión en A4 sheet.

Datos transferidos a PC vía usb, tarjeta de memoria o LAN

La pantalla muestra siempre la función de la frecuencia cardíaca de grabación y ofrece la posibilidad de configurar la visualización de ECG huellas (1 hasta 12 derivaciones simultáneas).

función de zoom base de datos integrada organiza

tanto los datos de los pacientes y de sus exámenes, para un más rápido y más eficiente la administración de datos.

Examen de software a distanciaWIN'98 / 2000/XP

De acuerdo a los estudios realizados, se determinaron las siguientes características técnicas y requerimientos del cliente (con clasificación de primarios, secundarios y terciarios):

3.2 Características técnicas (CT):El electrocardiógrafo debe ser o tener:

A. Seguro para los clientes ( sin partes corto punzantes )

B. Fácil de elaborar (que no tarde mas de 1 hora cada dispositivo)

C. De fácil mantenimiento( componentes de bajo costo y fáciles de conseguir)

D. Fácil de manipular (con pulsadores para ejecutar los diferentes comandos)

E. Estético (de apariencia llamativa para promover la venta)

Requerimientos del cliente (RC):

Primarios:

1. Que no le cause daño2. Bajo precio

Secundarios:

3. Que sea fácil de manejar4. Que el dispositivo sea liviano5. Que sea fácil de asear

Terciario:

6. Que sea lo mas pequeño posible 7. Alta durabilidad

8. Que sea de apariencia agradable9. Que proporcione comodidad10. Bajo precio de mantenimiento11. Que tenga componentes comerciales para su mantenimiento

4. MATRIZ QFD:

Con base en los requerimientos del cliente y las características técnicas, se determino la matriz de la calidad:

Donde la simbología esta definida así:

Analizando la matriz QFD, se puede concluir lo siguiente:

Gracias a la matriz de la calidad se logró determinar algunos puntos a mejorar de nuestro producto, ya que se pudo establecer que no se satisfacían algunas de las necesidades o requerimientos de los clientes, debido a que se pudo observar la relación existente entre lo que nosotros ofrecíamos y esperábamos del producto como creadores, con lo que esperaban los clientes, por ejemplo en el caso del ítem A (seguro para los clientes), nosotros

como diseñadores lo consideramos de alta importancia, pero los clientes no lo consideraron así, y lo ubicaron de ultimo en el escalafón de importancia.

Observando la matriz de la calidad, se determinó que de acuerdo a la ponderación obtenida de las características técnicas C y E (De fácil mantenimiento y Estético respectivamente) son las que más satisfacen los requerimientos del cliente, haciendo que nos centremos mayoritariamente en mejorar los otros ítems de la matriz de la calidad.

De acuerdo a la investigación realizada y mostrada en la casa de la calidad, se pudo demostrar que nuestros competidores no cumplen con algunos requerimientos del cliente como por ejemplo, el competidor Y, es decir, la empresa TRISMED tiene muy poca relación con el requerimiento del cliente número 10 (bajo precio de mantenimiento). En algunos casos y/o para algunos requerimientos del cliente, tenemos que los competidores tienen buena relación con estos, de tal manera que para estos casos la competencia es bastante grande.

La casa de la calidad nos permitió observar las cualidades y dificultades que tiene nuestro proyecto, haciendo que para futuro se puedan mejorar los aspectos en los cuales nuestro dispositivo tiene déficit como por ejemplo que el dispositivo tenga apariencia agradable, pero que esta, no dificulte el mantenimiento del mismo.

5. DIAGRAMA EN BLOQUES GENERAL

6. INCONVENIENTES Y CRITERIOS DE

MODIFICACIÓN

Una vez se dio inicio a la etapa de diseño del electrocardiógrafo, se decidió que el procesamiento y análisis de la señal debía hacerse por medio de un microcontrolador, debido a su facilidad y eficiencia, pero antes de que se recibieran los datos en este, la señal debía ser acondicionada, pasando primero por una etapa de amplificación, un filtro rechazabanda a 60 Hertz – filtro notch (para eliminar los ruidos causados por la red) y por un filtro pasabajo, una vez hecho este proceso, se tenía una señal con amplitud aproximada de 1 a 5v y libre de ruidos. Pero para obtener los pulsos necesarios para el conteo de los LPM, se diseñó un detector de picos (comparador), que envía la salida de este al microcontrolador, donde se procesaban los datos y se mostraban los LPM a través de un LCD. Por otro lado, para visualizar la señal cardiaca, una vez amplificada la señal, se enviaba a la tarjeta de adquisición de datos, y de allí al monitor del PC.

Inicialmente, el diseño del electrocardiógrafo, se había planteado convirtiendo la señal analógica a digital antes de ser procesada dentro del microcontrolador, pero por motivos de la adquisición de la señal, se determino no hacerlo, puesto que se podría obviar el conversor análogo digital, pasando la señal a través de un detector de picos, y con este, obteniendo los pulsos necesarios para procesar la señal y mostrar los LPM en el LCD.

También se hizo necesario hacer otro cambio para el procesamiento de la señal, debido a que la programación en assembler era muy compleja para las necesidades del proyecto, es por esto, que se decidió reemplazar el microcontrolador AT89C52 por el PIC 16F873, y la programación de este mediante lenguaje C.

Al obtener por primera vez la señal electrocardiográfica, se determinó que era

mejor colocar el filtro notch antes del filtro pasabajo ya que cuando la señal le llegue al filtro pasabajo, llegará con la frecuencia de 60Hz ya eliminada, porque de no ser así, el filtro pasabajo (100Hz) que tiene ganancia 2.57, aumentaría los 60Hz y luego para el notch sería mas

trabajoso eliminar tal frecuencia, por eso se realizo esta importante modificación.

A continuación se muestran las posibles soluciones para cada bloque antes de obviar el conversor análogo digital:

Luego de realizar los cambios y/o modificaciones, se obtienen las etapas y el orden de las mismas mostradas en el siguiente diagrama en bloques.

7. DIAGRAMA EN BLOQUES ESPECÍFICO DEL

ELECTROCARDIÓGRAFO

A continuación se muestra el diagrama en bloques del electrocardiógrafo con todas sus etapas y ultimas modificaciones realizadas:

8. CAPTURA DE LA SEÑAL ECG POR MEDIO DE ELECTRODOS

Los electrodos se encargan de convertir la energía iónica del cuerpo a energía eléctrica, donde dos electrodos se utilizan para la medición de diferencia de potencial y el otro para la conversión de la energía. Este principio es basado bajo la ley de Einthoven que dice simplemente que si se registran los potenciales eléctricos de dos de las tres derivaciones electrocardiográficas estándar, la tercera puede deducirse matemáticamente de las dos primeras, simplemente sumándolas pero poniendo mucha atención a los signos. El triángulo de Einthoven se presenta a continuación.

Figura 1

La forma adecuada de colocar los electrodos se muestra a en la figura 2 donde se ubicaran dos en las muñecas que nos darán la medida de la diferencia de potencial y uno en el pie derecho que me convierte la energía iónica a eléctrica.

Figura 2

9. DISEÑO

CARACTERISTICAS DEL INSTRUMENTO

Amplitud señal de entrada

0.02 – 5 mV

Ganancia 1000Amplitud señal de salida 0.02 – 5 V

Rango de Frecuencias

0 – 100 Hz

Filtro Pasa Bajo 100 Hz

Nota: En teoría, la banda pasante de un electrocardiógrafo va de 0.05 a 100 Hz pero al ser la frecuencia mínima tan pequeña (0.05 Hz), se desprecia y se toma como cero (0 Hz). Por lo tanto, realizamos solamente un filtro pasabajo de 100 Hz. El electrocardiógrafo tiene tres componentes fundamentales; un transductor, una unidad de procesamiento y un dispositivo de salida. El transductor detecta el cambio en el parámetro que está siendo medido, en este caso una señal eléctrica producida por los impulsos del corazón. Los transductores encargados de recoger esta señal biológica se llaman electrodos cuya función es convertir el flujo iónico en corriente eléctrica. Los electrodos se adhieren a la piel del paciente sobre el músculo (corazón).

La unidad de procesamiento contiene circuitos eléctricos que amplifican, filtran y digitalizan la señal adquirida. La indicación de los pulsos del corazón puede tomar diferentes formas, visual, auditiva o ambas. En este caso se utiliza la pantalla del computador para visualizar la gráfica de las señales eléctricas del corazón según sus pulsos a lo largo del tiempo. La indicación debe poder cambiar instantáneamente en respuesta a la velocidad de los pulsos para dar al paciente una inmediata información acerca de su actividad. En la unidad de procesamiento también se configura un microcontrolador para mostrar en un LCD (16*2) los pulsos por minuto del paciente. Por lo que nuestros dispositivos de salida son el LCD y el monitor del computador.

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

AMPLIFICADOR DE ENTRADA

La señal de entrada (los impulsos eléctricos del corazón medidos a través de los electrodos superficiales) es demasiado pequeña porque las señales eléctricas del corazón son de bajo valor, por lo tanto, los ruidos o artefactos como el ruido ambiente pueden provocar una falsa interpretación de los resultados. Consecuentemente, el amplificador de la unidad de procesamiento necesita ser no solo lo suficientemente sensible como para detectar y amplificar las pequeñas señales sino que también debe ayudar a discriminar algunos ruidos o artefactos para que el filtrado posterior cumpla la función de “clarificar” aún más la señal del ruido verdaderamente importante, además de establecer la banda de frecuencias de trabajo, que para este caso (señales electrocardiográficas) es de 0 – 100Hz de manera que se permita visualizar sólo la actividad electrocardiográfica. Los amplificadores diferenciales permiten rechazar gran parte del ruido externo, El INA 128 es un amplificador que cumple con esas características y está especialmente construido para propósitos de instrumentación médica. A su vez permite variar el factor de amplificación con la modificación de un juego de resistencias.

FILTRADO

La respuesta ideal del filtro pasa bajo son todas las señales de 0 < f < fo que se transmitan sin perdida mientras que f > fo dan salidas nulas, esto no tendrá una buena aproximación tendrá la forma

Av(s)= 1 / Pn(s)

Donde Pn es un polinomio de las variables con ceros en la requerida del plano.

Los filtros activos permiten los polos arbitrarios a la izquierda para Av(s), y solo resistencias y condensadores como elementos pasivos.

FILTRO BUTTERWORTH

Existen polinomios de Butterworth Bn(s) donde:

Av(s) = Avo / Bn(s) …. (1)

Como S = JW tenemos

[Av(s)]2 = [Av(s)] [Av(-s)] = Avo2 / 1 + (w / wo) 2n …. (2)

En 1 y 2 vemos que el valor de Bn(w) esta dado por:

[Bn(w)] = √1 + (w / wo) 2n …. (3)

La magnitud de Av baja de 3 dB cuando w = wo para todo valor de n. A mayor n, la curva se acerca mas a la respuesta ideal del filtro pasa bajo, se muestra en la figura. Si normalizamos la frecuencia; wo = 1 rad / seg.

Obtenemos polinomios de Butterworth para distintos valores de n:

n

Factores de polinomio Bn(s)

1

(s+1)

2

(s2+s+1)

3

(s+1)(s2+s+1)

4

(s2+0.765s+1)(s2+1.848s+1)

5

(s+1)(s2+0.618s+1)(s2+1.618s+1)

6

(s2+0.518s+1)(s2+1,414s+1)(s2+1.932s+1)

7

(s+1)(s2+0.445s+1)(s2+1.247s+1)(s2+1.932s+1)

8

(s2+0.39DS+1)(s2+1.1115+1)(s2+1.663s+1)(s2+1.962s+1)

En la tabla anterior podemos ver los polinomios de Butterworth para valores de

n hasta 8 (para n par los polinomios son productos de la forma cuadrática, para n impar esta presente un factor adicional s+1). Los ceros de los polinomios normalizados de Butterworth son -1 o complejos conjugados. El factor de amortiguamiento k se define como la mitad del coeficiente de S en cada uno de los factores cuadráticos de la tabla. Por ejemplo: para n = 4 hay dos factores de amortiguamiento o sea, 0.765 / 2 = 0.383 y 1.848 / 2 = 0.924 se deduce de la ecuación 3 que el factor k esta dado por k = cosө.De la tabla y de la ecuación 1 vemos que la función de transferencia del filtro típico de Butterworth de segundo orden tiene la forma:Av(s)/Avo = 1 / (s / wo) + 2k (s / wo)+1 (4)

wo=2πfo

En el punto de la frecuencia superior de 3 dB para el filtro de primer orden tenemos:

Av(s) / Avo= 1 / s / wo + 1 … (5)

Consideremos el siguiente circuito:

La ganancia del A.O en frecuencia media

Vo / Vi = Avo = (R1 + R’) / R1 …… (6)

Suponiendo corriente de entrada al A.O= 0.Av(s)= Vo/Vs = Av0Z3Z4/Z3(Z1+Z2+Z4)+Z1Z2+Z1Z4(1-Avo)

Si el filtro a diseñar es un filtro pasa bajo, Z1 y Z2 son resistencias, Z3 y Z4 reactancias capacitivas. Si Z1 = Z2 = R y C3 = C4 = C tenemos:

La función de transferencia queda:

Av(s)=Av0(1/Re)2/S2+(3-Avo/RC)S+(1/RC)2

Comparando con la ecuación 4 tenemos: wo = 1 / RC..... (7) y 2k = 3 - Avo

Entonces:

AVo = 3 - 2k … (8)

Ahora podemos formar filtros de orden par colocándolos en cascada como en la grafica anterior con valores de R y C idénticos seleccionando Avo de cada amplificador operacional para satisfacer la ecuación 8 y los factores de amortiguamiento de tabla. Para orden impar se necesita la ecuación 5, con la sección correspondiente con secciones de segundo orden como la figura anterior. Sección de primer orden.

Asi un filtro Butterworth de tercer orden de los circuitos de las figuras anteriores en cascada escogiendo R y C que cumplan con RC = 1 / wo, con Av0 en la etapa de segundo orden seleccionado para tener K = 0.5 (ver tabla con n=3) y AVo en la etapa de primer orden elegido arbitrariamente.

Ahora con esto diseñamos nuestro filtro pasa bajo de cuarto orden con frecuencias de corte 100Hz:

Colocamos en cascada dos secciones de segundo orden para n=4 tenemos:

Av1 = 3 - 2K1 = 3 - 0.765 = 2.235 como Av1 = (R1 + R’) / R1

Av2 = 3 - 2K2 = 3 - 1.848 = 1.152

Si tomamos R1 = 10k con Av = 2.235 entonces R’ = 12.35K

Con Av2 = 1.152 y R2 = 10K tenemos que R’2 = 1.52K; entonces de la ecuación (7);

wo = 1 / RC → f0 = 1 / 2πRC si tomamos R = 10K entonces C = 1 / 2π*10k*100 → C = 0.16µf.

FILTRO BUTTERWORTH PASABAJO DE 4° ORDEN:

A continuación se presenta el filtro pasabajo diseñado:

3

21

411

U1:A

OP497AP

5

67

411

U1:B

OP497AP

R1

10k

R2

10k

R3

12350

R510k

R610k

R7

1520

GND

-Vcc

+Vcc

Vint

+88.8AC Volts

+88.8AC Volts C1

.16uf

C2

.16uf

R8

10k

R9

10k

C3

.16uf

C4.16uf

A B

FILTRO NOTCH:

3

21

411

U1:A

OP497AP

C5(-)

R1

135440

R2

13544

-vcc

+vcc

A

B

R4

100kR5

100k

5

67

411

U1:BOP497AP

R6100k

R7

100k

C2

0.47uF

C3

0.47uF

R8239

R3610

R9

2000

C1

0.081uF

C54.7uF

La función de este filtro Notch es la de eliminar el ruido generado por la frecuencia de la red (60 Hz). El principio con el cuál fue diseñado este filtro, fue con el principio de superposición. Se toma la señal de 60 Hz se incorpora en un amplificador inversor

para desfasarla 180° y luego se superpone con la señal original generando así una interferencia destructiva entre ellas contribuyendo a su anulación.

COMPARADOR DE VENTANA

El comparador de ventana, es un circuito que determina si una señal o voltaje, esta dentro o fuera, de un limite aceptable

Con ayuda de un comparador que controle el nivel superior y otro comparador que controle el nivel inferior, se puede implementar un comparador de ventana.

El nivel de tensión a censar (Vin) se aplica a la entrada inversora del operacional que controla el límite superior (ver Vh) y también a la entrada no inversora del operacional que controla el límite inferior (ver VL). 

Formas de onda de la salida y entrada del comparador de ventana

De los dos diagramas anteriores se puede ver con claridad que el nivel bajo a la salida sucede cuando la señal de entrada (ver onda triangular) esta por encima del límite superior (línea roja) y por debajo del límite inferior (línea azul). Este nivel bajo en la salida activaría la lámpara o circuito de alarma que indica el estado no permitido.

DETECTOR DE PICOS (COMPARADOR DE VENTANA) EN

PROTEUS

La señal mostrada en el osciloscopio corresponde a los pulsos generados cuando la señal cardiaca sobrepasa el rango de 0v a 1v (rango de ventana).

10. CLASE DE ELECTRODOS UTILIZADOS

Los aspectos más importantes con respecto a los electrodos son: el tipo de electrodo, la distancia entre ellos, y la ubicación. Los electrodos con gel utilizan un gel electrolítico como interface química entre la piel y la parte metálica del electrodo. Las reacciones químicas de oxidación y reducción toman lugar en la región de contacto entre la superficie metálica y el gel. El compuesto plata – cloruro de plata (Ag AgCl) es el más común para la parte metálica de los electrodos con gel y es el tipo de compuesto que recomienda SENIAM. La capa de cloruro de plata permite que la corriente emitida por el músculo pase más libremente a través de la juntura entre el gel electrolítico y el electrodo. Esto introduce menos ruido eléctrico en la medida comparado con los equivalentes electrodos metálicos (Ag). Debido a esto, los electrodos de Ag. AgCl son usados en más del 80% de las aplicaciones de ECG de superficie. Los electrodos con gel pueden ser tanto

desechables como reusable. Los electrodos desechables son los más comunes puesto que son más livianos y porque vienen en una gran variedad de formas y tamaños. Con la aplicación apropiada, los electrodos desechables minimizan el riesgo de un desplazamiento del electrodo durante inclusive movimientos rápidos. Por tal razón, se seleccionaron electrodos con gel desechables para la realización de este proyecto. Estos electrodos se observan en la siguiente ilustración.

11. RESULTADOS

Debido a que la señal cardiaca se puede tomar de diferentes formas, teniendo en cuenta intervalos de tiempo medidos en segundos, se realizo un programa que mostrara los pulsos por minuto de una persona, tomando la cantidad de pulsos presentes en un intervalo de tiempo de 15 segundos y multiplicando esta cantidad de pulsos por cuatro, obteniendo así los pulsos presentes en 60 segundos.

La visualización de la cantidad de pulsos se da por medio de un LCD 16*2, en el cual no solo se observan los pulsos por minuto, sino también la cantidad de pulsos presentes en los 15 segundos progresivamente, así como se muestra en la siguiente figura:

Se puede determinar si una persona sufre de algún tipo de problema cardiaco teniendo en cuenta que La frecuencia cardíaca es el número de latidos cardiacos por minuto. En un adulto normal la frecuencia cardiaca oscila entre 70-100 latidos por minuto (lpm), la cual puede disminuir durante el sueño (aproximadamente 10-20 lpm) o aumentar durante el ejercicio o la excitación emocional. Generalmente se conoce por Bradicardia si se encuentra por debajo de 60 y taquicardia por encima de 100.

12. CONCLUSIONES

La implementación de dispositivos de electromedicina, facilitan la toma y procesamiento de señales fisiológicas, en nuestro caso, de señales cardiacas.

Mediante el detector de picos, se puede definir el rango de voltajes deseado para la toma de una señal específica, haciendo que se faciliten diferentes procesos como por ejemplo, la toma de señales cardiacas para su procesamiento.

El sistema se caracteriza pos su bajo precio y la conexión de este por medio de la tarjeta de adquisición de datos al PC.

Gracias a los filtros, se obtiene una señal bastante limpia que puede ser visualizada a través del osciloscopio o del monitor del PC.

El uso de lenguaje C para programación de microcontroladores facilita el

desarrollo de programas secuenciales y algorítmicos, pero hace necesaria una mayor utilización de memoria en el dispositivo.

13. BIBLIOGRAFÍA

http://es.wikipedia.org/wiki/Electrocardi%C3%B3grafo (Electrocardiógrafo, definición)

http://scielo.isciii.es/pdf/ami/v22n9/original4.pdf (Influencia de la edad en mortalidad de pacientes con insuficiencias cardiacas)

http://www.scc.org.co/revista.cfm?do=detalle&idarticulo=23 &idpublicacion=50 (teoría problemas cardiacos)

http://www.unicrom.com/tut_filtros.asp (Filtros, tipos, conceptos y características)

http://www.blogelectronico.com/2007/07/filtro-notch/ (Filtro notch)

http://www.blogelectronico.com (Periféricos digitales de salida)

http://es.wikipedia.org/wiki/LabVIEW (Teoría lab view)

http://www.unicrom.com/tut_comp_ventana.asp (comparador de ventana)

http://www.monografias.com/trabajos33/electrocardiografo/electrocardiografo.shtml#concl (teoría y parámetros de diseño del electrocardiógrafo)