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Electrocardiógrafo a bajo costo.
Resumen.
El electrocardiógrafo inventado por Einthoven en 1903 a más de un siglo, sigue siendo en la
actualidad un instrumento indispensable en hospitales, en el diagnóstico de enfermedades
cardiacas; y en el ámbito educativo particularmente en las carreras de ingeniería en
electrónica, ingeniería biomédica, física biomédica, e investigación. Es así mismo tema para
desarrollo de tesis a nivel internacional. Para su implementación se usan con mucha
frecuencia circuitos integrados de instrumentación como el INA128, o el AD621 por tener la
característica de un alto rechazo de modo común.
Este electrocardiógrafo fue construido con los objetivos de diseñar y construir un circuito que
sea capaz de medir señales del corazón y músculo con buena relación señal-ruido de bajo
costo, escuchar las señales adquiridas a través de una bocina y conocer el funcionamiento y
aplicación de electrónica básica y conceptos generales de un circuito para detectar señales
bioeléctricas
Como desarrollo, después de obtener un circuito impreso, el cual fue grabado en una placa
fenólica y cubierto con una delgada lámina de cobre para después ser sumergido en cloruro
férrico y así limpiar todas las impurezas, se le soldaron todos los componentes necesarios
para completar el circuito y finalmente ser conectado a una tarjeta de adquisición de datos y
a una bocina para así poder medir la señal bioeléctrica del corazón y también escucharla,
todo esto logrado al conectar el circuito a electrodos de plata clorurada que estaban
colocado en partes específicas del sujeto de prueba, la construcción del circuito fue hecha en
un laboratorio de investigación del Instituto de Fisiología Celular con ayuda de uno de los
investigadores de dicho instituto.
Y así mismo, como resultados pudimos obtener una buena señal bioeléctrica del corazón,
una muestra de la actividad eléctrica muscular del brazo obtenida al flexionar los dedos
medio y anular de la mano del sujeto y el sonido del latido cardiaco del sujeto de prueba.
Con esto podemos concluir que Los resultados obtenidos con este circuito son mejores a los
resultados que son reportados en varias tesis de licenciatura.
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Introducción.
En el siglo XIX se hizo evidente que el corazón generaba electricidad. La actividad
bioeléctrica correspondiente al latido cardíaco fue descubierta por Kolliker y Mueller en 1856.
El primero en aproximarse sistemáticamente a este órgano bajo el punto de vista eléctrico
fue Augustus Waller, aunque en 1911 aún veía pocas aplicaciones clínicas a su trabajo.
En 1872, Alexander Muirhead, durante sus estudios de posgrado conectó alambres a
la muñeca de un paciente febril con el fin de obtener un registro de los latidos del corazón.
Esta actividad se registró directamente para ser visualizado por un electrómetro de
Lippmann por el fisiólogo británico John Burdon Sanderson. Poco tiempo después el
electrocardiógrafo demostró su valor en el diagnóstico médico y hoy se mantiene como uno
de los instrumentos electrónicos más empleados en la medicina moderna, aunque ha
evolucionado desde el enorme aparato original hasta el sistema electrónico compacto actual,
que a menudo incluye una interpretación computarizada de electrocardiograma.
El ECG (electrocardiograma) fue descrito por primera vez por Einthoven en 1903. La
observación fundamental fue que la actividad eléctrica del corazón podía ser registrada
mediante electrodos colocados en la superficie del cuerpo, y que dicha actividad poseía un
ritmo que coincidía con el pulso cardiaco.
Los componentes individuales de la señal eléctrica que se registra coinciden con eventos que
se producen en las diferentes regiones del corazón. De esta forma, los intervalos entre los
componentes específicos de la señal de ECG representan el retardo de tiempo entre la
activación de las diferentes regiones del corazón. Por ejemplo, el llamado intervalo PR
representa el intervalo de tiempo que hay entre la activación de la aurícula y la de los
ventrículos, por lo que refleja el retardo de conducción que se produce en el nódulo AV. Las
anomalías del ECG representan por lo tanto anomalías en iniciación y propagación de la
actividad eléctrica del corazón.
Esto ha permitido que el ECG se transforme en una herramienta diagnóstica primaria de
enfermedades cardíacas, tales como la hipertrofia o el infarto de miocardio, o de
enfermedades de otro tipo que indirectamente afectan al corazón. Ya que la propagación
eléctrica en el corazón es unidireccional, puede representarse mediante un vector. La
configuración del ECG depende de la localización de los electrodos de registro, los que
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pueden ubicarse sobre la piel del paciente, en los miembros o en el tórax, (ECG de
superficie), a través de la cavidad nasofaríngea (ECG intracavitario) o directamente sobre el
corazón cuando se está realizando una intervención mediante toracotomía. Cada ubicación
específica permite una visualización diferente de las componentes del vector cardíaco.
El potencial registrado por el electrocardiógrafo tiene una amplitud aproximada de 1mV y se
obtiene aplicando electrodos de registro de biopotenciales. Este potencial supone un
inconveniente para el procesado de la señal ya que la visualización se hace muy complicada
a estos niveles de voltaje y las hace susceptibles a la interferencia y el ruido. Por este motivo
dichas señales se deben amplificar, aislar y filtrar para tener una correcta lectura de los
puntos de interés.
Marco teórico.
El corazón es el encargado de transportar sangre a todo nuestro organismo y esta a su vez
se encarga de llevar oxígeno y nutrientes a todas las células del cuerpo. El corazón mantiene
la sangre en movimiento en el cuerpo de forma unidireccional, es un circuito cerrado, nada se
pierde. Los atrios reciben la sangre que vuelve al corazón, los ventrículos bombean la sangre
del corazón hacia fuera.
Las arterias transportan la sangre oxigenada desde el corazón hacia los tejidos del cuerpo.
En los tejidos se extraen los nutrientes y vuelve a través de las venas. Las venas transportan
la sangre de vuelta al corazón.
El corazón está formado de 3 capas:
Pericardio - es como una lámina que lo envuelve por fuera
Miocardio - es el músculo cardíaco, encargado de impulsar la sangre por el cuerpo mediante
su contracción.
Endocardio - es una capa fina que lo recubre por dentro.
Dentro del corazón hay 4 cavidades:
2 aurículas situadas en la parte superior (aurícula derecha y aurícula izquierda)
2 ventrículos situados en la parte inferior (ventrículo derecho y ventrículo izquierdo)
También hay 4 válvulas – 2 válvulas aurículo ventriculares, la válvula tricúspide separa la
aurícula derecha del ventrículo derecho y la válvula mitral separa la aurícula izquierda de la
ventrícula izquierda. Las otras 2 son ventrículo arteriales, la válvula pulmonar separa el
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ventrículo derecho de la arteria pulmonar y la válvula aortica separa el ventrículo izquierdo
de la arteria aorta.
El corazón bombea la sangre contrayendo las aurículas para que pase a los ventrículos;
estos se contraen y envían la sangre al organismo a través de las arterias. La fase de
contracción se llama sístole y la fase donde los músculos se relajan y las cavidades se llenan
de sangre se conoce como diástole, la aurícula y el ventrículo izquierdo se encargan de
transportar la sangre con oxígeno y nutrientes a todo el cuerpo por medio de la arteria aorta
mientras que la aurícula y ventrículo izquierdo transportan la sangre sin oxígeno del corazón
a los pulmones a través de la arteria pulmonar.
El ciclo cardiaco se repite entre 60 y 80 veces por minuto. El sistema eléctrico del corazón
controla la velocidad de los latidos. Los músculos necesitan recibir estímulos a través del
sistema nervioso, el corazón tiene su propio sistema para generar y conducir sus impulsos
mediante células musculares modificadas con este fin, es capaz de generar rítmicamente
impulsos que provocan la contracción rítmica del corazón. Para que el corazón pueda latir, el
nódulo sinusal o sinoauricular (SA), que se encuentra en la aurícula derecha, debe generar
un impulso eléctrico. El nódulo SA es el encargado que el corazón mantenga un ritmo
regular. La frecuencia cardiaca está relacionada con la edad, el sexo y otros factores, es
mayor en niños, en mujeres o cuando estamos en una situación de estrés o reacción de
alarma, que consiste en un conjunto de reacciones que preparan al individuo para la defensa
o ataque.
Existen diferentes técnicas que permiten estudiar el corazón y que tienen como objetivo
descartar enfermedades y realizar el seguimiento o estudiar de forma precisa enfermedades
existentes. Entre ellas se encuentra:
El ecocardiograma es una prueba diagnóstica fundamental, que se realiza de forma
frecuente y que ofrece una visión directa del corazón en movimiento
La cardioresonancia magnética es una técnica que permite estudiar de forma muy
detallada y precisa las dimensiones del corazón y la función cardíaca
La tomografía computarizada multidetector o multicorte es una técnica útil para valorar
las arterias coronarias con detalle y de forma no invasiva. Aunque esta técnica requiere del
uso de radiación tiene como objetivo irradiar lo menos posible al paciente.
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El electrocardiograma (ECG) es una prueba que registra la actividad eléctrica del corazón
que se produce en cada latido cardiaco. Esta actividad eléctrica se registra desde la
superficie corporal del paciente y se dibuja en un papel mediante una representación gráfica
o trazado, donde se observan diferentes ondas que representan los estímulos eléctricos de
las aurículas y los ventrículos. Se usa para medir el ritmo y la regularidad de los latidos,
el tamaño y posición de las aurículas y ventrículos, cualquier daño al corazón y los efectos
que sobre él pueden tener ciertos fármacos o dispositivos implantados en el corazón (como
marcapasos). Las alteraciones en el trazado son imprescindibles para la detección y análisis
de las arritmias cardiacas. También resulta muy útil en los episodios agudos de enfermedad
coronaria, como el infarto de miocardio. El aparato con el que se obtiene el
electrocardiograma se llama electrocardiógrafo. El electrocardiógrafo es un aparato
electrónico que capta y amplía la actividad eléctrica del corazón a través
de electrodos colocados en las 4 extremidades y en 6 posiciones precordiales. Es el
electrocardiógrafo del que se hablará de manera particular en esta investigación.
El costo de un electrocardiógrafo es muy alto ya que simplemente los aparatos de un solo
canal cuestan 551,99 € lo que en pesos mexicanos serían 1, 270,994.77 $, pero esto es
debido a que ya es una aparato completo, sin embargo en varias tesis se ha mostrado la
creación de un electrocardiógrafo a bajo costo aunque los resultados no son muy favorables,
por lo que un investigador del Instituto de Fisiología Celular ha estado trabajando en un
prototipo de electrocardiógrafo mucho más económico. Y yo he reproducido dicho invento a
una escala menor.
Objetivos.
Diseñar y construir un circuito que sea papaz de medir señales del corazón y músculo
con buena relación señal-ruido de bajo costo.
Escuchar las señales adquiridas a través de una bocina.
Conocer el funcionamiento y aplicación de electrónica básica y conceptos generales
de un circuito para detectar señales bioeléctricas.
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Problema abordado en esta investigación.
En diversas tesis de ingeniería se reportan diferentes circuitos para medir la actividad
eléctrica del corazón, de la misma manera, en las hojas de especializaciones de circuitos de
instrumentación como el INA128 en la electrónica implementada utilizan circuitos de
instrumentación y filtros (discriminadores de frecuencia) Notch para eliminar el ruido de 60 Hz
que contamina las señales del ritmo cardiaco, después de la adquisición de las señales se
utilizan filtros digitales para limpiar las señales de una manera más exhaustiva, lo cuál sólo
es una pérdida de tiempo y dinero. En el circuito implementado no se utilizaron este tipo de
filtros, obteniendo los mismos resultados que los circuitos los cuales utilizaron filtros para
limpiar las señales.
Hipótesis:
Crear un electrocardiógrafo a bajo costo sin el uso de circuitos de instrumentación
integrados para obtener una buena relación señal-ruido.
Metodología:
2 baterías de 9 Volts, 2 circuitos integrados TL084, 5 resistencias de 10Kohms, 1 resistencia
de 5.1 Kohms, 1 resistencia de 100 Kohms, 2 resistencias de 220Khoms, 1 resistencia de
1Mohms, 3 capacitores de .1 microfaradio, 1 capacitor de 47 microfaradios, 1 Conector de
peine, 1 placa fenólica de 10X10 cm, Cloruro Férrico.
Para la realización de este experimento se realizó una investigación sobre los antecedentes
del electrocardiograma y su función en la medicina, se revisaron algunas tesis de licenciatura
para comparar los resultados obtenidos.
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Se utilizaron electrodos de contacto superficial convencionales. Se decidió construir con
amplificadores convencionales un amplificador de instrumentación, este tiene dos
operaciones básicas, multiplicar y restar. Queremos medir la diferencia de potencial entre
dos puntos por lo tanto se involucra una operación de resta, sabemos que las señales de
voltaje generadas por nuestro cuerpo son muy pequeñas y a su vez se contaminan con ruido
auditivo, este ruido contamina ambos electrones por lo que es necesario realizar una resta
entre los dos puntos de interés tomando como referencia un tercer punto (son necesarios
tres electrodos de contacto superficial). Dicho con otras palabras el voltaje V1 medido con
respecto a una referencia se le resta al voltaje V2 medido a la misma referencia; de tal forma
que V2= Vreal + ruido y V1= Vreal + ruido; al hacer la resta el ruido común a las entradas se
elimina.
Los cables que se conectan a los sensores son antenas y captan ruido, para evitarlo se
blinda con una malla y se conecta a la referencia para hacer una jaula de Faraday y proteja a
los cables de inducción electromagnética.
El circuito de instrumentación tiene la capacidad de detectar señales muy pequeñas.
Existe una señal de deriva que se incrementa lentamente y se debe a la interacción de los
electrodos con la piel. Esta señal es eliminada con un filtro para eliminar señales lentas y
para construirlo se necesita un amplificador operacional con configuración de integrador (sólo
necesita dos elementos pasivos, un capacitor y una resistencia) este circuito de
instrumentación se retroalimenta a través de una resistencia a la entrada positiva del
restador. La frecuencia de corte está dada por la siguiente formula Fc=1/2πRC y se calculó
para que fuera de .5 Hz.
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Con esto se consiguió que la señal fluctué alrededor de cero con lo que se permite eliminar el
voltaje de deriva. Para mejorar la relación señal-ruido se amplificó por otro factor de 10, esto
se realizó con un amplificador en configuración no inversor. Para conectarla a una bocina se
agregó un amplificador en configuración de seguidor y al final un circuito formado por una
resistencia y un capacitor.
Se diseñó un circuito impreso para soldar los componentes del circuito, el cual fue elaborado
de tal forma que puede conectarse a una tarjeta de adquisición de datos y a un amplificador
de audio.
El circuito impreso fue grabado en una placa fenólica y cubierto con una delgada lámina de
cobre la cual fue limpiada con cloruro férrico para eliminar todas las impurezas que pudiera
contener.
Se soldaron todos los componentes necesarios.
Cuando se tiene el circuito terminado es conectado a dos pilas las cuales funcionan como
alimentadoras del circuito, y así mismo conectarse a una tarjeta de adquisición de datos y a
una bocina.
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Para medir el ritmo cardiaco del sujeto, se le colocaron tres electrodos en diferentes partes
del cuerpo (hombro, hueso de la clavícula y al lado contrario de donde se encuentra el
corazón).
Después tres cables con caimanes en un extremo fueron conectados de los electrodos al
circuito para comenzar con la medición de la energía bioeléctrica del corazón.
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Finalmente, mediante un programa de recaudación de datos (National Instruments) pudimos
observar las señales del corazón y también escuchar el ritmo cardiaco.
Resultados:
Se le pidió al sujeto que se relajara para poder tomar pequeñas muestras de su ritmo
cardiaco, las cuales se muestran a continuación.
Ritmo cardiaco en tiempo real
Además de que se pudo observar la señal del corazón de una manera muy limpia, es decir,
con muy poco ruido de por medio también se pudo escuchar el ritmo cardiaco a través de la
bocina.
Se le pidió al sujeto flexionar los dedos medio y anular de su brazo izquierdo en el cual tenía
puesto uno de los electrodos con la finalidad de medir su actividad muscular la cual se
muestra en la siguiente imagen.
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Como se puede observar en la imagen, la primera señal muestra el estado inerte de los
dedos del sujeto pero se observa un cambio en la señal cuando flexiono los dedos medio y
anular.
Análisis de resultados.
Se realizaron las pruebas del circuito obteniendo los resultados esperados con una buena
relación señal-ruido mencionada con anterioridad. Se adquirieron las mediciones necesarias
mostrando dos señales de prueba,
Este circuito se ha estado desarrollando por más de dos años por lo que puede ratificarse su
funcionalidad, además de su practicidad y la manera tan sencilla de poder reproducir el
circuito y obtener los mismos resultados, y además se han estado haciendo mejoras al
circuito que aumentan su funcionalidad.
Conclusiones:
Se diseñó y construyó un amplificador para detectar señales bioeléctricas de una forma no
invasiva, alimentado con baterías y todo esto gracias a la aportación del Investigador quien
ha estado trabajando en este proyecto durante mucho tiempo en el Instituto de Fisiología
Celular de la UNAM.
Los resultados obtenidos con este circuito son mejores a los resultados que son reportados
en varias tesis de licenciatura. Este circuito tiene aplicaciones tanto en la medicina como en
la investigación.
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El circuito se puede reproducir de una forma sencilla sin la necesidad de un área de trabajo
específica y obtener los mismos resultados.
Cabe aclarar que es importante hacer la diferencia de potencial al colocar 3 sensores de
contacto superficial y blindar los cables para proteger de ruido electromagnético, así mismo,
se debe tener mucho cuidado con respecto a la polaridad de los cables porque al conectar
mal alguno podemos provocar un corto y la tarjeta deja de funcionar.
BIBLIOGRAFÍA.
Aston, Richard. “Principles of Biomedical Instrumentation and Measurement”,
Merril Publishing Company, 1990.
Coughlin, Robert. “Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales”.
Prentice Hall, 4Ed 1993
Carlos A. Alva, Wilfredo Reaño, Joel O. Castillo. (2011). Diseño y Construcción de un
Electrocardiógrafo de bajo costo. 2 de febrero del 2018, de Universidad Ricardo
Palma, Lima PERÚ Sitio web: www.urp.edu.pe/pdf/ingenieria/.../CIR-
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Higashida, B. (2013). Ciencias de la salud. México, D.F.: Mc Graw Hill.