informe_ecg

Corporacin Universitaria de la Costa CUC Ctedra de Bioingeniera

ELECTROCARDIOGRAMA (ECG)Diego Andres Castiblanco Villafae [email protected] Julieth Gmez Durn [email protected] Nazhir Jess Amaya Tejera [email protected]: El presente informe tiene como finalidad presentar el funcionamiento del electrocardigrafo mediante el Mdulo ECG del Sistema de Medicin Biomdica KL-720, para estudiar el fenmeno de actividad elctrica que ocurre durante el ciclo cardiaco. Por electrocardiogramaa se entiende la forma de onda del potencial cambiante y peridico del corazn, relacionado con su actividad elctrica. La primera parte consta de la descripcin de los circuitos que componen el Mdulo de medicin ECG y la verificacin del funcionamiento de cada bloque. La segunda parte consta de las pruebas y captura de datos del electrocardiograma en un paciente, primero mediante un osciloscopio y luego mediante el software KL-720. A partir de estas mediciones se podrn identificar cada una de las seales implicadas en el estudio de la actividad elctrica del corazn.PALABRAS CLAVE: Electrocardiograma, corazn, biomedicina, filtros, amplificadores. ABSTRACT: The purpose of this experiment is to show the operation of the electrocardiograph by using the ECG Module of the Biomedical measurement system KL-720, to study the phenomenon of electrical activity which occurs during the cardiac pumping cycle. The waveform of periodical changing potential related to electrical activity is called electrocardiogram. The first part contains the description of the circuits of the ECG measurement Module and the working verification of each block. The second part is about testing and data collection of the ECG measurement on a patient, first by using an oscilloscope and later by using KL-720 software. From this measurements, signals implied with the Heart electrical activity study can be indentified. KEYWORDS: Electrocardiogram, heart, biomedicine, filters, amplifiers. que aument la sensitividad del mismo usando slo cinco conectores, que forman el conocido: Tringulo de einthoven [Fig. 1-B].

PRINCIPIOS FISIOLGICOSCmo todo proceso, antes de analizar las seales obtenidas de un ECG, se hace necesario estudiar cmo se forma. Las primeras medidas del electrocardiograma humano fueron hechas en 1887 por Augustus Dsir Waller, usando un electrmetro capilar con cinco puntos de medida que generaban diez conectores [Fig. 1-A]. Ms tarde, Willem Einthoven desarroll una aplicacin de un galvanmetro de cuerda a la medicin del ECG,

Figura 1: A. Se muestran los 10 conectores del modelo de medicin de ECG de Waller. B. Se muestra el modelo de medicin de ECG de cinco conectores de Einthoven, que forman el conocido Tringulo de Einthoven.

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Corporacin Universitaria de la Costa CUC Ctedra de BioingenieraDonde:

V I =Voltaje del Conector I V II =Voltaje delConector II V III =Voltaje del Conector III L= Potencial del brazo izquierdo R =Potencial delbrazo derecho F = Potencial del pie izquierdoEste tipo de mediciones se puede realizar gracias al potencial de accin de las clulas musculares, que produce un cambio elctrico y una corriente al exterior, que es la que se mide con los electrodos. Como este potencial en reposo extra-celular (+) es contrario al intracelular (-), los cambios elctricos durante un potencial de accin sern opuestos adentro y afuera de la clula [Fig. 2].

Paso a paso, la formacin de la seal ECG mostrada anteriormente, correspondera a lo siguiente: Onda P: Depolarizacin auricular [Fig. 4] Onda Q: Depolarizacin septal. Toda ondaa negativa previa a una positiva [Fig. 4]

Fig. 2: Depolarizacin de acuerdo a los niveles de concentracin de los iones dentro y fuera de las clulas As, cuando un vector cardaco se acerca al electrodo extracelular la representacin grfica del potencial de accin miocrdico genera una onda positiva, cuando se aleja: una onda negativa y cuando es perpendicular no aparece nada o aparece una bifsica. Esta corriente se extiende hacia superficie del cuerpo y una pequea parte llega a piel, por lo que se puede obtener las mediciones colocando los electrodos en la piel [Fig. 3].

Figura 4: Formacin de ondas P y Q del ECG Onda R: Depolarizacin apical y del ventrculo izquierdo. Toda onda positiva [Fig. 5.]

Figura 3: Potencial de accin miocrdico.A. Interno. B. Externo.

6]

Figura 5: Formacin de onda R del ECG Onda S: ltima depolarizacin ventricular [Fig.

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Figura 8: Lectura ECG normal

OBJETIVOSFigura 6: Formacin onda S del ECG Onda T: Repolarizacin ventricular [Fig. 7.]

2.1 OBJETIVO GENERALRealizar un electrocardiograma hacendo uso del Mdulo ECG del sistema de medicin biomdica KL-720 y de un osciloscopio.

2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS Identificar cada uno de los bloques del Mdulo ECG del Sistema de medicin biomdica KL-720 Identificar cada una de las seales obtenidas

INSTRUMENTOS Y MTODOS 3.1 INSTRUMENTOS Unidad principal KL-720 Mdulo ECG KL-75001 Osciloscopio Simulador ECG Cable para Electrodos KL-79101 Almohadillas preparadas con alcohol Electrodos Cable DB9 Cables BNC Cable RS-232 Cables de conexin Puentes de 10mm Trimmer

Figura 7: Formacin onda T del ECG Unidas estas seales, se obtiene una lectura del ECG completa como se muestra en la Fig. 8.

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Corporacin Universitaria de la Costa CUC Ctedra de Bioingeniera3.2 DIAGRAMA DE BLOQUESEn las mediciones de conduccion de las extremidades como se describi anteriormente, el pie derecho siempre es utilizado como campo de referencia. A travs de los puntos de prueba en el brazo derecho, brazo izquierdo y el pie izquierdo,seis seales de ECG como Lead I, Lead II, Lead III, aVR, aVL y aVF se puede realizar. Para el examen de los costos de hardware, el circuito es un canal con la posibilidad de mltiples derivaciones. En general, el rango de frecuencia es de 0.1 a100 Hz y la amplitud mxima es de 1 mV en una normal de la seal del ECG.Adems, para evitar la descarga elctrica causada por la prdida de la fuente de alimentacin, o un instrumento de prueba, el circuito de aislamiento se deben considerar para la deteccin de ECG. para aV1_ y OP1BZ1-Z2-plus OP1A y OP2A-Z8 para aVF.

Figura 10: Circuito ECG de seleccin Figura 9: Diagrama de bloques de un circuito de medida ECG La Fig. 9 muestra el diagrama de bloques del circuito de ECG. En la medicin de ECG, los electrodos de superficie (o las pinzas porta electrodos) colocados sobre cuatro extremidades se utilizan para capturar potenciales muy dbiles y variables en el tiempo. El circuito selector contiene un circuito seguidor de voltaje para que coincida con la impedancia entre el electrodo y la piel, este diseo puede aumentar la sensibilidad de la medicin de la red de seleccin tringulo del circuito selector es construido por los modos de medicin diferentes. Un amplificador de instrumentacin con una ganancia de 100 se aplica en el pre-amplificador para capturar la seal unipolar de los vectores de ECG. El circuito de aislamiento est diseado para aislar la seal y la fuente de alimentacin de la lnea mediante el uso de un mtodo ptico. El ancho de banda del servidor de archivos de paso de banda es de 0.1 a 100 Hz, y el amplificador posee un factor de amplificacin de 10. Despus de la seal pasa a travs de 50 o 60 Hz de bandafiltro de rechazo, la seal final se puede visualizar en la pantalla del osciloscopio. En el circuito de ECG de seleccin, como se muestra en la Fig. 10, tanto OP1 y OP2 es la tensin seguidor. Con el fin de aumentar la impedancia de entrada del circuito de seleccin, OP1 y OP2 estn diseados con amplificadores operacionales JFETentrada. Z1-Z9 son las resistencias equivalentes para el circuito de la red triangular. Para los bipolares, OP1B-Z7 y OP1A Z9 son de conduccion, OP1B-Z7 yZ8-OP2A de Lead II, OP1A Z9 y OP2A Z8 Lead III, y la terminal de RL de la pierna derecha como referencia del suelo. A los conductores unipolares, OP1A-Z5 ms 0P2-Z8 y OP1B Z7-son para aVR, OP1B Z3-Z4 ms OP2A y OP1A Z9 La Fig. 11. muestra el circuito preamplificador que se compone de un amplificador de instrumentacin con OP3. Si Z11 = Z12, Z13 = Z14 y Z15 = Z16, entonces la ganancia de voltaje puede ser determinada por la ecuacin:

Av =

Z 15 2Z11 (1+ ) Z 13 Z 10

(1)

Figura 11: Circuito preamplificador del ECG Un amplificador de instrumentacin (AI) es un amplificador diferencial que satisface las condiciones siguientes: (a) muy alta (idealmente infinita) de modo comn y modo diferencial impedancias de entrada, (b) muy baja (idealmente cero) impedancia de salida, (c) precisin de ganancia estable, por lo general en el rango de 1 a 103 VNVN, y (d) muy alta de modo comn ndice de rechazo. La IA se utiliza para amplificar con precisin una seal de bajo nivel en presencia de un gran componente de modo comn, como una salida del transductor en el control del proceso y la biomedicina.

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Corporacin Universitaria de la Costa CUC Ctedra de BioingenieraPor esta razn, los OE encontrar una amplia aplicacin en la prueba y la instrumentacin de medida, de ah el nombre. Como se muestra la Fig. 12, el circuito de aislamiento se construye con OP4. Aqu el aislamiento de la seal se consigue mediante un enfoque ptico. Los amplificadores de aislamiento se utilizan principalmente para las inter-conexiones entre sistemas que utilizan seales de distinta referencia. En situaciones en las que dos partes de un sistema no deben estar en contacto elctrico. Por ejemplo en la instrumentacin biomdica donde el sistema de sensado del paciente debe estar aislado del resto de la circuitera elctrica.

f L=

1 2 Z 17 Z 18 Z 19 Z 20

(2)

Y la ganancia de la banda de paso se explica en la siguiente ecuacin:

(Z 21+Z 22 ) =1.56 Z 21

(3)

OP6B se utiliza para la construccin de un filtro paso.bajo activo de 2 orden, como se muestra en la Fig. 13-B. La frecuencia de corte (FH) del filtro se fija en 100 Hz, y puede ser calculada usando Z25, Z26, Z27 y Z28, tal como se expresa en la siguiente ecuacin:

f H=

1 2 Z 25 Z 26 Z 27 Z 28

(4)

Y la ganancia de la banda de paso se describe en la ecuacin:

Figura 12: Circuito de aislamiento Existen bsicamente dos tipos de aislamiento: Aislamiento galvnico o acoplamiento por transformador (modulador de frecuencia y convertidores DC-DC) y acoplamiento ptico (foto-diodos y fototransistores) Caractersticas del amplificador de aislamiento Ganancias de 1 a 1000 Grandes diferencias de tensiones de referencia de modo comn entre las secciones de entradas y salidas; hasta 5KV En general dos terminales de corriente Amplifican seales del orden de mV o uV con muy bajo ruido: Son especialmente inmunes a ruidos de radiofrecuencia y seales electromagnticas mediante apantallamiento y anillos de guarda. En el diseo de circuitos, OP5B se utiliza para crear un filtro pasa-altos activo de 2 orden, como se muestra en la Fig. 13. La frecuencia de corte (fL) del filtro se establece en 0,1 1 Hz, y puede ser calculada usando Zi7, Z18, Z19 y Z20, tal como se expresa en la siguiente ecuacin:

( Z 29+Z 30) =1.56 Z 29

(5)

El filtro pasa banda ademas la banda pasante la forman todas las frecuencias que estan entre la frecuencia inferior de corte y la frecuencia superior de corte. Las frecuencias por debajo de la frecuencia inferior de corte y por encima de la frecuencia superior de corte son la banda eliminada.

Figura 14: Amplificador noinversor La Fig. 14 muestra un amplificador no inversor construido por OP6A. En el amplificador Z24 es para el ajuste de la ganancia, tal como se expresa en la ecuacin:

AV =

Z 23+Z 24 Z 23

(6)

Figura 13: A. Filtro pasa alta de 2do orden. B. Filtro pasa baja de 2do orden.

El amplificador no-inversor ademas utiliza una realimentacion negativa para estabilizar la ganancia total de tension. Este tipo de amplificadores al tener la realimentacion negativa provoca el incremento de la impedancia de entrada y la disminucion de la impedancia de salida.

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Corporacin Universitaria de la Costa CUC Ctedra de BioingenieraLos filtros rechaza banda no permiten el paso de una banda de frecuencias. Es decir este tipo de filtros rechaza aquellas frecuencias que se encuentran en un ancho de banda definido. Este tipo de filtro permite el paso de las frecuencias inferiores o superiores a dos frecuencias determinadas como de corte inferior (FL) y superior FH. La Fig. 15, muestra una doble T de banda de filtro de rechazo compuesta por redes RC, incluyendo OP5A, Z31, Z32, Z33 (o Z34) Z36, Z36 y Z37. Si Z31 = Z35, Z32 =Z36, Z33 = 0.5Z31 (o Z34 = 0.5Z31) y Z37 = 2Z32, la frecuencia central se puede calcular por la ecuacin:

dB

20 10dB

0 1000 10 -10 -20

3

2

1

0,9 0,8 0,5 0,1

f=

1 2 Z 31 Z 32

(7)

Frecuencia Figura 16: Curva caracterstica HPF- Fc=1Hz Tal como se puede observar, el filtro pasa altos est dejando pasar las frecuencias superiores a un 1Hz, tal como se configur para esta parte de la experiencia. Presenta una pequea desviacin antes de 1Hz, pero se asume que el entorno o las condiciones en las que se desarroll la experiencia, pudieron haber afectado.

Figura 15: Filtro Rechaza Banda

PRUEBAS Y RESULTADOS4.1 MIDIENDO LAS CARACTERSTICAS DEL FILTRO PASA-ALTOSInput Freq HPF Output dB (Hz) (Vpp) 1000 4,2 12,464985808 10 4 12,041199827 3 3 9,5424250944 2 1,6 4,0823996531 1 0,8 -1,93820026 0,9 0,8 -1,93820026 0,8 0,16 -15,91760035 0,5 0,16 -15,91760035 0,1 0,15 -16,47817482Tabla 1: Amplitud de salida - HPF - Fc=1Hz Con la toma de estos datos del HPF con frecuencia de corte de 1Hz, se gener la siguiente grfica:

Input Freq HPF Output dB (Hz) (Vpp) 1000 4,8 13,624824748 100 5,6 14,96376054 10 4,8 13,624824748 5 4 12,041199827 3 3,2 10,102999566 1 1,6 4,0823996531 0,3 0,8 -1,93820026 0,2 0,16 -15,91760035 0,1 0,08 -21,93820026Tabla 2: Amplitud de salida - HPF - Fc =0.1Hz Con la toma de estos datos del HPF con frecuencia de corte de 0.1Hz, se gener la siguiente grfica:

dB 20 10 0 1000 100 10 -10 -20 -30Frecuencia Figura 17: Curva caracterstica HPF - Fc=0.1Hz Para el caso del HPF configurado a 0.1Hz, se observa una desviacin mayor que el configurado a 1Hz, pero igualmente se alcanza a visualizar que est filtrando dentro de los parmetros. El error en estas dB

5

3

1

0,3 0,2 0,1

6

Corporacin Universitaria de la Costa CUC Ctedra de Bioingenieramediciones, adems de las variables del entorno, pudo haber sido causada a la difcil visualizacin de la seal de salida en el Osciloscopio. de las frecuencias mayores. El error puede ser debido a la difcil visualizacin de bajas frecuencias en el osciloscopio.

4.2 MIDIENDO LAS CARACTERSTICAS DEL AMPLIFICADORVR1 Position Minimum counterclock wise Maximum undistorted output Amplifier Output Voltage (Vpp) 80mVpp

4.4 MIDIENDO LAS CARACTERSTICAS DEL FILTRO RECHAZA BANDAInput Freq BRF Output (Hz) (Vpp) 5 1,04 10 1,04 20 1,04 30 0,08 60 0,016 100 0,064 200 0,4 500 0,44 1000 0,48 dB 0,340666786 0,340666786 0,340666786 -21,9382002602 -35,9176003469 -23,8764005203 -7,9588001734 -7,1309464703 -6,3751752525

12Vpp

Tabla 3: Amplitud de salida del amplificador La relacin de ganancia es alrededor de:

G=

Vo 12V = =150 Vi 0.08V

Tabla 5: Amplitud de salida BRF - 60Hz

4.3 MIDIENDO LAS CARACTERSTICAS DEL FILTRO PASA-BAJOSInput Freq (Hz) 1 10 50 80 100 120 150 250 500 LPF Output dB (Vpp) 0,8 -1,93820026 2,4 7,6042248342 2,4 7,6042248342 2,1 6,4443858947 2 6,0205999133 1,6 4,0823996531 1 0 0,44 -7,13094647 0,12 -18,41637508 10 0dB

dB

-10 5 -20 -30 -40

10 20 30 60 100 200 5001000

Frecuencia Figura 19: Curva caracterstica BRF - 60Hz Claramente se observa el rechazo de la banda alrededor de los 60Hz , el cual es el objetivo, puesto que esa es la frecuencia a la que operan la mayora de dispositivos en el territorio colombiano y pueden causar interferencias en la medicin del electrocardiograma.

Tabla 4: Amplitud de salida del LPF - 100Hz Con la toma de estos datos del LPF con frecuencia de corte de 100Hz, se gener la siguiente grfica:

dB 10 0 1 -10 -20Figura 18: Curva caracterstica LPF Aqu se puede observar, a pesar de presentar pequeas desviaciones de los resultados ideales, que el filtro est permitiendo el paso de las frecuencias ms bajas de 120 a 100 Hz en promedio, y anulando el paso

10

50

80 100 120 150 250 500

4.5 MEDICIN DE ECG EL SOFTWARE KL720 Mediciones en 0.1KHz

7


Figura 20: LEAD I [0.1Hz]

Figura 23: aVR [0.1Hz]

Figura 21: LEAD II [0.1Hz]

Figura 24: aVL [0.1Hz]

Figura 22: LEAD III [0.1Hz] Figura 25: aVF [0.1Hz] Mediciones en 1KHz

8


Figura 26: LEAD I [1Hz]

Figura 29: aVR [1Hz]

Figura 27: LEAD II [1Hz]

Figura 30: aVL [1Hz]

Figura 28: LEAD III [1Hz]

Figura 31: aVF [1Hz]

CONCLUSIONESSegn la Organizacin Mundial de la Salud, las enfermedades cardiovasculares son la principal causa del muerte en todo el mundo y se calcula que para el ao 2030 morirn cerca de 23.6 millones de personas por este problema, sobre todo por cardiopatas y accidentes vasculares-cerebrales [3]. En otras palabras, del estudio e investigacin en este rea, dependern millones de personas en el futuro. Con el desarrollo de esta experiencia, se pudo observar el gran aporte que

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Corporacin Universitaria de la Costa CUC Ctedra de Bioingenierahan hecho ciencias como la ingeniera electrnica en el rea biomdica y se vio reflejada la necesidad de seguir desarrollando alternativas de solucin, para los miles de problemas que en torno a esta rea. Para el caso especfico del que trata este informe, se pudo corroborar en la primera parte de la experiencia, el funcionamiento de cada uno de los bloques que conforman el Mdulo de Medicin del electrocardiograma. As, realizando las medidas pertinentes y luego graficando los resultados en Frecuencia Vs Decibeles, para obtener una representacin ms adecuada debido a las varias rdenes de magnitud de los mismos, se pudo observar que cada uno estaba funcionando dentro de los parmetros para los cuales haban sido configurados. Una vez verificada y comprendida la primera parte, se realizaron las mediciones de cada una de las seales generadas por cada eje de potencial cardiaco, en el osciloscopio. En este punto, se increment la dificultad de visualizacin en el osciloscopio, por efectos de la frecuencia de la seal, pero, se hicieron notables los picos caractersticos de cada uno de los ejes. Esta parte se pudo verificar ms adelante con el uso de software KL-720. A pesar de que sta forma de onda se encontraba levemente afectada por el ruido del entorno, el movimiento del paciente y diviersos dispositivos electrnicos que podan causar interferencia, se pudo identificar que la mayora de las seales correspondan con lo esperado:

REFERENCIAS

[1] A. Malvino, Principios de electrnica. McGraw Hill. 1999. [2] Electrocardiograma: Disponible en: http://www.clinique-el-yasmine.dz/ecg.html [3] Enfermedades cardiovasculares Disponible en: http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs317/es/index.ht ml [4] J.Malmivuo and R. Plonsey, Principles and applications of bioelectric and biomagnetic fields, Oxford University Press. pp. 277-289. 1995. Disponible en: http://www.bem.fi/book/ [5] K&H MFG CO., L. Biomedical Measurement System KL720 Experiment Manual. Taipei. Disponible en: http://www.kandh.com.tw/es/ [6] L.Moreno, Cmo entender un electrocardiograma, Ediciones Diaz de Santos. pp.37-50. 2008. Disponible en: http://site.ebrary.com/lib/bibliotecacucsp/docDetail.action? docID=10204165 [7] S. Franco, Design with operational amplifiers and analog integrated circuits, McGraw Hill. 2002.

Figura 32: Seales comunes generadas por los ejes de potencial cardiaco [2]

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