UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE
INGENIERIALABORATORIO DE ELECTRNICA 2
MONITOR DE RITMO CARDIACO
GUATEMALA 5 DE JULIO DE 2011
JORGE DAVID TOP RAXON 200914908 JOS MIGUEL RUANO AGUILAR
200914909 SILVIO ALEJANDRO URIZAR SALAZAR 200915098
Monitor de ritmo cardiaco
INTRODUCCIN La electrnica ha sido una herramienta muy importante
en la vida del hombre moderno, gracias a esta, se han realizado
grandes avances en diversos campos de la vida del hombre, no solo
ha desarrollado el campo del entretenimiento y simplificado tareas
cotidianas que antes eran difciles de hacer, sino que tambin ha
contribuido a que la humanidad tenga un mejor modo de vida y pueda
cuidar mejor su salud. La electrnica tambin ha revolucionado el
campo de la medicina, introduciendo tecnologas de ltima generacin a
los consultorios y quirfanos, las cuales son usadas para
diagnosticar enfermedades al igual que para poder monitorear el
estado del paciente. Entre los mencionados se encuentra un
dispositivo muy til, el cual es el medidor de ritmo cardaco, ste es
de gran utilidad ya que permite monitorear uno de los parmetros ms
importantes en un paciente, el latido del corazn. Dependiendo del
tipo de medidor de ritmo, se pueden utilizar distintas
configuraciones para poder obtener los datos para su
funcionamiento. Los datos son obtenidos por las pulsaciones
elctricas que ocurren al latir el corazn, stas son amplificadas por
el dispositivo y tratadas para poder observar cmo se est
comportando el corazn. Los dispositivos electrnicos utilizados para
esta tarea deben de estar calibrados de tal manera que la precisin
en las medidas sea muy grande, dado que el rango de frecuencia de
latido del corazn es muy reducido. Se pueden utilizar circuitos
especiales para convertir la frecuencia del corazn en un voltaje
especfico, y as poder utilizar estos niveles de voltaje para poder
desplegar la medida en una escala. Como estudiantes de electrnica,
es importante dominar todo tipo de circuitos, tambin los circuitos
de amplificacin y tratado de seales. Por eso, se ha planeado la
elaboracin de un proyecto, el cual consiste en construir un medidor
de pulso, el cual desplegar en una escala cmo est el latido del
corazn. En este reporte, se incluye la teora y los diagramas que se
planean utilizar para llevar a cabo dicho dispositivo
electrnico.
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Monitor de ritmo cardiaco
OBJETIVOS
y
Generales: j Elaborar un medidor de pulso cardaco.
y
Especficos: j Utilizar amplificadores operacionales para
elaborar un amplificador de instrumentacin. j Medir el ritmo
cardaco utilizando un vmetro convencional. j Elaborar un circuito
que sea capaz de interpretar una frecuencia y convertirla en un
voltaje.
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Monitor de ritmo cardiaco
MARCO CONCEPTUAL SEALES EGC Activacin elctrica del corazn En
condiciones normales, la activacin cardaca es el resultado de un
impulso que se origina en una clula o en un grupo de clulas, que
constituyen el marcapasos, y de la propagacin de este impulso a
todas las fibras de las aurculas y los ventrculos. La llegada de la
seal elctrica a las fibras musculares del corazn inicia la
contraccin. Una actividad rtmica regular y una contraccin
coordinada de las aurculas y ventrculos requiere la presencia de
fibras automticas especializadas que genere impulso elctrico y lo
distribuya a las fibras miocrdicas de estas cmaras en la secuencia
apropiada y en el tiempo preciso. Realizan ambas funciones grupos
especializados de fibras cardacas que componen el sistema de
conduccin. El sistema de conduccin se encarga de originar y
transmitir el impulso elctrico por medio de fibras cardacas
especializadas entre las que se incluyen: el ndulo sinusal (SA), el
ndulo auriculoventricular (AV), el fascculo de His, las ramas
derecha e izquierda, y las ramificaciones perifricas de estas ramas
fasciculares que dan lugar a la red subendocrdica, e intramiocrdica
de Purkinje.
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El ndulo sinusal est en la pared de la aurcula derecha, en la
unin entre la propia aurcula y la vena cava superior. Tiene forma
de semicrculo y mide unos 15mm de largo y 5mm de ancho. El ndulo
sinusal genera potenciales de accin a una frecuencia aproximada de
70 por minuto y, pese a que existen otros tejidos cardacos dotados
de automatismo, es el ndulo sinusal el que marca el ritmo cardaco
dado que presenta la frecuencia ms rpida. Desde aqu la excitacin se
transmite a las clulas auriculares vecinas, por las zonas de menor
resistencia elctrica intercelular a una velocidad de 0,3 m/s. Esta
propagacin de la despolarizacin se canaliza especialmente a travs
de las vas especficas de conduccin denominadas vas internodales
anterior, media y posterior, que conducen el impulso desde el ndulo
sinusal al ndulo auriculoventricular. El ndulo auriculoventricular
(AV) est situado en la parte posterior del septum interauricular y
constituye la nica va de comunicacin entre la cavidad auricular y
la ventricular. Tiene una frecuencia intrnseca aproximada de 50
pulsos por minuto pero, bajo condiciones normales, sigue la
frecuencia impuesta por el ndulo sinusal. La velocidad de
propagacin en el ndulo AV es muy lenta (0,05 m/s) y da lugar a un
retraso en el progreso de la activacin que permite un llenado
ventricular ptimo durante la contraccin auricular.
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Monitor de ritmo cardiaco A continuacin del ndulo AV se
encuentra el haz de His que se divide a nivel subendocrdico en dos
ramas que se propagan una a cada lado del tabique interventricular.
Estas ramas del haz de His se arborizan en una compleja red de
fibras de conduccin denominada Fibras de Purkinje. La velocidad del
sistema de conduccin ventricular es de 1 a 4 m/s de manera que la
activacin de la regin subendocrdica es casi inmediata en toda la
superficie. Todas las clulas cardacas tienen la propiedad de
generar dipolos elctricos cuando reciben la seal de activacin
(despolarizacin) y tambin cuando, tras su contraccin, regresan al
estado de reposo (repolarizacin). Estos dipolos elctricos son los
que se registran utilizando la mquina electrocardiogrfica y las
posiciones de electrodos que se detallan a continuacin.
Derivaciones electrocardiogrficas La disposicin de las conexiones
de cada par de electrodos recibe el nombre de derivacin. En el
registro del electrocardiograma se utilizan habitualmente doce
derivaciones: las derivaciones de extremidades, las derivaciones de
extremidades aumentadas y las derivaciones precordiales.
Derivaciones de extremidades. Estas derivaciones son bipolares,
porque detectan las variaciones elctricas en dos puntos y ponen de
manifiesto la diferencia. DI es una conexin entre electrodos
situados en el brazo izquierdo y en el brazo derecho. Cuando el
brazo izquierdo est en un campo de fuerzas positivo respecto al
brazo derecho, en DI se inscribe una deflexin hacia arriba
(positiva). DII es la conexin entre los electrodos situados en la
pierna izquierda y el brazo derecho, Cuando la pierna izquierda est
en un campo de fuerzas positivo respecto del brazo derecho, se
inscribe una deflexin hacia arriba en esta derivacin. DIII es una
conexin entre la pierna izquierda y el brazo izquierdo. Cuando la
pierna izquierda est en un campo de fuerzas positivo respecto al
brazo izquierdo, se inscribe una deflexin positiva en DIII.
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Derivaciones de extremidades aumentadas. Estas derivaciones son
unipolares, registran las variaciones elctricas de potencial en un
punto (brazo derecho, brazo izquierdo o pierna izquierda) respecto
a otro punto en que la actividad elctrica durante la contraccin
cardiaca no vara significativamente. La derivacin est aumentada en
virtud del tipo de conexin elctrica, que da como resultado un trazo
de amplitud aumentada. La derivacin aVR inscribe los potenciales
elctricos del brazo derecho respecto a un punto nulo, que se hace
uniendo los cables del brazo izquierdo y de la pierna izquierda. La
derivacin aVL registra los potenciales del brazo izquierdo en
relacin a una conexin hecha mediante la unin de los cables del
brazo derecho y del pie
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Monitor de ritmo cardiaco izquierdo. La derivacin aVF revela los
potenciales que hay en el pie izquierdo respecto a la conexin hecha
con la unin de los cables de los brazos derecho e izquierdo.
Derivaciones precordiales. Estas derivaciones son unipolares y
se registran en el trax desde la posicin 1 a la 6. Los electrodos
mviles registran el potencial elctrico que hay bajo ellos mismos
respecto a la conexin terminal central, que se hace conectando los
cables del brazo derecho, el brazo izquierdo, y la pierna
izquierda. El potencial elctrico de la conexin terminal central no
vara significativamente a travs del ciclo cardaco; por tanto, los
registros efectuados con la conexin V muestran las variaciones
elctricas que tienen lugar debajo del electrodo precordial mvil. La
posicin de V1 est en el IV espacio intercostal a la derecha del
esternn; V2 est en el IV espacio intercostal a la izquierda del
esternn; V4 est a la izquierda de la lnea medioclavicular en el V
espacio intercostal; V3 est a medio camino entre V2 y V4; V5 est en
el V espacio intercostal en la lnea axilar anterior, y V6 est en el
V espacio intercostal en la lnea medioaxilar izquierda.
A veces son de utilidad otros emplazamientos de las derivaciones
precordiales, por ejemplo, aquellas que estn elevadas 5cm por
encima de las posiciones usuales (EV1, EV2, etc.) que pueden ayudar
a detectar infartos de miocardio, o aquellas que estn situadas 5cm
por debajo de las posiciones usuales (LV1, LV2, etc.) cuando el
corazn est anormalmente bajo en el trax, como ocurre con los
pacientes con enfisema pulmonar.
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Ondas componentes del ECG
Monitor de ritmo cardiaco Una vez hemos visto la activacin
elctrica del corazn, as como las posibles derivaciones que se
utilizan para registrar las diferencias de potencial, estamos en
disposicin de explicar cmo se genera una onda ECG y sus
caractersticas. Un perodo del ECG perteneciente a un individuo
sano, consiste en una onda P, el complejo QRS, la onda T y la onda
U, tal como se muestra en la siguiente figura.
Las porciones del electrocardiograma entre las deflexiones se
denominan segmentos, y las distancias entre ondas se denominan
intervalos. El ECG puede ser dividido en los siguientes intervalos
y segmentos: > Onda P. En condiciones normales es la primera
marca reconocible en el ECG. Corresponde a la llegada de la seal de
activacin a las aurculas. Su duracin es menor de 100ms y su voltaje
no excede los 2,5mV. > Intervalo PR: Muestra el perodo de
inactivida elctrica correspondiente al retraso fisiolgico que sufre
el estmulo en el nodo auriculoventricular. Su duracin debe estar
comprendida entre los 120 y 200ms. Pgina > Complejo QRS: Es la
marca ms caracterstica de la seal electrocardiogrfica. Representa
la llegada de la seal de activacin a ambos ventrculos. Su duracin
es de 80 a 100ms. Electrnica 2 Grupo VV03
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Monitor de ritmo cardiaco > Segmento ST: Comprende desde el
final del complejo QRS hasta el inicio de la onda T. > Onda T:
Corresponde a la repolarizacin ventricular, aparece al final del
segmento ST. > Intervalo QT: Comprende desde el inicio del
complejo QRS hasta el final de la onda T y representa la
despolarizacin y repolarizacin ventricular. Su duracin estar entre
320 y 400 ms. A continuacin se muestra una tabla con la relacin
entre el ritmo cardiaco y la duracin de este intervalo.
Ritmo cardiaco 60 70 80 90 100 120
Duracin QT (s) 0.33 - 0.43 0.31 - 0.41 0.29 - 0.38 0.28 - 0.36
0.27 - 0.53 0.25 - 0.32
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN
El amplificador de instrumentacin es un amplificador diferencial
tensin-tensin cuyaganancia puede establecerse de forma muy precisa
y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a su propia
especificacin an en un entorno hostil. Es un elementoesencial de
los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque
funcional que ofrece caractersticas funcionales propias e
independientes de los restantes elementos con los que interacciona.
Para ello, se le requiere: a) Tengan unas caractersticas
funcionales que sean precisas y estables. b) Sus caractersticas no
se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos.
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A los amplificadores de instrumentacin se les requieren las
siguientes caractersticas: 1) Son amplificadores diferenciales con
una ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el
rango de 1 a 1000. 2) Su ganancia diferencial se controlada
mediante un nico elemento analgicos (potencimetro resistivo) o
digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste. 3) Su ganancia en
modo comn debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial,
esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de
frecuencia en que opera. 4) Una impedancia muy alta para que su
ganancia no se vea afectada por la impedancia de la fuente de
entrada. 5) Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia
no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida.
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Monitor de ritmo cardiaco 6) Bajo nivel de la tensin de offset
del amplificador y baja deriva en el tiempo y con la temperatura, a
fin de poder trabajar con seales de continua muy pequeas. 7) Una
anchura de banda ajustada a la que se necesita en el diseo. 8) Un
factor de ruido muy prximo a la unidad, Esto es, que no incremente
el ruido. 9) Una razn de rechazo al rizado a la fuente de
alimentacin muy alto.
El amplificador diferencial bsico construido con un nico
amplificador operacional, satisface algunas de las caractersticas
del amplificador de instrumentacin, pero no todas. No obstante,
como es la base de los amplificadores de instrumentacin es
interesante analizar algunas de sus caractersticas.
Para que el amplificador se comporte como amplificador
diferencial debe verificarse:
El amplificador diferencial bsico es un amplificador de
instrumentacin de muy bajas prestaciones, porque: a) Requiere
modificar dos componentes para modificar su ganancia diferencial,
manteniendo la ganancia en modo comn nula. b) Es muy difcil
conseguir CMRR muy altos. El CMRRTOTAL del circuito se degrada por
dos causas: a. El amplificador operacional tiene un CMRRAO finito.
b. Las resistencias difcilmente se pueden ajustar para que
exactamente satisfagan la relacin R1R4=R2R3, y en consecuencia se
genera un CMRRR Configuracin bsica: La configuracin ms utilizada
como amplificador de instrumentacin est constituida por tres
amplificadores operacionales utilizados de acuerdo con el esquema
de la figura.
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Monitor de ritmo cardiaco
El anlisis de este circuito es mas instructivo si se analiza
considerando propiedades de simetra. a) Cuando es excitado con una
entrada en modo diferencial -v1=v2=vd/2, el punto medio de la
resistencia RG permanece a 0 voltios (por simetra)
b) Cuando es excitado con una entrada en modo comn v1=v2=vc, las
seales va y vb deben ser igual a vc, sean cual sean los valores de
las resistencias RG, R1 y R 1.
El circuito funciona como amplificador diferencial si las
resistencias satisface la relacin:
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En el caso de que el circuito sea simtrico:
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Monitor de ritmo cardiaco
El CMRR de este amplificador de instrumentacin depende de los
dos factores: a) Las resistencias no satisfacen exactamente la
relacin entre resistencias R2R 3=R3R 2. El CMRR debido a las
resistencias es:
El CMRR total del amplificador de instrumentacin debido a ambas
causas integradas es,
A la vista de esta expresin, se observa que los dos primeros
trminos se cancelan si se utilizan amplificadores operacionales
duales integrados (CMRR1=CMRR2) y CMRRTOTAL aumenta. Dado que las
resistencias no se pueden fabricar con una precisin excesiva, para
conseguir que el ltimo termino no degrade el CMRR, se suele hacer
la resistencia R 3, y experimentalmente se ajusta su valor de forma
que se minimice la ganancia en modo comn y con ello se haga
maximiza el CMRR.
La anchura de banda de la ganancia diferencial de un
amplificador de instrumentacin depende de la anchura de banda de
cada una de sus etapas. Estas son,
La anchura de banda del amplificador de instrumentacin compuesto
se puede calcular, de forma aproximada, aplicando la formula
composicin de la anchura de banda en etapas en cascada, Pgina
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Monitor de ritmo cardiaco DESARROLLO Para el amplificador de
instrumentacin se arm el siguiente circuito:
Para eliminar el ruido y obtener una forma de onda utilizable en
los circuitos posteriores se utiliz un comparador de voltaje, su
diagrama se muestra a continuacin:
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Monitor de ritmo cardiaco Para hacer en anlisis de la frecuencia
de la onda se utiliz un PIC 16F648, el cual consta de la siguiente
distribucin de pines:
En el programa del PIC, se llev a cabo una interrupcin para
poder contar entre ciertos valores predeterminados, con esto, se
establecieron rangos para el pulso cardaco en diferentes estados.
El programa se muestra a continuacin:Dim a As Word Dim b As Word
Dim cam As Word Dim cont As Word TRISA = 255 TRISC = 0 a=0 b=0 cam
= 0 cont = 0 CMCON0 = %0000111 CMCON1 = 0 ANSEL = 0 TMR0 = 0
INTCON.GIE = 1 INTCON.PEIE = 1 INTCON.INTE = 1 OPTION_REG =
%00000111 TMR0 = 205 main: If b > 23 Then If b 30 Then If b 37
Then If b 48 Then PORTC = %001000 Endif Goto main End
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Monitor de ritmo cardiaco DIAGRAMA DE BLOQUES:
SENSORES
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN PARA OBTENCIN DE PULSOS
CARDIACOS
PIC 16F648 COMPARADOR DE VOLTAJE DE LA ONDA
SALIDA VUMETRO
DIAGRAMA ESQUEMTICO:
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Monitor de ritmo cardiaco PLACAS Placa principal:
Placa de LEDs
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Monitor de ritmo cardiaco COSTOSComponente Resistencias de
valores varios Potencimetros de 50k Amplificador LM348 Amplificador
LM358 PIC 16F648 4 LEDs normales 1 LED superbright azul Set de 30
electrodos Placa cido Total Costo unitario Q0.60 Q4.50 Q10.00 Q4.50
$3.00 Q2.00 Q5.00 Q125.00 Q20.00 Q15.00 Unidades 11 2 1 1 1 4 1 1 1
1 Costo total Q6.60 9.00 Q10.00 Q4.50 $3.00 Q8.00 Q5.00 Q125.00
Q20.00 Q15.00 Q227.10
CONCLUSIONES 1. El amplificador de instrumentacin es utilizado
generalmente en sensores corporales debido a su facilidad de armar
y su alta ganancia. 2. El vmetro puede ser utilizado como un
medidor de escala para un medidor de pulso cardaco. 3. En algunos
circuitos, es necesario que el voltaje est en funcin de la
frecuencia de entrada al mismo.
RECOMENDACIONES
1. Calibrar cuidadosamente el amplificador para que este posea
una ganancia adecuada para poder ser utilizada en los circuitos
posteriores. 2. Investigar a fondo cmo son las posiciones de
medicin para un electrocardiograma para poder obtener mejores
medidas para ser utilizadas en las mediciones. 3. Utilizar
electrodos de calidad para evitar el ruido en el circuito. 4.
Calibrar los circuitos adecuadamente ya que se requiere de una alta
precisin en circuitos de equipo mdico.
BIBLIOGRAFA y Instrumentacin Electrnica para Comunicaciones
Universidad de Cantabria
http://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacion_5_IT/IEC_3.pdf
Teora del electrocardiograma: Seales ECG e informacin clnica
http://www.electrocardiografia.es/ Grupo VV03
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