Electrocardiografo Para PC

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ELECTROCARDIÓGRAFO PARA PC AUTOR: ING. HORACIO D. VALLEJO El Electrocardiógrafo es un dispositivo que permite el registro del voltaje y la dirección de la actividad eléctrica durante la despolarización y la repolarización de las células del músculo car- díaco. Estas son representadas gráficamente por un Electrocardiograma (ECG), respecto al tiempo. Normalmente, la activación eléctrica de las células o “despolarización” estimula la con- tracción del miocardio. La “repolarización” o restauración del potencial eléctrico de las célu- las se produce hacia el final de la contracción cardíaca. Mediante electrodos fijados a la piel del paciente, sirven como las terminales positiva y negativa de un sistema de derivación usado para medir la actividad eléctrica durante todo el ciclo cardíaco. Una onda eléctrica que se desplace hacia el electrodo positivo se regis- trará como una deflexión positiva en el ECG, mientras que una onda eléctrica que se des-

place alejándose del electrodo se registrará como una deflexión negativa. En general los electrocardiógrafos son equipos caros y tanto los estudiantes, como los médicos recién reci- bidos y los técnicos dedicados a la electrome- dicina no cuentan con los recursos que les per- mita poseer estos aparatos de alta tecnología. Utilizando una placa de adquisición dotada de un amplificador diferencia para instrumentación y filtros que permitan manejar solamente las señales referentes del corazón y mediante el empleo del osciloscopio para PC publicado en Saber Electrónica Nº 241 puede construir un electrocardiógrafo portátil para primeros auxi- lios e investigación, utilizando cualquier compu- tadora para obtener la iterfaz gráfica y un pro- grama que permite almacenar e imprimir la señal obtenida. Saber Electrónica Nº 255

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Artículo de Portada INTRODUCCIÓN El ECG es un recurso importante para el diagnóstico de arritmias cardíacas, en la valoración de la respuesta a tratamiento y en proporcionar información relativa a algunos procesos fisiológicos y/o patológicos que afectan al corazón. El corazón podría considerarse como una bomba electromecánica; es decir, un sistema que genera en forma automática el impulso cardíaco y lo transmite a todas las células de trabajo, denominadas miocitos, y éstas, con su contracción o acortamiento impulsan la sangre para que se distribuya por todo el organismo. El electrocardiógrafo nos permite visualizar la actividad eléctrica del músculo cardíaco por medio de electrodos, los cuales captan las diferencias de potencial que ocurren en cada uno de los latidos. Tiene como aplicación el campo de la investigación biomédica que aporta sus resultados al diagnóstico y prevención de enfermedades cardiovasculares. La electrocardiografía es el campo de la medicina encargada del estudio del registro de la actividad eléctrica cardiaca. Se muestra como una línea delgada que presenta distintas inflexiones, que corresponden a parámetros de información del estímulo eléctrico del corazón. Dicho estímulo, es originado por el nodo sinusal llegando hasta los ventrículos a través del SEC (Sistema específico de conducción). Éste, está compuesto por el nodo sinusal, las vías de conducción internodal e interauricular, el nodo auricoventricular (AV), el haz de His, las dos ramas del haz de His junto a sus divisiones y sus respectivas células de Purkinje. En el momento en que el estímulo llega a dichas células es cuando se produce el acoplamiento de excitación-contracción. Más adelante retomaremos este tema. Un electrocardiógrafo mide las diferencias de potencial existentes en la superficie del organismo. Durante el proceso de activación del corazón se crean diferencias de potencial y a través de los electrodos fluye una corriente eléctrica. Un electrocardiograma (ECG) es la visualización de las corrientes eléctricas que se producen en el músculo cardíaco durante cada latido. Estas corrientes se registran mediante un dispositivo electrónico empleado en el campo de la medicina, que se conoce como electrocardiógrafo. Un electrocardiógrafo básico está compuesto de un par de electrodos, los cuales son unas pequeñas láminas metálicas, que se colocan en el antebrazo y en las piernas del paciente, y otro más cerca del pecho a la

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altura del corazón. La combinación de los diferentes impulsos que se producen es recogido por sensores localizados al final de los electrodos y que son interpretados por medio de la señal que se envía y gráfica en el tiempo “real”, lo que da como resultado un ECG. La interpretación adecuada del trazado electrocardiográfico permite el diagnóstico de los trastornos cardíacos.

LA TEORÍA DEL DIPOLO La actividad eléctrica del corazón se realiza en tal forma que las ondas que recorren el músculo cardíaco positivizan las regiones hacia las cuales se acercan y van negativizando las zonas de las cuales se alejan. Esto equivale a decir que la onda de activación se puede representar como un dipolo: (Negativo) –––––––––––> (Positivo) Tal es el concepto que se aplica tanto a una célula aislada como al corazón. Cuando una célula se encuentra en reposo tiene cargas negativas en su interior y cargas positivas sobre la membrana que la cubre. Un electrodo que registrara los fenómenos eléctricos en uno de los extremos del exterior de una célula en reposo, daría como gráfica una línea horizontal. Si esta célula fuese activada, por medio de un estímulo, habría que representar la onda de activación como un dipolo con su polo positivo en la parte anterior (sentido en el que se aloja el dipolo). El electrodo recogería los efectos del dipolo de activación y daría lugar a una gráfica de dirección hacia arriba (positiva) que va aumentando en altura o voltaje conforme el dipolo se acerca al electrodo. El vértice de este trazo coincidirá con la llegada de la onda de activación al extremo de la célula, es decir, al electrodo. El descenso del trazo correspondería a la disminución rápida de los efectos del dipolo de activación sobre el electrodo. La célula que dejó su estado de reposo, lo recupera gracias a la onda de recuperación, que se produce con el dipolo de recuperación. Este dipolo viaja en el mismo sentido sólo que con su polo negativo por delante. La recuperación es más lenta, por lo que el trazo es de morfología distinta y de inscripción más lenta. Tiene dirección inversa a la del trazo de activación. El proceso de repolarización y despolarización se muestra en la figura 1. A continuación listamos algunas de las enfermedades del corazón que pueden ser detectadas y/o diagnosticadas mediante un electrocardiograma


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Artículo de Portada Hipertrofia ventricular derecha Hipertrofia ventricular izquierda Bloqueos de rama Bloqueo de rama derecha Bloqueo de rama izquierda Cardiopatía isquémica Isquemia subendocárdica Isquemia subepicárdica Infarto subendocárdico Infarto transmural Arritmias cardíacas

Listamos a continuación la clasificación de arritmias: 1. Hiperactivas 2. Extrasístoles 3. Parasístoles 4. Taquicardias 5. Flutteres 6. Fibrilaciones 7. Hipoactivas 8. Impulsos y ritmos de escape 9. Bradicardia sinusal 10. Bloqueos

o guardar para futuros estudios. Las contracciones rítmicas del corazón están controladas por una serie ordenada de descargas eléctricas que se originan en el nodo sinusal de la aurícula derecha y se propagan a los ventrículos a través del nodo aurículoventricular y del haz de His (un haz de fibras neuromusculares). Mediante electrodos aplicados en varias regiones del cuerpo se puede obtener, tras amplificarlas, un registro de estas descargas eléctricas (transmitidas por los tejidos corporales desde el corazón hasta la piel).

Este registro se llama electrocardiograma (ECG). La aguja Figura 1 - Esquema que representa los del galvanómetro sólo se deseventos que tienen lugar en la despolaplaza hacia arriba o hacia rización y repolarización de la célula. El estudio de un enfermo y de abajo. Cuando la corriente eléctrica que está registrando su enfermedad, tiene como una de sus metas, conocer el grado en el que el paciente un electrodo va en la dirección del mismo, lo que se se encuentra alejado de la normalidad en sus funcioregistra en el electrocardiograma es una onda posines físicas; mientras más enfermo se encuentre, más tiva, es decir un desplazamiento de la aguja del gallejos de la normalidad se halla. vanómetro hacia arriba; por el contrario, si lo que está registrando el electrodo es una corriente eléctrica que Cuando el corazón deja de funcionar correctamente, se aleja de él, lo que se obtendrá en el registro es una la consecuencia para el individuo enfermo es la dismionda negativa, por el trazado que origina la aguja del nución de su capacidad de realizar esfuerzos físicos y galvanómetro al desplazarse hacia abajo. la aparición de numerosos síntomas directamente derivados de esta incapacidad, atribuibles a que el corazón ha perdido en mayor o menor grado su enerEL ELECTROCARDIOGRAMA gía vital, con las consecuencias que lo anterior tiene en todo el organismo, y en particular, en ciertos sisteEl EGC es un registro compuesto por diferencias de mas o en ciertos órganos. potencial, que se interpretan a manera de impulsos eléctricos producidos entre varios puntos de la superficie del paciente, generados por polarizaciones elécADQUISICIÓN DE LAS SEÑALES ELÉCTRICAS tricas resultantes de la actividad química celular. RELACIONADAS CON LA ACTIVIDAD DEL CORAZÓN Durante cada ciclo cardíaco, se genera un registro Con la ayuda de un ECG se realizan las muestras de electrocardiográfico en el que se observa como se las señales eléctricas que emite el corazón. genera una serie de ondas, llamadas comúnmente deflexiones. El electrocardiógrafo consta de un sistema de conversión de señal, un sistema de amplificación y otro de En el electrocardiograma, el eje de las ordenadas registro. Los equipos con sistemas de registro mecárepresenta la magnitud del potencial o el voltaje que nico emplean un galvanómetro pero en la actualidad el se está produciendo a cada momento durante el latido registro se realiza en una pantalla, la señal resultante cardíaco; por su parte, en el eje de las abscisas se se almacena en formato digital y se la puede imprimir representa el tiempo. Cabe señalar que se conoce

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Artículo de Portada como polarización al resultado de cambiar las cargas de los electrones de lugar cambiando la polaridad de la célula que un lado se vuelve positiva y del otro negativa. Por su parte, la despolarización es el proceso de restaurar las cargas de la célula haciéndolas que se vuelvan neutras. En la gráfica de la figura 2 se presentan las definiciones básicas de los segmentos que conforman un electrocardiograma. ONDA P: En condiciones normales, es la primera marca reconocible en el ECG. Representa la despolarización de ambas aurículas, su duración es menor de 100 ms y su voltaje no excede los 5,5mV. Figura 2. Diagrama de un pulso de corazón (complejo PQRST).

INTERVALO PR: Es el período de inactividad eléctrica, corresponde al retraso fisiológico que sufre el estímulo en el nodo arterioventricular. Su

Figura 3 - Señal eléctrica correspondiente a un electrocardiograma obtenida en una PC con un sistema de adquisición de datos.

Figura 4 - Diagrama en bloques para un electrocardiógrafo sencillo.

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Electrocardiógrafo para PC duración debe estar comprendida entre 120 y 200 ms COMPLEJO QRS: Representa la despolarización de ambos ventrículos. Su duración debe estar comprendida entre los 80 y 100 ms. SEGMENTO ST: Desde el final del QRS hasta el inicio de la onda T. ONDA T: Corresponde a la repolarización ventricular, apareciendo al final del segmento ST. INTERVALO QT: Comprende desde el inicio del QRS hasta el final de la onda T y representa la despolarización ventricular. Su duración estará comprendida entre los 320 y 400 ms. Las principales partes de un ECG son: La onda P ,

una onda más o menos sinusoidal que refleja la descarga eléctrica que se origina y propaga por las aurículas; El complejo QRS ,

que muestra el paso de la onda eléctrica a los ventrículos y la activación de éstos; y La onda T,

señal de la repolarización de los ventrícu-

los. El electrocardiograma es extremadamente útil para el diagnóstico y control de las arritmias cardíacas, de la angina de pecho y del infarto agudo de miocardio. NUESTRO OBJETIVO Construir un circuito que pueda ser empleado junto con un osciloscopio digital o con una PC para obtener las gráficas correspondientes a un electrocardiograma, las que tendrán una imagen como la de la figura 3. El principal objetivo, es conseguir un sistema con muy poco ruido, para la adquisición de la señal electrocardiográfica.

nuestro sistema, que pueden seguir una evolución temporal en el tiempo y espacio. Podemos destacar: la red eléctrica; y apartáramos como luces, fluorescentes, motores. Destacamos, el problema que conlleva la amplitud tan pequeña de las señales bioeléctricas. Los potenciales bioeléctricos del ser humano son magnitudes que varían con el tiempo. Los valores de dicha medida pueden variar entre distintos individuos por diversos factores. Por ejemplo, en un ECG la magnitud de un paciente, puede variar entre 0'5mV4mV, nivel estimado para el ECG.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO Los requerimientos para el diseño de un electrocardiógrafo son los siguientes: La señal de ECG tiene componentes relevantes solo entre 0,05 Hz - 150Hz. Los valores de la señal en la piel oscilan entre unos 0.5mV como mínimo y 10mV como máximo. La ganancia de la señal debe ser de aproximadamente 1000. CMRR (relación de rechazo de modo común, que dá una idea de la inmunidad al ruido) lo más alto posible. Resistencia de entrada de aproximadamente 2M Ω o superior para obtener un acople de impedancias y no atenuar la señal.

Con estos datos se deberá saber que ancho de banda debe tener el circuito, y la ganancia que este deberá presentar. Lo primero que tenemos que hacer es un diagrama de bloques y después ir desglosando cada bloque. Un electrocardiógrafo es un acondicionador de señales y tiene la siguiente estructura general. En la figura 4 podemos observar el diagrama en bloques sugerido.

La presencia de ruido en el registro de este tipo de señales, es prácticamente inevitable. Ya sea por causas ajenas, o propias del sistema. El conocimiento acerca del ruido, y las causas que lo propician, ayudarán al procesado y eliminación de éste. En primer lugar, citamos el concepto de ruido, que se define como una señal ajena a la señal de estudio, provocando errores en el sistema de medida.

Para la adquisición analógica de datos, tomamos la señal electrocardiográfica del usuario a través de los electrodos, y éstos a su vez se deben conectar al circuito a partir de cables apantallado (blindado o mallado) que permite la eliminación de ruidos. Se deben usar electrodos de tipo superficial por su facilidad de manejo y economía.

El término interferencia, también es utilizado en este documento, para referirse a las señales externas a

La derivación que se utilizará será la siguiente: un electrodo irá a la altura del corazón (encima), el otro electrodo irá en la parte derecha a la altura intercostal Saber Electrónica Nº 255

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Figura 7 - Ecuaciones del amplificador de instrumentación.

trica del corazón van desde 0,5mV a 10mV la ganancia de nuestro amplificador debe ser alta, de 1000, como se había especificado en los requerimientos. Del circuito de la figura 6 se puede obtener la fórmula que define la ganancia y que se muestra en la figura 7, en donde: Vo = salida del amplificador. Va y Vb son las entradas al diferenciador. Gd = es la ganancia del amplificador.

Figura 5 - Ubicación de los electrodos para tomar señales que permitan obtener un electrocardiograma.

y un último electrodo, que servirá como referencia, se puede colocar a la altura de la cintura (en la parte izquierda) o en el tobillo izquierdo, figura 5.

Necesitamos que Gd sea igual a 1000, para conseguir esto asumiremos; Rg = 1k Ω, R3 = 100k Ω, R2 = 10k Ω

UN DISEÑO CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES Para capturar las señales cardíacas necesitamos un amplificador de instrumentación que nos brinda una impedancia de entrada muy alta, produciéndose el efecto del acople de impedancias y por otro lado tiene un amplificador diferencial el cual amplifica la diferencia de la señal proveniente de los electrodos 1 y 2. El amplificador de instrumentación se compone de tres amplificadores operacionales y tiene la estructura de la figura 6. Como las amplitudes de la señal eléc-

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Figura 6 - Amplificador de instrumentación


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Electrocardiógrafo para PC Figura 8 - Circuito construido en Livewire para su simulación.

Nos falta determinar el valor de R1, entonces traba jando matemáticamente: R1 = [(Gd x R2/R3 -1) x Rg] / 2 R1 = 49,5k Ω

Podemos construir el circuito en Livewire y simular su funcionamiento para ver cómo se comporta, colocando una de las entradas a masa y en la otra entrada un generador de señal de 1mV, figura 8. El diagrama que muestra el osciloscopio es el de la figura 9. Como se esperaba, el amplificador mostró en la simulación que tiene una ganancia de 1000, se aplicó un milivolt a la entrada y obtuvimos a la salida 1V. La alimentación se hizo con 2 fuentes de 9V (para que luego se puedan emplear baterías y obtener un equipo portátil).

Ahora bien, una de las partes mas importantes de un acondicionador de señales es el filtrado, el cual nos determinará el ancho de banda del circuito. Como habíamos mencionado anteriormente la señal de ECG tiene componentes relevantes solo entre 0,05Hz y 150Hz, por lo tanto nuestro circuito sólo debe dejar pasar las señales que se encuentren en este rango. Para ello, utilizaremos un filtro pasabajos sencillo el cual consta de una resistencia y un condensador y tiene la configuración de la figura 10, en la que también se muestra su gráfica de respuesta. Para determinar la frecuencia de corte se tiene la siguiente fórmula: 1 fo = –––––––––– 2π RC

Para la frecuencia de corte es 150Hz, asumimos un condensador de 1µF y de la fórmula despejamos R. R = 1 / (150 x 2 x π x 1 x 10-6F) = R = 1061,03Ω

Figura 9 - Diagrama de la señal a la salida del amplificador de instrumentación.

Ahora debemos definir un filtro pasaaltos sencillo el cual consta de una resistencia y un condensador, tal como se muestra en la figura 11, en la que también se grafica su respuesta en frecuencia. Saber Electrónica Nº 255

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Figura 10 - Filtro pasabajos con su grafica de respuesta en frecuencia.

Para determinar la frecuencia de corte se tiene la siguiente formula: 1 fo = –––––––––– 2π RC Para una frecuencia de corte es 0.05Hz, asumimos un condensador de 1µF y de la fórmula despejamos R. R = 1 / (150 x 2 x π x 1 x 10-6F) = 3,18MΩ Cuando utilizamos fuentes de poder que están alimentadas por la red de 110V o 220V con 50Hz o 60Hz se introduce dentro de nuestro sistema una señal de ruido indeseable. Tenemos que eliminarla por medio de un filtro rechazabanda de 50 ó 60Hz. Pero si utilizamos baterías para alimentar los operacionales no tenemos que realizar el filtro rechazabanda.

Para evitar esta la componente de 60Hz utilizaremos baterías y nos ahorramos el inconveniente de implementar dicho filtro. Podemos agregar este filtro y tendremos un amplificador para instrumentación que podrá usarse para obtener las señales de un electrocardiograma. Por último, la señal hasta este punto esta invertida por lo cual tenemos que colocar un amplificador inversor de ganancia 1. Nuestro esquema final es el de la figura 12 y puede ser empleado con cualquier osciloscopio, como el que sugeriremos más adelante. Para armar este amplificador “electrocardiógrafo” puede usar el circuito impreso de la figura 13. La prueba de este aparato no es compleja, basta con conectar dos electrodos de goma conductora en las entradas de Vin1 y Vin2 por medio de cables apantallados (blindados o mallados) y fijar los electrodos en

Figura 11 - Filtro pasaaltos con su gráfica de respuesta en frecuencia.

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Figura 12 - Electrocardiógrafo realizado con amplificadores operacionales. LISTA DE MATERIALES

IC1 - TL074 - Circuito integrado cuádruple amplificador operacional. R1 - 10kΩ R2 - 100kΩ R3 - 10kΩ R4 - 100kΩ R5 - 49,5kΩ (47kΩ) R6 - 49,5kΩ (47kΩ) R7 - 1kΩ R8 - 3,2MΩ (3,3MΩ) R9 - 1kΩ

R10 - 1kΩ C1 - 1µF - Capacitor no polarizado Vin1 - Bornera de dos contactos. El electrodo se conecta con cable blindado, el conductor concéntrico va a Vin de un lado y al electrodo del otro y la malla se conecta a masa. Vin2 - Bornera de dos contactos. El electrodo se conecta con cable blindado, el conductor concéntrico va a Vin de un lado y al electrodo del otro y la malla se conecta a masa.

OUT 2 - Bornera de dos contactos. La salida al osciloscopio se conecta con cable blindado, el conductor concéntrico va a la entrada del osciloscopio de un lado y OUT 2 del lado de la placa y la malla se conecta a masa. VARIOS

Placa de circuito impreso, gabinete para montaje, conectores para batería de 9V y baterías de 9V, cable mallado, electrodos de goma conductora, osciloscopio, etc.

Figura 13 - Circuito impreso para armar el electrocardiógrafo con amplificadores operacionales. Saber Electrónica Nº 255

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Artículo de Portada la parte derecha e izquierda del torax, a la altura del corazón. En este caso no utilizaremos el electrodo de referencia. La salida del amplificador - electrocardiógrafo (OUT 2) se debe conectar a un osciloscopio digital o un osciloscopio para PC, y de inmediato debemos ver cómo se genera la señal sobre la pantalla. La base de tiempo del osciloscopio debe ser tal que un barrido dure aproximadamente 5 segundos. La señal debe capturarse y luego se la puede reproducir o imprimir para que el cardiólogo la diagnostique. Con VR1 calibra el circuito para que la salida no presente señal cuando los electrodos no están conectados al cuerpo del paciente o persona bajo estudio. Si no sabe utilizar un osciloscopio o quiere saber cómo funciona un osciloscopio para PC, en esta misma edición, luego de explicar cómo funciona un electrocardiógrafo con el circuito integrado AD620, indicamos cómo puede armar un prototipo y utilizarlo. En conclusión, el circuito de un electrocardiógrafo incluye filtros que eliminan ciertas frecuencias como

por ejemplo, la de 50Hz o 60Hz de la red o de las ondas electromagnéticas generadas por los equipos eléctricos. Las etapas que debe poseer un electrocardiógrafo son : 1) Adaptador de impedancia. 2) Amplificador de señal (con circuito integrado para instrumentación como el AD620 ó INA114P ). 3) Protección del paciente (entrada optoacoplada). 4) Filtro Notch (60Hz ó 50Hz dependiendo de la frecuencia de la línea de tensión del país donde se vaya a utilizar). 5) Filtro pasa banda (0.05Hz a 120Hz ). 6) Circuito de protección opcional y referencia (pierna derecha).

Muchos fabricantes de semiconductores diseñan circuitos específicos para uso en determinadas disciplinas, por ejemplo, Texas Instruments propone el circuito de la figura 14. El circuito no es complicado pero los componentes suelen ser difíciles de conseguir razón por la cual explicaremos el desarrollo de nuestro propio amplificador para electrocardiógrafo y su uso con un osciloscoio para PC. ☺

Figura 14 - Amplificador de instrumentación sugerido por Texas Instrument para la fabricación de un electrocardiógrafo.

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