ÍNDICE
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 2 OBJETIVOS ......................................................................................................................................
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DISEÑO ELECTRÓNICO ...............................................................................................................
7
ETAPA DE PREAMPLIFICACIÓN PREAMPLIFICACIÓN ...............................................................................................
8
ETAPA DE FILTRADO (PASABANDAS) ................................................................................... 9 FILTRO PASA BAJAS. ..................................................................................................................
9
FILTRO PASA ALTAS .................................................................................................................. 11 ETAPA DE AMPLIFICACIÓN FINAL ......................................................................................... 13 CIRCUITO FINAL ..........................................................................................................................
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MATERIALES .................................................................................................................................
17
CONCLUSIONES ..........................................................................................................................
18
ANEXOS ..........................................................................................................................................
19
CIRCUITO REAL ...........................................................................................................................
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CIRCUITO IMPRESO ....................................................................................................................
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HOJAS DE DATOS .......................................................................................................................
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ING. ELECTRÓNICA
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PROYECTO I – MEJORA DE UN ESTETOSCOPIO ELECTRÓNICO”
“
INTRODUCCIÓN Con el avance del tiempo se han desarrollado instrumentos en el área de la medicina para facilitar la detección detec ción de enfermedades. Este proyecto está basado en un estetoscopio electrónico, el cual se relaciona con dicha profesión, y nos ayuda a detectar sonidos internos del cuerpo humano e inclusive de animales. Los primeros estetoscopios electrónicos hacían uso de circuitos electrónicos analógicos para mejorar la calidad del sonido, facilitando al médico el diagnóstico del paciente. La incorporación de la electrónica digital supuso un cambio en este tipo de tecnología, ya que se logró abaratar el costo y reducir el tamaño de estos. Este proyecto es una mejora de lo antes realizado por nuestros compañeros de ingeniería electrónica, y tiene como objetivo la detección de los latidos del corazón humano. René Théophile Hyacinthe Laënnec, un joven médico francés descubrió lo que al cabo de unos pocos años se acabaría llamando estetoscopio. El descubrimiento tuvo lugar un día de consulta. Por aquel entonces las auscultaciones se realizaban apoyando la oreja sobre el pecho del paciente. Debido a su aprensión por tocar cuerpos ajenos, se las ingenió para evitar poner la oreja en el pecho de una paciente, cogiendo una trompeta de madera y escuchando los sonidos del corazón con ella. Con esto descubrió que era más sencillo y se escuchaba un sonido mucho mu cho más claro y alto.
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Siglos antes de crearse el primer estetoscopio ya se había trabajado con un principio relacionado con el mismo. Se le otorga a Leonardo da Vinci el principio de acústica El siguiente paso lo dio el Dr. Charles Williams dividiendo el instrumento en dos partes. Esto permitía una mayor movilidad y un mayor ángulo de giro del instrumento. Posteriormente, George P. Cammann desarrollo el estetoscopio biaural flexible, la mayor ventaja de este avance fue que se podía oír simultáneamente con ambos oídos. No fue hasta el año 1926 cuando Howard Sprague diseñó la primera combinación de campana y diafragma, que se ha mantenido a grandes rasgos hasta hoy en día. En 1961, Amplivox desarrollo el primer estetoscopio electrónico. Este usaba válvulas de vacío, por lo que tenía un tamaño y peso considerables. Fue en ese mismo año cuando el Dr. David Littmann desarrolló el estetoscopio como hoy en día lo conocemos. Está constituido por siete partes, aunque cabe recalar que no todos los fonendoscopios son de la misma forma. Binaural, es la parte metálica del fonendoscopio a la que se ajusta el tubo, está compuesto por dos tubos metálicos, el fuelle y las olivas. Fuelle, ajusta la tensión de los binaurales en el canal auditivo externo. Olivas, están ubicadas en los extremos del fonendoscopio y se intenta que ofrezca comodidad y sellado. Vástago, esta pieza conecta el tubo del estetoscopio a la campana. Tubo, pueden ser sencillos o dobles, de diferentes longitudes y materiales. Diafragma, es la
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membrana que entra en contacto con el paciente en la auscultación. Campana, es la parte del estetoscopio que envuelve al diafragma. Los médicos tienden a usar el estetoscopio sólo para escuchar los sonidos de la congestión en los pulmones y los latidos cardíacos irregulares aunque también se suele usar para escuchar la presión arterial. Se utiliza comúnmente como una herramienta de diagnóstico preliminar debido a su facilidad de uso, a que no es invasivo y que no se tiene que esperar a los resultados. Los estetoscopios actuales tienen la posibilidad de filtrar los sonidos del cuerpo no deseados. Para ello, utilizan directamente la campana o el diafragma, usándolos como filtro paso alto permitiendo escuchar al médico las frecuencias más altas. En general se puede hablar de cuatro tipos de estetoscopio, que son el estetoscopio acústico, electrónico, fetal y esofágico. Se pueden considerar el estetoscopio fetal y esofágico como un subtipo de los estetoscopios acústicos. El
estetoscopio
electrónico
ha
ido
apareciendo
lentamente en el mercado con mejoras, pero hoy en día está lejos de sustituir al estetoscopio acústico. Estos estetoscopios tienen la ventaja que al capturar y convertir la señal pueden procesarla de manera electrónica, es decir pueden filtrarla y amplificarla mediante componentes electrónicos. Habitualmente tienen la posibilidad de elegir entre auscultación de
Fig. 1 pulmones y auscultación de corazón.
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Estetoscopio 4
Estos estetoscopios pueden almacenar auscultaciones en su memoria y reproducirlas con posterioridad para su análisis. Sin embargo, tiene el problema que al usar un micrófono para digitalizar la señal, recoge mucho ruido ambiental no deseado.
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OBJETIVOS
Mejorar un estetoscopio electrónico a un circuito más práctico y compacto que pueda percibir los latidos del corazón.
Ser capaces de filtrar altas y bajas frecuencias, dar ganancia a las señales de audio para una mayor claridad y a la vez tratar de modular estas señales para finalmente obtener un circuito capaz de modificar estas ondas según nuestra conveniencia.
Utilizar los conocimientos obtenidos en clase para construir, analizar y comprender un proyecto funcional aplicado a nuestra carrera.
Aprovechar los conocimientos adquiridos en las materias previas y actuales para el desarrollo y entendimiento de cada una de las funciones del proyecto.
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DISEÑO ELECTRÓNICO El diseño electrónico del estetoscopio digital se va a dividir en tres partes. La primera será la etapa de pre amplificación, que como su nombre lo indica se encargara de amplificar la señal de entrada a un cierto nivel, pero no lo suficiente a como se desea. La segunda parte será la etapa de filtrado, en la cual se utilizara un circuito pasa bandas para dejar pasar solo un rango de frecuencias (a las cuales se encuentran solo los sonidos cardiacos). Y la última etapa será la de amplificación, la cual se encargara de amplificar aún más la señal de audio ya filtrada para que sea lo suficientemente audible.
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ETAPA DE PREAMPLIFICACIÓN
Fig. 2 Circuito Preamplificador En esta etapa lo que se busca es captar el sonido con un micrófono “electret” y posteriormente amplificar el sonido que se capte con el mismo. Como ha de suponerse, por este micrófono entraran todos los sonidos presentes en el ambiente, voces, vibraciones, etc. Todos estos sonidos serán amplificados a un máximo de 24.4 veces, ya que la ganancia de este amplificador no inversor está dada por:
=
1+4 1000Ω + 100Ω +1 = +1 2 47Ω = 23.4 + 1 = 24.4
Hasta esta etapa tenemos dos desventajas, la primera es que todos los ruidos y sonido están siendo amplificados, y lo que buscamos es solo escuchar los sonidos cardiacos del cuerpo. Y la segunda desventaja es que la amplificación es aún muy pequeña, pero en las siguientes etapas estos errores serán corregidos.
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ETAPA DE FILTRADO (PASABANDAS) Para la etapa de filtrado usaremos un filtro pasabandas de segundo grado (2 polos) para tener una mejor respuesta y los ruidos no deseados sean eliminados. Al diseñar esta etapa debemos tomar en cuenta que los sonidos cardiacos del cuerpo se encuentran entre los 50Hz y 300Hz. Para crear este filtro utilizaremos un circuito pasa altas y pasa bajas.
FILTRO PASA BAJAS.
Fig. 3 Circuito filtrador de frecuencias altas Un filtro pasa bajas se utiliza para eliminar todas las frecuencias superiores y deja pasar a través de él, solo a las frecuencias inferiores. Se utilizara un filtro Butteworth, debido a que no nos interesa introducir ganancia en el filtro y este filtro posee esta característica. También es conocido como filtro máximamente plano.
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Tomando en cuenta la información sobre los sonidos cardiacos del cuerpo, definiremos nuestra frecuencia de corte a 300Hz, pero como sabemos, la pendiente de un filtro de grado 2 es de 40dB por década, esto quiere decir que la frecuencia de corte real será un poco mayor que la asignada. Por ello, para nuestros cálculos supondremos nuestra frecuencia de corte de 230Hz. Sabiendo que la frecuencia de corte en un filtro pasa bajas Butteworth es:
=
1 2√ 2∗2∗2∗2
Suponiendo RA2 = RB2 y llamando a la resultante R:
=
1 2√ ∗2∗2
Despejando R:
=
1 2√ 2∗2
Considerando que en este tipo de filtro CA2= 2CB2 asignaremos CA2 = 0.2 ɥF y CB2 = 0.1ɥF tenemos:
=
1 = 4.89Ω 2(230) (100) ∗ (200)
Considerando que RF debe ser equivalente a 2R obtenemos: RF = 2(4.89K Ω) = 9.78kΩ Valores comerciales más cercanos: R = RA2 = RB2 = 4.7kΩ RF = 10kΩ
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FILTRO PASA ALTAS
Fig. 4 Circuito filtrador de frecuencias bajas Un filtro pasa altas se utiliza para eliminar todas las frecuencias inferiores y deja pasar a través de él, solo a las frecuencias superiores, es decir, hace la función contraria del pasa bajas. Se utilizara un filtro Butteworth como en el caso anterior, utilizando el mismo criterio. Tomando en cuenta la información sobre los sonidos cardiacos del cuerpo, definiremos nuestra frecuencia de corte a 50Hz, pero como se mencionó en el cálculo del pasa bajas, la pendiente de un filtro de 2 polos es de 40dB por década, esto quiere decir que la frecuencia de corte real será un poco mayor que la asignada. Por ello, para nuestros cálculos supondremos nuestra frecue ncia de corte de 10Hz.
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Sabiendo que la frecuencia de corte en un filtro pasa altas Butteworth es:
=
1 2√ 1∗1∗1∗1
Suponiendo CA1 = CB1, llamando a la resultante C y RB1 = 2RA1:
1 2√2∗ ∗1
= Despejando RA1 ontenemos:
1 =
1 ∗ 2 ∗ √ 2
Asignando C = 0.1ɥF obtenemos:
1 =
1 = 112.54Ω (100)(2)(10) √ 2
Considerando que RB1 debe ser equivalente a 2RA1 obtenemos: RB1 = 2(112.54k Ω) = 225.079k Ω Y dado que RF = RB1 tenemos que: RF = 225.079k Ω Valores comerciales más cercanos: RB1 = RF = 200k Ω RA1 = 100kΩ
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ETAPA DE AMPLIFICACIÓN FINAL CONFIGURACION LM386 PARA DISTINTAS GANANCIAS La ganancia en un amplificador nos da una idea de cuánto es aumentada la señal de entrada. La ganancia es el cociente entre la señal de salida y la señal de entrada. Por ejemplo, pueden entrar señales con una amplitud media de 0.001 voltios (1 milivoltio, que es una magnitud pequeña) y salir amplificadas con valores de 10 voltios. Esto significaría que hay una amplificación de: 10.000 milivoltios / 1 milivoltios = 100.000 (cien mil). Sin embargo, la ganancia no se mide en estos términos, sino que se usa el Belio o mejor dicho, el decibelio (dB) (la décima parte de un Belio), que guarda una relación logarítmica. Las conexiones más comunes del LM386 para generar ganancias con este tipo de amplificador son: 1) Dejar las patillas 1 y 8 al aire, sin conectar. Ganancia 20.
Fig. 5 Conexión LM386 con ganancia de 20
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2) Resistencia 1kΩ y condensador electrolítico 10µF en serie. Ganancia 50.
Fig. 6 Conexión LM386 con ganancia de 50
3) Condensador 10µf. Ganancia 200 (adoptada en nuestro montaje)
Fig. 7 Conexión LM386 con ganancia de 200
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ETAPA DE AMPLIFICACIÓN PROPUESTA En esta última etapa se buscara amplificar el sonido encontrado, libre de ruido y distorsión, para después mandarlo a una salida, que en nuestro caso serán unos audífonos ya que son más prácticos y reducen las dimensiones del producto final (estetoscopio). Las características de este amplificador son: - Monoaural. - Tensión de alimentación: entre 5 y 12 voltios. - Potencia de salida: entre 0.5 y 1W - Impedancia: 8 ohm - Distorsión: 0.2% - Ganancia: 200 - Precio aproximado: 15- 20€
Fig. 8 Etapa de amplificación final ING. ELECTRÓNICA
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CIRCUITO FINAL
Fig. 9 Circuito final del estetoscopio ING. ELECTRÓNICA
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MATERIALES Resistencias: -
7 Resistencias de 2 Resistencias de 1 Resistencia de 1 Resistencia de 1 Resistencia de 1 Resistencia de
100kΩ 4.7kΩ 47kΩ 10kΩ 2kΩ 10Ω
Potenciómetros: -
1 Potenciómetro de 1MΩ 1 Potenciómetro de 10kΩ
Capacitores: -
3 Capacitores de Cerámica de 0.1µF 1 Capacitor de Cerámica de 0.2µF 1 Capacitor Electrolítico de 2.2µF 2 Capacitores Electrolíticos de 10µF 1 Capacitor Electrolítico de 330µF 1 Capacitor de Cerámica de 100nF 1 Capacitor de Cerámica de 47nF 1 Capacitor Electrolítico de 220µF
Baterías: -
2 Baterías de 9V
Amplificadores Operacionales: -
Amplificador TL084 Amplificador LM386
Bornes: -
4 Bornes de 2 polos
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CONCLUSIONES En este proyecto los resultados obtenidos fueron con éxito. Nos dimos cuenta que al agregar una etapa de amplificación al circuito (ya realizado por nuestros compañeros) fue de mucha ayuda, ya que sólo se contaba con una etapa de preamplificación la cual no permitía distinguir el sonido deseado de los latidos del corazón. En cambio la utilizada por nosotros te permite claramente escuchar el sonido deseado dejando fuera de ruido la señal del sonido de los latidos. Por otro lado, se logró conseguir un circuito más compacto y barato a su vez. Esto hace más práctica la manera de trabajar al momento de hacer uso del estetoscopio.
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ANEXOS CIRCUITO REAL
Fig. 10 Circuito real del estetoscopio
CIRCUITO IMPRESO
Fig. 11 Circuito impreso del estetoscopio
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