Download Monitorizacin de parmetros corporales a travs de la PC y

Diseño y construcción de un monitor cardiaco
sencillo y económico.
Carlos Javier Castro Pachay1, Pedro Rafael Sánchez Garcia2,
Miguel Yapur Auad3
1
Egresado en Ingeniería en Electricidad, especialización
Electrónica Industrial y Automatización 2004.
2
Egresado en Ingeniería en Electricidad, especialización
Electrónica 2004.
3
Director del Tópico de Graduación en Electrónica Médica.
Ingeniero en Electricidad, especialización Electrónica, ESPOL,
1983. M.Sc. en Ingeniería Biomédica. University of Texas, 1986.
Profesor de la ESPOL desde 1987.
Resumen
Se trata de diseñar y construir un dispositivo portátil, sencillo y
económico para el monitoreo de señales cardiacas. El sistema
está compuesto por una etapa analógica que se encarga de
acondicionar la señal presente en el paciente y una etapa digital,
la cual está compuesta por un microcontrolador y una pantalla
LCD inteligente de cristal líquido en la cual se mostrará la onda
cardiaca.
El sistema analógico se encarga de eliminar el ruido presente en
el paciente, elevar el nivel de la señal de entrada a un nivel tal que
permita el normal funcionamiento de la pantalla LCD gráfica, y por
último detectar el pico más alto de la señal para su posterior
conversión en pulsos de 5 voltios que serán aprovechados por el
microcontrolador para los cálculos de la frecuencia cardiaca.
El sistema digital está desarrollado sobre una plataforma
microcontroladora, la cual se encarga de adquirir la señal
analógica, convertirla en digital, para luego presentarla a través de
la pantalla LCD.
Summary
It is to design and to build a portable, simple and economic device
for the monitoring of heart signs. The system is compound for an
analogical stage that takes charge of conditioning the present sign
in the patient and a digital stage, which is composed by a
microchip and a screen intelligent LCD of liquid glass in which the
heart wave will be shown.
The analogical system takes charge of eliminating the present
noise in the patient, to elevate the level from the entrance sign to a
such level that allows the normal operation of the screen LCD
graph, and lastly to detect the highest pick in the sign for its later
conversion in pulses of 5 volts that will be taken advantage of by
the microchip for the calculations of the heart frequency.
The digital system is developed on a platform of two microchip,
which takes charge of acquiring the analogical sign, to convert it in
digital, it stops then to present it through the screen LCD.
Introducción.
El electrocardiógrafo nos permite visualizar la actividad eléctrica
del corazón, la cual nos da información vital al momento de
conocer el estado del músculo cardiaco. Para obtener dicha señal
eléctrica es necesario emplear una interfaz física, la cual está
compuesta por electrodos metálicos de Ag/AgCl (Plata / Cloruro
de Plata).
La señal obtenida debe ser amplificada y filtrada, ya que una
característica de los potenciales bioeléctricos es su baja amplitud,
que en este caso está entre 100uV y 1mV. Para amplificar dichos
potenciales se deben emplear construcciones electrónicas
especiales. Además es necesario que el equipo presente una
elevada impedancia de entrada para disminuir las corrientes de
fuga, las cuales pueden ocasionar que algún evento externo
afecte el normal funcionamiento del corazón.
Contenido.
Adquisición de la onda cardiaca (EKG).
El electrocardiógrafo nos permite visualizar la actividad eléctrica
del corazón, la cual nos da información vital al momento de
conocer el estado del músculo cardiaco. Para obtener dicha señal
eléctrica es necesario emplear una interfaz física, la cual está
compuesta por electrodos metálicos de Ag/AgCl (Plata / Cloruro
de Plata).
Amplificador de Instrumentación
La señal obtenida debe ser amplificada y filtrada, ya que una
característica de los potenciales bioeléctricos es su baja amplitud,
en este caso de 100uV a 1mV. Para elevar dichos potenciales se
deben emplear construcciones electrónicas especiales. Además
es necesario que el equipo presente una elevada impedancia de
entrada para disminuir las corrientes de fuga, las cuales pueden
ocasionar que algún evento externo afecte el normal
funcionamiento del corazón. Por otro lado, además de la señal
eléctrica que excita las células cardiacas, existen interferencias de
todo tipo: la actividad muscular genera potenciales que no aportan
nada al estudio y la red eléctrica induce sobre el cuerpo corrientes
que distorsionan la verdadera actividad cardiaca. Por esos
motivos la etapa de entrada está constituida por un amplificador
de instrumentación, el cual debe ofrecer una elevada Relación al
Modo Común (CMRR). Además, la configuración otorga una
elevada impedancia de entrada y ganancia variable; estas
características permiten obtener una señal con mayor amplitud y
bajo nivel de ruido.
El circuito de la fig. 3.1 nos muestra la forma como está
estructurado el amplificador de instrumentación.
+9V
4
U 1 :A
RA
3
1
C1
2
10k
11
22pF
R5
R4
T L 0 84
10k
-9 V
0V
R1
U 1 :C
47k
RL
R2
9
8
10k
V1
10
T L 0 84
R3
0V
47k
R1 = R3
R5 = R6
U 1 :B
R7 = R4
6
7
LA
5
C2
p a ra si m e t ría
R6
10k
T L 0 84
R7
22pF
10k
0V
0V
Fig. 3.1: Amplificador de Instrumentación.
Descripción y construcción del filtro pasa banda.
El propósito de usar este filtro es eliminar toda señal que no
corresponda a la actividad cardiaca, la cual corresponde a las
frecuencias en el rango entre 0.05 Hz y 100 Hz, por lo que, todas
las señales por debajo de 0.05 Hz pueden ser causadas por los
electrodos y la superficie de la piel que alcanza niveles de
potenciales que pueden incluso llegar a saturar los circuitos del
amplificador; y por arriba de los 100 Hz está comprobado que no
son señales cardiacas; éstas pueden ser señales producidas por
la actividad muscular.
El circuito de la figura 3.2 nos muestra la construcción de un filtro
pasa-banda.
C5
4.7nF
R9
R1 0
10k
330k
+9V
0V
U1 :D
3.3uF
13
C4
12
V2
14
11
V1
4
C3
R8
0.68uF
820k
T L 0 84
-9 V
0V
Figura 3.2: Filtro pasa-banda.
Filtro Notch.
En cuanto a la seguridad del paciente, es muy importante
mantenerlo aislado de la línea de corriente eléctrica, para ello se
emplea una configuración con alimentación aislada, seguida de
una etapa de rechazo de toda señal de ruido de los 60 Hz,
proveniente de las líneas de alimentación como se muestra en la
fig 3.3.
R1 1
R1 2
56k
56k
+9V
C6
4
0 .4 7 u F
U2 :A
3
V2
1
2
RV 2
C8
11
5k
C7
+9V
0 .2 2 u F
10k
4
0 .2 2 u F
-9 V
U2 :B
T L 0 84
RV 1
6
0V
11
7
5
-9 V
T L 0 84
V3
Figura 3.3: NOTCH de 60 Hz.
Construcción de la etapa de aislamiento eléctrico mediante
un opto-aislador.
Por otra parte, para disminuir el riesgo de shock eléctrico se utiliza
un opto-aislador, para luego amplificar la señal cardiaca a un nivel
de voltaje adecuado.
+12V
R18
Leyenda:
V5
4
10M
U3
R17
1
U4:A
6
V7
2
1k
1
5
2
3
11
V6
4
OPTOCOUPLER-NPN
0V
= Tierra flotante
R19
TL084
= Tierra física
-12V
5.6k
+12V
Figura 3.6: Circuito de la etapa de aislamiento mediante un
opto-acoplador.
Construcción del detector de pico QRS para medir la
frecuencia cardiaca.
En cuanto a la frecuencia cardiaca, la señal esta es determinada
por medio de un circuito electrónico llamado “Detector de
Complejo QRS” que se encarga de convertir el complejo QRS en
una señal rectangular para su posterior conteo.
R3 0
+12V
100k
D5
D6
1N4148
R2 4
1N4148
2 .7 M
R2 9
U5 :C
9
D2
1 N 4 148
D3
1 N 4 148
D4
1 N 4 148
U6 :A
10
4
D1
1 N 4 148
+12V
8
100k
2
T L 0 84
U6 :B
1
3
11
6
7
T L 0 84
5
-1 2 V
R2 3
2 .7 M
T L 0 84
R2 7
+12V
C1 0
U5 :A
R3 1
820k
820k
0 .0 4 7 u F
U5 :B
4
C1 1
R2 5
2
1
3
1uF
5
R2 6
R7
R3 3
820k
10k
U7
8
120k
NE 555
3
7
Q
V CC
-1 2 V
+5V
330k
T L 0 84
T L 0 84
R
CV
6
S a lida
h a c i a e l P I C 1 6 F 84A
C1 3
R3 4
1 .8 u F
2 .2 k
D1
LE D
Diagrama esquemático del bloque analógico
4
DC
TH
GND
1 .5 M
R3 2
7
0 .0 4 7 u F
0 .4 7 u F
R2 2
+5V
6
68k
1
C9
11
V8
C1 2
TR
5
2
C1 4
0 .0 1 u F
Descripción de la etapa Digital.
La visualización de la señal cardiaca se puede realizar de
diversas maneras: sobre papel (electrocardiograma) o sobre
dispositivos de representación no permanente, como son las
pantallas de cristal líquido inteligente LCD, el monitor de una PC o
sobre un tubo de rayos catódicos.
El proyecto realizado, utiliza una pantalla de cristal líquido
inteligente LCD, la misma que se comunicará con la etapa
analógica a través de un microcontrolador. Este microcontrolador
tendrá incorporado en su interior un convertidor analógico /digital
para su posterior procesamiento de datos.
CONCLUSIONES:
En el desarrollo de este proyecto hemos podido aprender a utilizar
y a programar microcontroladores PIC 16F84A y 16F877A ambos
de la familia de rango medio, cuyo fabricante es microchip y
además manejar pantallas de cristal líquido LCD inteligentes
(pantallas LCD gráficas) tanto para texto como para gráficos.
Aprendimos a utilizar los conceptos de acondicionamiento de
señal, los cuales son importantes cuando vamos a realizar una
conversión de una señal analógica a digital.
En el desarrollo de la etapa analógica aprendimos la importancia
del amplificador de instrumentación, del filtrado de la señal
cardiaca y del aislamiento eléctrico del paciente para evitar
corrientes de fugas que pueden afectarlo a éste.
BIBLIOGRAFÍA:
1. Electrónica y Teoría de Circuitos por Boylestad R. y Nashelsky
2. Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales por
Robert F. Coughlin y Frederick F. Driscoll.
3. Analog Integrated Circuit Applications por J. Michael Jacob
4. Manual de Programación de microchip.
5. Manual de instrucciones para la programación de LCD
controlador KS0107 Proporcionado por el fabricante.
Diagrama esquemático del circuito digital
LCD1
LGM12641BS1R
+5V
R4
+
1k
-Vout
RST
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
E
R/W
DI
V0
VCC
GND
CS2
CS1
FM
U1
2
3
4
5
6
7
+15V
4
U8:A
3
8
9
10
1
R13
OSC1/CLKIN
OSC2/CLKOUT
MCLR/Vpp/THV
RA0/AN0
RA1/AN1
RA2/AN2/VREFRA3/AN3/VREF+
RA4/T0CKI
RA5/AN4/SS
RE0/AN5/RD
RE1/AN6/WR
RE2/AN7/CS
2
10k
-15V
R12
10k
10k
RC0/T1OSO/T1CKI
RC1/T1OSI/CCP2
RC2/CCP1
RC3/SCK/SCL
RC4/SDI/SDA
RC5/SDO
RC6/TX/CK
RC7/RX/DT
RD0/PSP0
RD1/PSP1
RD2/PSP2
RD3/PSP3
RD4/PSP4
RD5/PSP5
RD6/PSP6
RD7/PSP7
T L084
-2.5V
R11
RB0/INT
RB1
RB2
RB3/PGM
RB4
RB5
RB6/PGC
RB7/PGD
PIC16F877
VDD=+5V
VSS=GND
LS1
+5V
15
16
17
18
23
24
25
26
RV1
10k
19
20
21
22
27
28
29
30
C1
X1
1nF
+5V
-9V
CRYSTAL
11
U3
SPEAKER
R2
D1
33
34
35
36
37
38
39
40
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
13
14
1
11
U2:A
17
18
1
2
3
2
10k
1
R1
3
120
BRADICARDIA
4
AM
-
D2
TL084
+
6
7
8
9
10
11
12
13
RA0
RA1
RA2
RA3
RA4/T0CKI
RB0/INT
RB1
RB2
RB3
RB4
RB5
RB6
RB7
TAQUICARDIA
AM
FM
-
+9V
PIC16F84A
VDD=+5V
VSS=GND
OSC1/CLKIN
OSC2/CLKOUT
MCLR
16
15
4
+5V