ECG automatizado - Crédito adicional del proyecto final de BME 305: 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Un electrocardiograma (ECG o EKG) se utiliza para medir las señales eléctricas producidas por un corazón que late y juega un papel importante en el diagnóstico y pronóstico de la enfermedad cardiovascular. Parte de la información obtenida de un ECG incluye el ritmo de los latidos del corazón del paciente, así como la fuerza del latido. Cada forma de onda de ECG se genera mediante una iteración del ciclo cardíaco. Los datos se recogen a través de un electrodo colocado en la piel del paciente. Luego, la señal se amplifica y el ruido se filtra para analizar adecuadamente los datos presentes. Con los datos recopilados, los investigadores no solo pueden diagnosticar enfermedades cardiovasculares, sino que el ECG también ha desempeñado un papel importante en el aumento de la comprensión y el reconocimiento de enfermedades más desconocidas. La implementación del ECG ha mejorado enormemente el tratamiento de afecciones como la arritmia y la isquemia [1].

Suministros:

Este Instructable es para simular un dispositivo de ECG virtual y, por lo tanto, todo lo que se requiere para realizar este experimento es una computadora que funcione. El software utilizado para las siguientes simulaciones es LTspice XVII y se puede descargar de Internet.

Paso 1: Paso 1: Amplificador de instrumentación

El primer componente del circuito es un amplificador de instrumentación. Como sugiere el nombre, el amplificador de instrumentación se utiliza para aumentar la magnitud de la señal. Una señal de ECG que no se amplifica ni filtra tiene una amplitud de aproximadamente 5 mV. Para filtrar la señal, es necesario amplificarla. Una ganancia razonable para este circuito tendría que ser grande para que la señal bioeléctrica se filtre adecuadamente. Por lo tanto, la ganancia de este circuito será de aproximadamente 1000. La forma general de un amplificador de instrumentación se incluye en las imágenes de este paso [2]. Además de las ecuaciones para la ganancia del circuito, los valores que se calcularon para cada componente se muestran en la segunda imagen [3].

La ganancia es negativa porque el voltaje se suministra al pin inversor del amplificador operacional. Los valores que se muestran en la segunda imagen se encontraron estableciendo los valores de R1, R2, R3 y la ganancia como valores deseados y luego resolviendo el valor final R4. La tercera imagen para este paso es el circuito simulado en LTspice, completo con valores precisos.

Para probar el circuito, tanto como un todo como componentes individuales, se debe ejecutar un análisis de corriente alterna (CA). Esta forma de análisis analiza la magnitud de la señal a medida que cambian las frecuencias. Por lo tanto, el tipo de análisis de barrido de análisis de CA debe ser de una década porque establece la escala del eje x y es más propicio para leer con precisión los resultados. Por década, debería haber 100 puntos de datos. Esto transmitirá con precisión las tendencias en los datos sin sobrecargar el programa, lo que garantiza la eficiencia. Los valores de frecuencia de inicio y finalización deben abarcar ambas frecuencias de corte. Por lo tanto, una frecuencia de inicio razonable es de 0,01 Hz y una frecuencia de parada razonable es de 1 kHz. Para el amplificador de instrumentación, la función de entrada es una onda sinusoidal con una magnitud de 5 mV. 5 mV corresponde a la amplitud estándar de una señal de ECG [4]. Una onda sinusoidal imita los aspectos cambiantes de una señal de ECG. Todos estos ajustes de análisis, excepto el voltaje de entrada, son los mismos para cada componente.

La imagen final es el gráfico de respuesta de frecuencia para el amplificador de instrumentación. Esto muestra que el amplificador de instrumentación es capaz de aumentar la magnitud de la señal de entrada en aproximadamente 1000. La ganancia deseada para el amplificador de instrumentación era 1000. La ganancia del amplificador de instrumentación simulado es 999,6, calculada utilizando la ecuación que se muestra en la segunda foto. El porcentaje de error entre la ganancia deseada y la ganancia experimental es del 0,04%. Ésta es una cantidad aceptable de error porcentual.

Paso 2: Paso 2: Filtro de muesca

El siguiente componente utilizado en el circuito de ECG es un filtro activo. Un filtro activo es solo un filtro que requiere energía para funcionar. Para esta asignación, el mejor filtro activo que se puede utilizar es un filtro de muesca. Se utiliza un filtro de muesca para eliminar la señal en una sola frecuencia o en un rango de frecuencias muy estrecho. En el caso de este circuito, la frecuencia a eliminar con un filtro de muesca es de 60 Hz. 60 Hz es la frecuencia a la que operan las líneas eléctricas y, por lo tanto, es una gran fuente de ruido con los dispositivos. El ruido de la línea eléctrica distorsiona las señales biomédicas y reduce la calidad de los datos [5]. La forma general del filtro de muesca utilizado para este circuito se muestra en la primera foto de este paso. El componente activo del filtro de muesca es el búfer adjunto. El búfer se utiliza para aislar la señal después del filtro de muesca. Dado que el búfer es parte del filtro y necesita energía para funcionar, el filtro de muesca es el componente de filtro activo de este circuito.

La ecuación para los componentes resistivo y capacitor del filtro de muesca se muestra en la segunda foto [6]. En la ecuación, fN es la frecuencia a eliminar, que es 60 Hz. Al igual que el amplificador de instrumentación, el valor de la resistencia o el condensador se puede establecer en cualquier valor y el otro valor se puede calcular mediante la ecuación que se muestra en la segunda foto. Para este filtro, a C se le asignó un valor de 1 µF y el resto de los valores se encontraron en base a ese valor. El valor del condensador se decidió en función de la conveniencia. La tabla de la segunda foto muestra los valores de 2R, R, 2C y C que se utilizaron.

La tercera imagen de este paso es el circuito de filtro de muesca final con valores precisos. Usando ese circuito, el análisis de barrido de CA se ejecutó usando 5V. 5 V se corresponde con el voltaje después de la amplificación. El resto de los parámetros de análisis son los mismos que se indicaron en el paso del amplificador de instrumentación. La gráfica de respuesta de frecuencia se muestra en la foto final. Usando los valores y ecuaciones de la segunda foto, la frecuencia real para el filtro de muesca es 61,2 Hz. El valor deseado para el filtro de muesca era de 60 Hz. Usando la ecuación de error porcentual, hay un error del 2% entre el filtro simulado y el filtro teórico. Ésta es una cantidad aceptable de error.

Paso 3: Paso 3: Filtro de paso bajo

El último tipo de pieza utilizada en este circuito es el filtro pasivo. Como se mencionó anteriormente, un filtro pasivo es un filtro que no requiere una fuente de energía para estar operativo. Para un ECG, se necesitan tanto un filtro de paso alto como uno de paso bajo para eliminar correctamente el ruido de la señal. El primer tipo de filtro pasivo que se agrega al circuito es un filtro de paso bajo. Como sugiere el nombre, esto primero permite que pase la señal por debajo de la frecuencia de corte [7]. Para el filtro de paso bajo, la frecuencia de corte debe ser el límite superior del rango de la señal. Como se mencionó anteriormente, el rango superior de la señal de ECG es 150 Hz [2]. Al establecer un límite superior, el ruido de otras señales no se utiliza en la adquisición de señales.

La ecuación para la frecuencia de corte es f = 1 / (2 * pi * R * C). Al igual que con los componentes del circuito anterior, los valores de R y C se pueden encontrar conectando la frecuencia y configurando uno de los valores de los componentes [7]. Para el filtro de paso bajo, el condensador se estableció en 1 µF y la frecuencia de corte deseada es 150 Hz. Usando la ecuación de frecuencia de corte, el valor del componente de la resistencia se calcula en 1 kΩ. La primera imagen de este paso es un esquema de filtro de paso bajo completo.

Los mismos parámetros definidos para el filtro de muesca se utilizan para el análisis de barrido de CA del filtro de paso bajo, que se muestra en la segunda imagen. Para este componente, la frecuencia de corte deseada es 150Hz y usando la Ecuación 3, la frecuencia de corte simulada es 159 Hz. Esto tiene un porcentaje de error del 6%. El error porcentual de este componente es mayor que el preferido, pero los componentes se eligieron para facilitar la traducción a un circuito físico. Este es claramente un filtro de paso bajo, basado en el gráfico de respuesta de frecuencia en la segunda imagen, ya que solo la señal por debajo de la frecuencia de corte puede pasar a 5 V, y a medida que la frecuencia se acerca a la frecuencia de corte, el voltaje disminuye.

Paso 4: Paso 4: Filtro de paso alto

El segundo componente pasivo del circuito de ECG es el filtro de paso alto. Un filtro de paso alto es un filtro que permite que pase cualquier frecuencia mayor que la frecuencia de corte. Para este componente, la frecuencia de corte será de 0,05 Hz. Una vez más, 0,05 Hz es el límite inferior del rango de señales de ECG [2]. Aunque el valor es tan pequeño, es necesario que haya un filtro de paso alto para filtrar cualquier compensación de voltaje en la señal. Por lo tanto, el filtro de paso alto sigue siendo necesario dentro del diseño del circuito, a pesar de que la frecuencia de corte es muy pequeña.

La ecuación para la frecuencia de corte es la misma que la del filtro de corte de paso bajo, f = 1 / (2 * pi * R * C). El valor de la resistencia se estableció en 50 kΩ y la frecuencia de corte deseada es de 0,05 Hz [8]. Usando esa información, el valor del capacitor se calculó a 63 µF. La primera imagen de este paso es el filtro de paso alto con los valores adecuados.

El análisis de barrido de CA es el segundo filtro. Al igual que el filtro de paso bajo, a medida que la frecuencia de la señal se acerca a la frecuencia de corte, el voltaje de salida disminuye. Para el filtro de paso alto, la frecuencia de corte deseada es 0.05 Hz y la frecuencia de corte simulada es 0.0505 Hz. Este valor se calculó utilizando la ecuación de frecuencia de corte de paso bajo. El error porcentual de este componente es del 1%. Este es un porcentaje de error aceptable.

Paso 5: Paso 5: Circuito completo

Todo el circuito se construye conectando los cuatro componentes, el amplificador de instrumentación, el filtro de muesca, el filtro de paso bajo y el filtro de paso alto, en serie. El diagrama de circuito completo se muestra en la primera imagen de este paso.

La respuesta simulada que se muestra en la segunda figura actúa como se esperaba que se basara en los tipos de componentes utilizados para este circuito. El circuito que está diseñado filtra el ruido en los límites inferior y superior de la señal de ECG y filtra con éxito el ruido de las líneas eléctricas. El filtro de paso bajo elimina con éxito la señal por debajo de la frecuencia de corte. Como se muestra en la gráfica de respuesta de frecuencia, a 0.01 Hz, la señal pasa a 1 V, un valor que es 5 veces menor que la salida deseada. A medida que aumenta la frecuencia, la tensión de salida también aumenta hasta alcanzar sus picos a 0,1 Hz. El pico es de alrededor de 5 V, que está alineado con una ganancia de 1000 para el amplificador de instrumentación. La señal disminuye de 5 V a partir de 10 Hz. Cuando la frecuencia es de 60 Hz, el circuito no emite ninguna señal. Este fue el propósito del filtro de muesca y está destinado a contrarrestar la interferencia de las líneas eléctricas. Una vez que la frecuencia supera los 60 Hz, el voltaje comienza a aumentar una vez más con la frecuencia. Finalmente, una vez que la frecuencia alcanza los 110 Hz, la señal alcanza un pico secundario de aproximadamente 2 V. A partir de ahí, la salida disminuye debido al filtro de paso bajo.

Paso 6: Conclusión

El propósito de esta tarea era simular un ECG automatizado capaz de registrar con precisión el ciclo cardíaco. Para hacer esto, la señal analógica que se habría tomado de un paciente necesitaba ser amplificada y luego filtrada para incluir solo la señal de ECG. Esto se logró utilizando primero un amplificador de instrumentación para aumentar la magnitud de la señal aproximadamente 1000 veces. Luego, el ruido de las líneas eléctricas debía eliminarse de la señal, así como el ruido de arriba y abajo del rango de frecuencia designado de un ECG. Esto significó incorporar un filtro de muesca activo, así como filtros pasivos de paso alto y paso bajo. Aunque el producto final para esta asignación fue un circuito simulado, todavía existía algún error aceptable, tomando en consideración los valores estándar para los componentes resistivos y capacitivos normalmente disponibles. En general, el sistema funcionó como se esperaba y podría pasar a un circuito físico con bastante facilidad.

Paso 7: Recursos

[1] X.-L. Yang, G.-Z. Liu, Y.-H. Tong, H. Yan, Z. Xu, Q. Chen, X. Liu, H.-H. Zhang, H.-B. Wang y S.-H. Tan, "La historia, los puntos críticos y las tendencias del electrocardiograma", Revista de cardiología geriátrica: JGC, julio de 2015. [En línea]. Disponible: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4554… [Consultado: 01-Dec-2020].

[2] L. G. Tereshchenko y M. E. Josephson, “Contenido de frecuencia y características de la conducción ventricular”, Journal of electrocardiology, 2015. [En línea]. Disponible: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4624… [Consultado: 01-Dec-2020].

[3] “Amplificador diferencial - El restador de voltaje”, Tutoriales básicos de electrónica, 17 de marzo de 2020. [En línea]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_… [Consultado: 01-Dec-2020].

[4] C.-H. Chen, S.-G. Pan y P. Kinget, "Sistema de medición de ECG", Universidad de Columbia.

[5] S. Akwei-Sekyere, “Eliminación del ruido de la línea eléctrica en señales biomédicas mediante la separación ciega de fuentes y el análisis de ondículas”, PeerJ, 02-Jul-2015. [En línea]. Disponible: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4493… [Consultado: 01-Dec-2020].

[6] “Los filtros de parada de banda se denominan filtros de rechazo”, tutoriales básicos de electrónica, 29 de junio de 2020. [En línea]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/band-… [Consultado: 01-Dec-2020].

[7] “Filtro de paso bajo - Tutorial de filtro RC pasivo”, Tutoriales básicos de electrónica, 01 de mayo de 2020. [En línea]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filte… [Consultado: 01-Dec-2020].

[8] “Filtro de paso alto - Tutorial de filtro RC pasivo”, tutoriales básicos de electrónica, 05-Mar-2019. [En línea]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. [Consultado: 01-Dic-2020].