Diseño de circuitos de adquisición, amplificación y filtrado de un electrocardiograma básico: 6 pasos

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

Para completar este instructivo, lo único que se necesita es una computadora, acceso a Internet y algún software de simulación. A los efectos de este diseño, todos los circuitos y simulaciones se ejecutarán en LTspice XVII. Este software de simulación contiene bibliotecas de más de 1000 componentes, lo que facilita la creación de circuitos. Debido a que estos circuitos se generalizarán, se utilizará “UniversalOpAmp2” para cada instancia en la que se necesite un amplificador operacional. Además, cada amplificador operacional fue alimentado por una fuente de alimentación de + 15V y -15V. Estas fuentes de alimentación no solo alimentan el amplificador operacional, sino que también recortan el voltaje de salida si llegara a alcanzar cualquiera de esos dos extremos.

Paso 1: Diseño del amplificador de instrumentación

Una vez adquirida la señal, es necesario amplificarla para realizar cálculos y filtrarla. Para los electrocardiogramas, el método de amplificación más común es el amplificador de instrumentación. Como se mencionó anteriormente, el amplificador de instrumentación tiene muchas ventajas cuando se trata de circuitos de amplificación, siendo la mayor la alta impedancia entre los voltajes de entrada. Para construir este circuito, se utilizaron 3 amplificadores operacionales junto con siete resistencias, siendo seis de las resistencias equivalentes en magnitud. La ganancia de la mayoría de los electrocardiogramas es alrededor de 1000 veces la señal de entrada [1]. La ecuación para la ganancia de un amplificador de instrumentación es la siguiente: Ganancia = 1 + (2 * R1 / R2) * (R7 / R6). Por simplicidad, se supuso que cada resistencia era de 1000 ohmios, excepto R2, que se determinó que era de 2 ohmios. Estos valores dan una ganancia de 1001 veces mayor que la tensión de entrada. Esta ganancia es suficiente para amplificar las señales adquiridas para su posterior análisis. Sin embargo, usando la ecuación, la ganancia puede ser la que se desee para el diseño de su circuito.

Paso 2: Diseño de filtro de paso de banda

Un filtro de paso de banda es un filtro de paso alto y un filtro de paso bajo que trabajan en coordinación generalmente con un amplificador operacional para proporcionar lo que se conoce como banda de paso. Una banda de paso es un rango de frecuencias que pueden pasar mientras que todas las demás, arriba y abajo, son rechazadas. Los estándares de la industria establecen que un electrocardiograma estándar debe tener una banda de paso de 0,5 Hz a 150 Hz [2]. Esta gran banda de paso garantiza que se registre toda la señal eléctrica del corazón y que ninguna se filtre. Asimismo, esta banda de paso rechaza cualquier desplazamiento de CC que pueda interferir con la señal. Para diseñar esto, se deben elegir resistencias y condensadores específicos de modo que la frecuencia de corte de paso alto sea de 0,5 Hz y la frecuencia de corte de paso bajo sea de 150 Hz. La ecuación de frecuencia de corte tanto para el filtro de paso alto como para el de paso bajo es la siguiente: Fc = 1 / (2 * pi * RC). Para mis cálculos, se eligió una resistencia arbitraria, luego, usando la Ecuación 4, se calculó un valor de capacitor. Por lo tanto, el filtro de paso alto tendrá un valor de resistencia de 100, 000 ohmios y un valor de condensador de 3,1831 microfaradios. Asimismo, el filtro de paso bajo tendrá un valor de resistencia de 100, 000 ohmios y un valor de condensador de 10,61 nano-faradios. Se muestra un diagrama del filtro de paso de banda con los valores ajustados.

Paso 3: Diseño del filtro de muesca

Un filtro de muesca es esencialmente lo opuesto a un filtro de paso de banda. En lugar de tener un paso alto seguido de un paso bajo, es un paso bajo seguido de un paso alto, por lo que esencialmente se puede eliminar una pequeña banda de ruido. Para el filtro de muesca del electrocardiograma, se utilizó un diseño de filtro de muesca Twin-T. Este diseño permite filtrar una frecuencia central y proporciona un gran factor de calidad. En este caso, la frecuencia central de la que eliminar estaba a 60 Hz. Usando la Ecuación 4, los valores de la resistencia se calcularon usando un valor de capacitor dado de 0.1 microfaradios. Los valores de resistencia calculados para una banda de parada de 60 Hz fueron 26, 525 ohmios. Entonces se calculó que R5 era la mitad de R3 y R4. C3 también se calculó como el doble del valor elegido para C1 y C2 [3]. Se eligieron resistencias arbitrarias para R1 y R2.

Paso 4: circuito combinado

Usando redes, estos componentes se colocaron en serie juntos y se representa la imagen del circuito completo. Según un artículo publicado por Springer Science, una ganancia aceptable del circuito de ECG debería ser de alrededor de 70 dB cuando todo el circuito está configurado [4].

Paso 5: prueba de todo el circuito

Cuando todos los componentes se colocaron en una serie, se necesitaba la validación del diseño. Al probar este circuito, se realizó un barrido transitorio y de CA para determinar si todos los componentes funcionaban al unísono. Si este fuera el caso, el voltaje de salida transitorio aún sería aproximadamente 1000 veces el voltaje de entrada. Del mismo modo, cuando se realizó el barrido de CA, se esperaría un diagrama de bode de filtro de paso de banda con una muesca a 60 Hz. Al observar las imágenes en la foto, este circuito pudo lograr con éxito ambos objetivos. Otra prueba fue para ver la eficiencia del filtro de muesca. Para probar esto, se pasó una señal de 60 Hz a través del circuito. Como se muestra en la imagen, la magnitud de esta salida fue solo alrededor de 5 veces mayor que la entrada, en comparación con 1000x cuando la frecuencia está dentro de la banda de paso.

Paso 6: Recursos:

[1] “ECG Measurement System”, Columbia.edu, 2020. https://www.cisl.columbia.edu/kinget_group/student_projects/ECG%20Report/E6001%20ECG%20final%20report.htm (consultado el 1 de diciembre de 2020).

[2] L. G. Tereshchenko y M. E. Josephson, "Contenido de frecuencia y características de la conducción ventricular", Journal of electrocardiology, vol. 48, no. 6, págs. 933–937, 2015, doi: 10.1016 / j.jelectrocard.2015.08.034.

[3] “Los filtros de detención de banda se denominan filtros de rechazo”, tutoriales básicos de electrónica, 22 de mayo de 2018.

[4] N. Guler y U. Fidan, "Transmisión inalámbrica de la señal de ECG", Springer Science, vol. 30, abril de 2005, doi: 10.1007 / s10916-005-7980-5.