Un ECG de corazón: 7 pasos

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

Abstracto

Un ECG, o electrocardiograma, es un dispositivo médico de uso común que se utiliza para registrar las señales eléctricas del corazón. Son simples de hacer en la forma más básica, pero hay mucho espacio para el crecimiento. Para este proyecto, se diseñó y simuló un ECG en LTSpice. El ECG tenía tres componentes: un amplificador de instrumentación, un filtro de paso bajo y, finalmente, un amplificador no inversor. Esto fue para asegurar que hubiera suficiente ganancia proveniente de una fuente relativamente débil de una bioseñal, así como un filtro para eliminar el ruido en el circuito. Las simulaciones mostraron que cada componente del circuito funcionó con éxito, al igual que un circuito integrado total con los tres componentes. Esto muestra que esta es una forma viable de crear un circuito de ECG. Luego exploramos el vasto potencial de mejoras del ECG.

Paso 1: Introducción / Antecedentes

Se utiliza un ECG o electrocardiograma para registrar las señales eléctricas del corazón. Es una prueba bastante común e indolora que se utiliza para detectar problemas cardíacos y controlar la salud cardíaca. Se realizan en consultorios médicos, ya sea en clínicas o en salas de hospital, y son máquinas estándar en quirófanos y ambulancias [1]. Pueden mostrar qué tan rápido late el corazón, si el ritmo es regular o no, así como la fuerza y la sincronización de los impulsos eléctricos que atraviesan las diferentes partes del corazón. Aproximadamente 12 electrodos (o menos) se colocan en la piel del pecho, los brazos y las piernas y se conectan a una máquina que lee los impulsos y los representa gráficamente [2]. Un ECG de doce derivaciones tiene 10 electrodos (para dar un total de 12 vistas del corazón). El de 4 derivaciones va a las extremidades. Dos en las muñecas y dos en los tobillos. Las últimas 6 derivaciones van en el torso. V1 va en el cuarto espacio intercostal a la derecha del esternón, mientras que V2 está en la misma línea, pero a la izquierda del esternón. V3 se sitúa a medio camino entre V2 y V4, V5 va en la línea axilar anterior al mismo nivel que V4 y V6 va en la línea axilar media al mismo nivel [3].

El objetivo de este proyecto es diseñar, simular y verificar un dispositivo de adquisición de señales analógicas, en este caso, un electrocardiograma. Dado que la frecuencia cardíaca promedio es de 72, pero en reposo puede bajar hasta 90, la mediana se puede considerar en aproximadamente 60 lpm, lo que da una frecuencia fundamental de 1 Hz para la frecuencia cardíaca. La frecuencia cardíaca puede variar de aproximadamente 0,67 a 5 Hz (40 a 300 lpm). Cada señal consta de una onda que se puede etiquetar como P, complejo QRS y una porción T de la onda. La onda P corre a aproximadamente 0,67 - 5 Hz, el complejo QRS está a aproximadamente 10-50 Hz y la onda T está a aproximadamente 1 - 7 Hz [4]. El ECG de última generación tiene aprendizaje automático [5], donde las arritmias y similares pueden ser clasificadas por la propia máquina. Para simplificar, este ECG tendrá solo dos electrodos: uno positivo y otro negativo.

Paso 2: métodos y materiales

Para comenzar el diseño, se utilizó una computadora tanto para la investigación como para el modelado. El software utilizado fue LTSpice. Primero, para diseñar el esquema para el ECG analógico, se realizó una investigación para ver cuáles son los diseños actuales y cómo implementarlos mejor en un diseño novedoso. Casi todas las fuentes comenzaron con un amplificador de instrumentación para comenzar. Toma dos entradas: de cada uno de los electrodos. Después de eso, se eligió un filtro de paso bajo para eliminar las señales por encima de 50 Hz, ya que el ruido de la línea eléctrica llega a aproximadamente 50-60 Hz [6]. Después de eso, fue un amplificador no inversor para amplificar la señal, ya que las bioseñales son bastante pequeñas.

El primer componente fue el amplificador de instrumentación. Tiene dos entradas, una para el electrodo positivo y otra para el negativo. El amplificador de instrumentación se utilizó específicamente para proteger el circuito de la señal entrante. Hay tres amplificadores operacionales universales y 7 resistencias. Todas las resistencias excepto R4 (Rgain) tienen la misma resistencia. La ganancia de un amplificador de instrumentación se puede manipular con la siguiente ecuación: A = 1 + (2RRgain) [7] La ganancia se eligió para ser 50 ya que las bioseñales son muy pequeñas. Las resistencias se eligieron para que fueran más grandes para facilitar su uso. Luego, los cálculos siguen este conjunto de ecuaciones para dar R = 5000Ω y Rgain = 200Ω. 50 = 1 + (2RRgain) 50 2 * 5000200

El siguiente componente utilizado fue un filtro de paso bajo, para eliminar frecuencias por encima de 50 Hz, que mantendrá solo la onda PQRST en este rango de frecuencia y minimizará el ruido. La ecuación para un filtro de paso bajo se muestra a continuación: fc = 12RC [8] Dado que la frecuencia elegida para el corte fue 50 Hz, y la resistencia fue elegida para ser 1kΩ, los cálculos arrojan un valor de capacitor de 0.00000318 F. 50 = 12 * 1000 * C

El tercer componente del ECG era un amplificador no inversor. Esto es para asegurar que la señal sea lo suficientemente grande antes de (potencialmente) ser transferida a un convertidor de analógico a digital. La ganancia de un amplificador no inversor se muestra a continuación: A = 1 + R2R1 [9] Como antes, se eligió que la ganancia fuera 50, para aumentar la amplitud de la señal final. Los cálculos para la resistencia son los siguientes, con una resistencia elegida para ser 10000Ω, dando un segundo valor de resistencia de 200Ω. 50 = 1 + 10000R1 50 10000200

Para probar el esquema, se realizaron análisis en cada componente y luego en el esquema general final. La segunda simulación fue un análisis de CA, un barrido de octava, con 100 puntos por octava, y corriendo a través de frecuencias de 1 a 1000 Hz.

Paso 3: resultados

Para probar el circuito, se realizó un barrido de octava, con 100 puntos por octava, comenzando con una frecuencia de 1 Hz, y llegando hasta una frecuencia de 1000 Hz. La entrada fue una curva sinusoidal, para ser una representación de la naturaleza cíclica de la onda de ECG. Tenía un desplazamiento de CC de 0, una amplitud de 1, una frecuencia de 1 Hz, un retardo de T de 0, un theta (1 / s) de 0 y un phi (deg) de 90. La frecuencia se estableció en 1, ya que un promedio La frecuencia cardíaca se puede establecer en aproximadamente 60 lpm, que es 1 Hz.

Como se ve en la Figura 5, el azul era la entrada y el rojo era la salida. Claramente hubo una ganancia masiva, como se ve arriba.

El filtro de paso bajo se estableció en 50 Hz para eliminar el ruido de la línea eléctrica en una posible aplicación de ECG. Dado que eso no se aplica aquí donde la señal es constante a 1 Hz, la salida es la misma que la entrada (Figura 6).

La salida, que se muestra en azul, está claramente amplificada en comparación con la entrada, que se muestra en verde. Además, dado que los picos y los valles de las curvas sinusoidales coinciden, esto muestra que el amplificador de hecho no era inversor (Figura 7).

La Figura 8 muestra todas las curvas juntas. Muestra claramente la manipulación de la señal, pasando de una señal pequeña, amplificada dos veces y filtrada (aunque la filtración no tiene efecto sobre esta señal específica).

Utilizando las ecuaciones de ganancia y frecuencia de corte [10, 11], los valores experimentales se determinaron a partir de los gráficos. El filtro de paso bajo tuvo el menor error, mientras que ambos amplificadores oscilaron con un error de alrededor del 10% (Tabla 1).

Paso 4: Discusión

Parece que el esquema hace lo que se supone que debe hacer. Tomó una señal determinada, la amplificó, luego la filtró y luego la amplificó nuevamente. Dicho esto, es un diseño muy "pequeño", que consta únicamente de un amplificador de instrumentación, un filtro de paso bajo y un filtro no inversor. No hubo una entrada clara de una fuente de ECG, a pesar de las incontables horas navegando por la web en busca de una fuente adecuada. Desafortunadamente, aunque eso no funcionó, la onda sinusoidal fue un sustituto apropiado de la naturaleza cíclica de la señal.

Una fuente de error cuando se trata del valor teórico y real de la ganancia y el filtro de paso bajo podrían ser los componentes elegidos. Dado que las ecuaciones utilizadas tienen una relación de las resistencias sumadas a 1, al hacer los cálculos, esta se descuidó. Esto se puede hacer si las resistencias utilizadas son lo suficientemente grandes. Si bien las resistencias elegidas eran grandes, el hecho de que no se haya tenido en cuenta en los cálculos creará un pequeño margen de error. Investigadores de la Universidad Estatal de San José en San José CA diseñaron un ECG específicamente para el diagnóstico de enfermedades cardiovasculares. Utilizaron un amplificador de instrumento, un filtro de paso alto activo de primer orden, un relleno de paso bajo Bessel activo de quinto orden y un filtro de muesca activo twin-t [6]. Concluyeron que el uso de todos estos componentes resultó en el acondicionamiento exitoso de una onda de ECG sin procesar de un sujeto humano. Otro modelo de un circuito de ECG simple realizado por Orlando Hoilett en la Universidad de Purdue consistía únicamente en un amplificador de instrumentación. La salida era clara y utilizable, pero se recomendó que para aplicaciones específicas, los cambios serían mejores, es decir, amplificadores, filtros de paso de banda y un filtro de muesca de 60 Hz para eliminar el ruido de la línea eléctrica. Esto muestra que este diseño de un ECG, aunque no lo abarca todo, no es el método más simple de tomar una señal de ECG.

Paso 5: Trabajo futuro

Este diseño de un ECG requeriría algunas cosas más antes de ponerlo en un dispositivo práctico. Por un lado, varias fuentes recomendaron el filtro de muesca de 60 Hz y, dado que no había ruido de la línea eléctrica con el que lidiar aquí, no se implementó en la simulación. Dicho esto, una vez que esto se traduzca a un dispositivo físico, sería beneficioso agregar un filtro de muesca. Además, en lugar del filtro de paso bajo, podría funcionar mejor tener un filtro de paso de banda para tener más control de las frecuencias que se filtran. Nuevamente, en la simulación, este tipo de problema no surge, pero aparecería en un dispositivo físico. Después de esto, el ECG requeriría un convertidor de analógico a digital, y probablemente un dispositivo similar a un raspberry pi para recopilar los datos y transmitirlos a una computadora para su visualización y uso. Otras mejoras serían la adición de más derivaciones, quizás comenzando con las 4 derivaciones de las extremidades y gradualmente a las 10 derivaciones para un diagrama de 12 derivaciones del corazón. Una mejor interfaz de usuario también sería beneficiosa, tal vez con una pantalla táctil para que los profesionales médicos puedan acceder fácilmente y enfocarse en ciertas partes de una salida de ECG.

Otros pasos involucrarían el aprendizaje automático y la implementación de IA. La computadora debe poder alertar al personal médico, y posiblemente a los que se encuentran alrededor, de que se ha producido una arritmia o algo similar. En este punto, un médico debe revisar una salida de ECG para hacer un diagnóstico; si bien los técnicos están capacitados para leerlos, no pueden hacer un diagnóstico oficial en el campo. Si los ECG que utilizan los socorristas tienen un diagnóstico preciso, podría permitir un tratamiento más rápido. Esto es especialmente importante en las zonas rurales, donde podría llevar más de una hora llevar a un paciente que no puede pagar un viaje en helicóptero al hospital. La siguiente etapa sería agregar un desfibrilador a la propia máquina de ECG. Luego, cuando detecta una arritmia, puede determinar el voltaje adecuado para una descarga y, dado que se han colocado las almohadillas de descarga, puede intentar que el paciente vuelva al ritmo sinusal. Esto sería útil en entornos hospitalarios, donde los pacientes ya están conectados a varias máquinas y si no hay suficiente personal médico para brindar atención de inmediato, la máquina cardíaca todo en uno podría encargarse de ello, ahorrando el valioso tiempo necesario para salvar una vida..

Paso 6: Conclusión

En este proyecto, se diseñó con éxito un circuito de ECG y luego se simuló utilizando LTSpice. Consistía en un amplificador de instrumentación, un filtro de paso bajo y un amplificador no inversor para acondicionar la señal. La simulación mostró que los tres componentes funcionaban tanto individualmente como juntos cuando se combinaban para un circuito integrado total. Cada uno de los amplificadores tenía una ganancia de 50, un hecho confirmado por las simulaciones realizadas en LTSpice. El filtro de paso bajo tenía una frecuencia de corte de 50 Hz, para reducir el ruido de las líneas eléctricas y los artefactos de la piel y el movimiento. Si bien este es un circuito de ECG muy pequeño, se pueden realizar muchas mejoras, desde la adición de uno o dos filtros hasta una máquina de corazón todo en uno que podría tomar el ECG, leerlo y proporcionar tratamiento inmediato.

Paso 7: referencias

Referencias

[1] “Electrocardiograma (ECG o EKG)”, Mayo Clinic, 09 de abril de 2020. [En línea]. Disponible: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/ekg/about/pac-20384983. [Consultado: 04-Dic-2020].

[2] “Electrocardiograma”, Instituto Nacional del Corazón, Pulmón y Sangre. [En línea]. Disponible: https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/electrocardiogram. [Consultado: 04-Dic-2020].

[3] A. Randazzo, “La mejor guía de colocación de ECG de 12 derivaciones (con ilustraciones)”, Prime Medical Training, 11 de noviembre de 2019. [En línea]. Disponible: https://www.primemedicaltraining.com/12-lead-ecg-placement/. [Consultado: 04-Dic-2020].

[4] C. Watford, “Comprensión del filtrado de ECG”, EMS 12 Lead, 2014. [En línea]. Disponible: https://ems12lead.com/2014/03/10/understanding-ecg-filtering/. [Consultado: 04-Dic-2020].

[5] RK Sevakula, WTM Au ‐ Yeung, JP Singh, EK Heist, EM Isselbacher y AA Armoundas, "Técnicas de aprendizaje automático de última generación destinadas a mejorar los resultados de los pacientes relacionados con el sistema cardiovascular", Journal of the Asociación Americana del Corazón, vol. 9, no. 4 de febrero de 2020.

[6] W. Y. Du, "Diseño de un circuito de sensor de ECG para el diagnóstico de enfermedades cardiovasculares", Revista Internacional de Biosensores y Bioelectrónica, vol. 2, no. 4, 2017.

[7] “Calculadora de voltaje de salida del amplificador de instrumentación”, ncalculators.com. [En línea]. Disponible: https://ncalculators.com/electronics/instrumentation-amplifier-calculator.htm. [Consultado: 04-Dic-2020].

[8] “Calculadora de filtro de paso bajo”, ElectronicBase, 01 de abril de 2019. [En línea]. Disponible: https://electronicbase.net/low-pass-filter-calculator/. [Consultado: 04-Dic-2020].

[9] “Amplificador operacional no inversor: el amplificador operacional no inversor”, tutoriales básicos de electrónica, 06-nov-2020. [En línea]. Disponible: https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_3.html. [Consultado: 04-Dic-2020].

[10] E. Sengpiel, "Cálculo: amplificación (ganancia) y amortiguación (pérdida) como factor (relación) al nivel en decibelios (dB)", calculadora de dB para la ganancia de amplificación y el factor de amortiguación (pérdida) de un cálculo de amplificador de audio relación decibel dB - sengpielaudio Sengpiel Berlin. [En línea]. Disponible: https://www.sengpielaudio.com/calculator-amplification.htm. [Consultado: 04-Dic-2020].

[11] “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/filter_2.html. [Consultado: 04-Dic-2020].

[12] O. H. Instructables, “Circuito de electrocardiograma (ECG) súper simple”, Instructables, 02 de abril de 2018. [En línea]. Disponible: https://www.instructables.com/Super-Simple-Electrocardiogram-ECG-Circuit/. [Consultado: 04-Dic-2020].

[13] Brent Cornell, "Electrocardiografía", BioNinja. [En línea]. Disponible: https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/62-the-blood-system/electrocardiography.html. [Consultado: 04-Dic-2020].