sistema monitor de señales de uso médico

SISTEMA MONITOR DE SEÑALES DE USO MÉDICO
Margarita Álvarez Cervera, Lanz Euán Oscar Armando, Pech Dzul José Joaquín
Instituto Tecnológico de Mérida.
[email protected] [email protected], [email protected].
RESUMEN
Se trata de un dispositivo monitor de señal cardiaca y temperatura corporal, utilizadas para análisis
clínico. El sistema agiliza el tiempo que lleva a los médicos la medición por separado de dichas
señales, ya que se comunica con una PC o laptop a través de la tarjeta de audio, y despliega las
señales finales a través de un software visual de computadora.
ABSTRACT
These devices monitor heart rate and body temperature signal, used for clinical analysis. The
system speeds up the time it takes doctors a separate measurement of these signals, which
communicates with a PC or laptop via the audio card, and displays the final signals through a visual
computer software.
1. INTRODUCCIÓN
El presente proyecto desarrolla un sistema que sensa e interpreta dos de las principales señales o
signos vitales del cuerpo humano (temperatura corporal y señal cardiaca), presentándolas de una
manera gráfica al especialista para que pueda dar un diagnóstico.
Durante la revisión médica a un paciente, un especialista requiere de cierto número de
instrumentos para medir un número determinado de signos vitales. Este proceso se puede
convertir en tedioso, ineficiente y largo. La finalidad del presente sistema es agilizar el proceso de
medida de las señales de temperatura y frecuencia cardiaca, mostrándolas, en tiempo real, a
través de un monitor de computador mediante un software realizado en ambiente visual.
2. DESARROLLO DEL DISPOSITIVO
El presente proyecto incluye el diseño de los circuitos electrónicos necesarios para la obtención de
las respectivas señales (temperatura y ritmo cardiaco). Ambas con el uso de dispositivos
electrónicos como amplificadores operacionales de instrumentación, resistores, termistores, entre
otros.
ECG (electrocardiograma)
Un electrocardiograma es un registro de la actividad eléctrica del corazón llevado a cabo a partir de
unos electrodos (conductores eléctricos) aplicados en la superficie de la piel, habitualmente en
ambos brazos y piernas y sobre el tórax. Dentro del corazón minúsculos impulsos eléctricos
controlan la función del corazón de expansión y contracción para bombear la sangre al cuerpo. Los
electrodos colocados sobre la piel pueden detectar estos impulsos y transmitirlos al
electrocardiógrafo por medio de cables.
El ECG se estructura en la medición del potencial eléctrico entre varios puntos corporales. Las
derivaciones I, II y III se miden sobre los miembros: la I va del brazo derecho al izquierdo, la II del
brazo derecho a la pierna izquierda y la III del brazo izquierdo a la pierna izquierda. Para este
proyecto es usada la derivación I
3. ETAPA DE ADQUISICIÓN DE LA SEÑAL CARDIACA
En la imagen siguiente se presenta el diagrama de bloques empleado para el acondicionamiento y
digitalización de la señal cardiaca, en los párrafos siguientes se explica cada etapa.
1.- Señales eléctricas
de potenciales
cardiacos
5.- PC: etapa de
graficación
4.- Etapa de
adquisición de datos
(conversión A/D) y
transmisión a la PC
2.- Etapa de
amplificación
3.- Etapa de filtrado
[2,3]
Figura 1.- Diagrama a bloques de acondicionamiento y digitalización de la señal cardiaca
1.- Como se puede ver la primera etapa del sistema consta del sensado de pulsos eléctricos del
cuerpo mediante electrodos de uso médico conectados a un amplificador operacional de
instrumentación muy útil debido a su alta impedancia de entrada, gran rechazo en modo común
(CMRR) y ganancia configurable (AD620), en la figura se muestra lo anterior encerrado en cuadro
con las numeraciones 1 y 3, el cuadro con el número dos está constituido por un amplificador
operacional de bajo ruido usado para minimizar el rechazo en modo común generado por el cuerpo
humano (AD705).
6
Figura 2.- Aplicación ECG del AI AD620
2.- A la salida del AD620 le sigue la etapa de filtrado usando de nuevo amplificadores
operacionales de precisión, debido a que la señal hasta esa etapa sigue siendo de magnitud
pequeña, en esta etapa se usa un filtro activo Butterworth, este tipo de filtro consta a la vez de dos
etapas la primera es un filtro pasa-altas (figura 3) y la segunda conectada en cascada es un filtro
pasa-bajos (figura 4), formando entonces un filtro pasa bandas. El filtro Butterworth proporciona un
ancho de banda plano en comparación con otros filtros activos, lo cual es conveniente para
analizar una señal que de entrada posee mucho ruido debido a factores internos en el cuerpo
humano como la respiración, pulsos neurológicos, entre otros.
V3
V4
0
5Vdc
5Vdc
U1
Vin
0
1
2
3
1
2
99
50
46
20
7
8
4
5
6
7
AD620
Vout
2
R1
8.23k
1
2
V6
VOFF = 0V
VAMPL = 7mV
FREQ = 1kHz
R2
10k
1
0
Figura 3.- Filtro pasa altas
V1
V2
0
5Vdc
5Vdc
R1
2
1
33k
C2
Vin
2
1
C1
2
1
U1
0
1
2
10u
2
1
2
3
10u
R3
V7
VOFF = 0V
VAMPL = 11.13mV
FREQ = 100Hz
33k
4
5
3
4
Vout
OPA2604/BB
2
2
1
R4
R2
56k
33k
1
1
0
Figura 4.- Filtro pasa bajas
3.- posteriormente sigue la amplificación de la señal de salida del filtro para alcanzar un voltaje de
1V, el cual es el mínimo necesario para digitalizar la imagen como se muestra en la figura
siguiente.
V1
V4
0
5Vdc
7
5Vdc
V+
U6
3
Vin
+
OS2
OUT
VOFF = 0V
VAMPL = 17.69mV
FREQ = 50Hz
2
V-
V3
-
OS1
5
6
Vout
1
4
LCM6001
R5
1
R1
2
1k
1
2
56k
0
Figura 5.- Última etapa de amplificación
4.- Por último viene la adquisición de datos por medio de la tarjeta de audio de la PC y al final el
entrono visual mostrado en la figura 1 como el bloque número 5.
4. ETAPA DE ADQUISICIÓN DE LA SEÑAL TEMPERATURA CORPORAL
La figura siguiente muestra el diagrama a bloques de la obtención y acondicionamiento de la señal
de temperatura corporal.
1.- Sensor de
temperatura
(termistor NTC)
4.- PC: etapa de
graficación
2.- Etapa de
amplificación
3.- Etapa de
adquisición de datos
(conversión A/D) y
transmisión a la PC
[2,3]
Figura 6.- Diagrama a bloques de acondicionamiento y digitalización de la señal cardiaca
Para la adquisición de la señal de temperatura se utiliza un termistor con una resistencia de 10kΩ,
la cual disminuye a medida que la temperatura que se esta sensando aumenta, luego se establece
el rango de temperatura en que se desea trabajar para realizar el diseño del circuito.
El circuito consta de 3 etapas, la primera es un divisor de voltaje que se realiza entre el termistor y
una resistencia variable, posteriormente se conecta un amplificador operacional en configuración
seguidor de voltaje para amortiguar la salida del divisor de voltaje y disminuir el ruido que pudiera
presentarse y por último está la etapa de amplificación de la señal con la cual se alcanza un voltaje
en la salida que va de cero a cinco volts. Siendo 0V la temperatura mínima y 5V la temperatura
máxima del rango
3
Figura 7.- Circuito de adquisición de la señal de temperatura
5. RESULTADOS ESPERADOS
ECG
Figura 8.-Amplificador operacional de instrumentación (morada: entrada, azul: salida)
Figura 9.-Filtro pasa-altas (morada: entrada, azul: salida)
Figura 10.-Filtro pasa-bajos (morada: entrada, azul: salida)
Figura 11.- Última etapa de amplificación (morada: entrada, azul: salida)
6. CONCLUSIÓN
Con dicho sistema se reduce el tiempo de espera de los pacientes para obtener el resultado de sus
respectivos análisis ya que unifica en un solo dispositivo la toma de 2 señales vitales sin necesidad
de realizarlas una por una.
El precio de los electrocardiógrafos resulta elevado en comparación con el que se propone en este
trabajo, en el cual sólo hace falta tener una computadora a la mano para visualizar los datos
obtenidos.
REFERENCIAS
[1]Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC). Proyectos electrónicos de los
alumnos.[en
linea]<http://www.upc.edu.pe/0/modulos/JER/JER_Interna.aspx?ARE=0&PFL=13&JER=496>[
consulta: 14 de octubre de 2010]
[2]Cristian Vidal Silva, Leopoldo Pavesi Farriol. DESARROLLO DE UN SISTEMA DE
ADQUISICIÓN Y TRATAMIENTO DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. [PDF]. Univ.
Tarapacá. < www.scielo.cl/pdf/rfacing/v13n1/art05.pdf>. [consulta: 14 de octubre de 2010].
[3]Augusto Baldoceda, Carlos Burga, Andrés Rodriguez, Rudy Vivas. Sistema Automático de
Monitoreo y Diagnóstico de Signos Vitales de Pacientes. [PDF]. Universidad Peruana de
Ciencias Aplicadas. < http://www.upc.edu.pe/html/0/0/carreras/ingelectronica/proyectos/MonitordeSenales.pdf>. [consulta: 14 de octubre de 2010].
[4]Augusto Baldoceda, Carlos Burga, Andrés Rodriguez, Rudy Vivas. Sistema Automático de
Monitoreo y Diagnóstico de Signos Vitales de Pacientes. [PDF]. Universidad Peruana de
Ciencias Aplicadas. < http://www.upc.edu.pe/html/0/0/carreras/ingelectronica/proyectos/MonitordeSenales.pdf>. [consulta: 14 de octubre de 2010].
[5]Br. FRANCISCO ABRAHAM POOT MAZA, DR. FRANCISCO JOSÉ HEREDIA LÓPEZ.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ELECTROCARDIÓGRAFO DE UNA SOLA
DERIVACIÓN. [Docx.]. Universidad autónoma de Yucatán.
[6]Analog Devices. Low Cost, Low Power Instrumentation Amplifier AD620. Paginas: 1 y 12.
<http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/A/D/6/2/AD620.shtml>. [Consulta: 22 de
octubre de 2010]