Fuente: Peiman Shahbeigi-Roodposhti y Sina Shahbazmohamadi, Departamento de Ingeniería Biomédica, Universidad de Connecticut, Storrs, Connecticut

Un electrocardiógrafo es un gráfico registrado por los cambios potenciales eléctricos que ocurren entre los electrodos colocados en el torso de un paciente para demostrar la actividad cardíaca. Una señal de ECG realiza un seguimiento del ritmo cardíaco y de muchas enfermedades cardíacas, como el flujo sanguíneo deficiente al corazón y las anomalías estructurales. El potencial de acción creado por las contracciones de la pared del corazón extiende las corrientes eléctricas del corazón por todo el cuerpo. Las corrientes eléctricas de propagación crean diferentes potenciales en puntos del cuerpo, que pueden ser detectados por electrodos colocados en la piel. Los electrodos son transductores biológicos hechos de metales y sales. En la práctica, 10 electrodos están unidos a diferentes puntos en el cuerpo. Existe un procedimiento estándar para adquirir y analizar señales ECG. Una onda ecEC típica de un individuo sano es la siguiente:

Figura 1. Onda ECG.

La onda "P" corresponde a la contracción auricular, y el complejo "QRS" a la contracción de los ventrículos. El complejo "QRS' es mucho más grande que la onda "P" debido a la relativa dfferencia en la masa muscular de las aurículas y ventrículos, que enmascara la relajación de las aurículas. La relajación de los ventrículos se puede ver en forma de la onda "T".

Hay tres pistas principales responsables de medir la diferencia de potencial eléctrico entre brazos y piernas, como se muestra en la Figura 2. En esta demostración, se examinará uno de los cables de las extremidades, el plomo I, y se registrará la diferencia de potencial eléctrico entre dos brazos. Como en todas las mediciones de plomo ECG, el electrodo conectado a la pierna derecha se considera el nodo de tierra. Una señal ECG se adquirirá utilizando un amplificador biopotencial y luego se mostrará utilizando un software de instrumentación, donde se creará un control de ganancia para ajustar su amplitud. Por último, se analizará el ECG registrado.

Figura 2. Cables de extremidades de ECG.

El electrocardiógrafo debe ser capaz de detectar no sólo señales extremadamente débiles que van desde 0,5 mV a 5,0 mV, sino también un componente de CC de hasta 300 mV (resultado del contacto con la piel del electrodo) y un componente de modo común de hasta 1,5 V, que resulta del potencial entre los electrodos y el suelo. El ancho de banda útil de una señal ECG depende de la aplicación y puede variar de 0.5-100 Hz, llegando a veces hasta 1 kHz. Generalmente es alrededor de 1 mV pico a pico en presencia de ruido externo de alta frecuencia mucho mayor, interferencia de 50 o 60 Hz, y potencial de desplazamiento del electrodo de CC. Otras fuentes de ruido incluyen el movimiento que afecta a la interfaz piel-electrodo, contracciones musculares o picos electromiográficos, respiración (que puede ser rítmica o esporádica), interferencia electromagnética (EMI) y ruido de otros dispositivos electrónicos esa pareja en la entrada.

En primer lugar, se producirá un amplificador biopotencial para procesar el ECG. Luego, se colocarán electrodos en el paciente para medir la diferencia potencial entre dos brazos. La función principal de un amplificador biopotencial es tomar una señal eléctrica débil de origen biológico y aumentar su amplitud para que pueda ser procesado, grabado o visualizado.

Figura 3. Amplificador ECG.

Para ser útiles biológicamente, todos los amplificadores biopotenciales deben cumplir ciertos requisitos básicos:

• Deben tener una alta impedancia de entrada para que proporcionen una carga mínima de la señal que se está midiendo. Los electrodos biopotenciales pueden verse afectados por su carga, lo que conduce a la distorsión de la señal.
• El circuito de entrada de un amplificador biopotencial también debe proporcionar protección al sujeto que se está estudiando. El amplificador debe tener circuitos de aislamiento y protección para que la corriente a través del circuito del electrodo se pueda mantener en niveles seguros.
• El circuito de salida controla la carga, que suele ser un dispositivo de indicación o grabación. Para obtener la máxima fidelidad y rango en la lectura, el amplificador debe tener baja impedancia de salida y ser capaz de suministrar la potencia requerida por la carga.
• Los amplificadores biopotenciales deben funcionar en el espectro de frecuencias en el que existen los biopotenciales que amplifican. Debido al bajo nivel de tales señales, es importante limitar el ancho de banda del amplificador para obtener relaciones óptimas de señal a ruido. Esto se puede hacer usando filtros.

El cuadro 3 es un ejemplo de un amplificador ECG, y el cuadro 4 es el circuito del amplificador ECG que se construye durante esta demostración. Tiene tres etapas principales: el circuito de protección, el amplificador de instrumentación y el filtro de paso alto.

Figura 4. Amplificador biopotencial.

La primera etapa es el circuito de protección del paciente. Un diodo es un dispositivo semiconductor que conduce la corriente en una dirección. Cuando un diodo está sesgado hacia adelante, el diodo actúa como un cortocircuito y conduce la electricidad. Cuando un diodo es sesgado inverso, actúa como un circuito abierto y no conduce la electricidad,_{I r} 0.

Cuando los diodos están en la configuración sesgada hacia adelante hay una tensión conocida como la tensión de umbral (VT - aproximadamente 0.7 V) que debe ser excedida para que el diodo conduzca la corriente. Una vez que se ha excedido el VT, la caída de tensión a través del diodo permanecerá constante en VT independientemente de lo que V_en.

Cuando el diodo es sesgado inverso el diodo actuará como en el circuito abierto y la caída de voltaje a través del diodo será igual a V_en.

La Figura 5 es un ejemplo de un circuito de protección simple basado en diodos que se utilizarán en esta demostración. La resistencia se utiliza para limitar la corriente que fluye a través del paciente. Si un fallo en el amplificador de instrumentación o diodos cortocircuita la conexión del paciente con uno de los rieles de alimentación, la corriente sería inferior a 0,11 mA. Los diodos de baja fuga FDH333 se utilizan para proteger las entradas del amplificador de instrumentación. Siempre que la tensión en el circuito supere 0,8 V de magnitud, los diodos cambian a su región activa o estado "ON"; la corriente fluye a través de ellos y protege tanto al paciente como a los componentes electrónicos.

Figura 5. Circuito de protección.

La segunda etapa es el amplificador de instrumentación, IA, que utiliza tres amplificadores operacionales (op-amp). Hay un amplificador de operación conectado a cada entrada para aumentar la resistencia de entrada. El tercer amplificador op es un amplificador diferencial. Esta configuración tiene la capacidad de rechazar la interferencia referida a tierra y amplificar solamente la diferencia entre las señales de entrada.

Figura 6. Amplificador de instrumentación.

La tercera etapa es el filtro de paso alto, que se utiliza para amplificar un pequeño voltaje de CA que se monta encima de un voltaje de CC grande. El ECG se ve afectado por señales de baja frecuencia que provienen del movimiento del paciente y la respiración. Un filtro de paso alto reduce este ruido.

Los filtros de paso alto se pueden realizar con circuitos RC de primer orden. La figura 7 muestra un ejemplo de un filtro de paso alto de primer orden y su función de transferencia. La frecuencia de corte se da mediante la siguiente fórmula:

,
  

Figura 7. Filtro de paso alto.

1. Adquisición de una señal ECG

1. Ajuste el voltaje de las fuentes a +5 V y -5 V y conéctelas en serie.
2. Construya el circuito mostrado en el cuadro 4. Calcule los valores de las resistencias y capacitores. Para el filtro de paso alto, la frecuencia de corte debe ser de 0,5 Hz. El valor del condensador se debe elegir de la tabla siguiente (según disponibilidad).

3. Coloque los electrodos en el brazo derecho, el brazo izquierdo y la pierna derecha (esto es referencia) del paciente y conéctelos al circuito.
4. Utilice el osciloscopio para ver la señal ECG (V_o). Pulse Ajuste automático y ajuste las escalas horizontal y vertical según sea necesario. Usted debe ser capaz de ver los picos R a pesar del ruido en la señal.

2. Visualización de la señal ECG mediante el software Instrumention

1. En esta demostración usamos LabVIEW. Escriba un programa que muestre la señal ECG utilizando una interfaz gráfica para configurar mediciones y un gráfico de forma de onda. Una vez seleccionada una entrada analógica, configure el programa con los siguientes ajustes:

• Rango de entrada de señal >> Máx. 0,5; Mínimo -0,5
• Configuración del terminal >> RSE
• Modo de adquisición >> continuo
• Muestras para leer 2000
• Frecuencia de muestreo 1000

2. Adquiera la señal ECG y observe la forma de onda. Verá una señal similar a la Figura 1.
3. Ajuste la escala del eje X para mostrar el tiempo en segundos.
4. A menudo es necesario en la instrumentación para amplificar la señal de interés a una amplitud específica. Cree un control de ganancia y establézquelo de modo que la amplitud del ECG sea 2 Vp.

3. Análisis de la señal ECG

En esta sección, se filtrará y analizará una señal eclopé para determinar la frecuencia cardíaca. El siguiente diagrama de bloques muestra los componentes del programa.

En esta demostración, tres electrodos se conectaron a un individuo, y la salida pasó a través de un amplificador biopotencial. A continuación se muestra un gráfico ECG de ejemplo antes del filtrado digital (Figura 8).

Figura 8. Señal ECG sin filtrado digital.

Después de diseñar los filtros y alimentar los datos al algoritmo desarrollado, los picos en el gráfico fueron detectados y utilizados para calcular la frecuencia de latidos del corazón (BPM). La Figura 9 muestra los datos sin procesar de una señal ECG (antes de cualquier filtrado) en el dominio de tiempo y frecuencia. La Figura 10 muestra el resultado del filtrado de esa señal.

Figura 9. Señal ECG antes de filtrar.

Figura 10. Señal ECG filtrada.

La gráfica eclostra original tenía complejos P, QRS y T ligeramente visibles que presentaban muchas fluctuaciones del ruido. El espectro de la señal ECG también mostró un pico claro a 65 Hz, que se suponía que era ruido. Cuando la señal se procesó utilizando un filtro de paso bajo para eliminar porciones de alta frecuencia extrañas y luego un filtro de parada de banda para eliminar el componente de señal de 65 Hz, la salida parecía significativamente más limpia. El ECG muestra cada componente de la señal claramente con todo el ruido eliminado.

Además, la frecuencia cardíaca medida fue de aproximadamente 61.8609 latidos por minuto.

La contracción del músculo cardíaco durante el ciclo cardíaco produce corrientes eléctricas dentro del tórax. Las caídas de tensión a través del tejido resistivo son detectadas por electrodos colocados en la piel y registrados por un electrocardiógrafo. Dado que el voltaje es débil, en el rango de 0,5 mV, y pequeño en comparación con la magnitud del ruido, es necesario procesar y filtrar la señal. En este experimento, un dispositivo de electrocardiógrafo que consiste en un circuito de procesamiento de señal analógica y digital de dos partes fue diseñado para analizar la señal ECG resultante, y calcular la frecuencia de latidos del latido.

Esta demostración introdujo los fundamentos de los circuitos electrónicos y el filtrado de las señales ECG. Aquí, se utilizaron técnicas prácticas de procesamiento de señales para extraer una señal débil de un fondo ruidoso. Estas técnicas se pueden utilizar en otras aplicaciones similares donde se requiere amplificación de señal y reducción de ruido.

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