JUAN DAVID VASQUEZ JARAMILLO LUIS ALBERTO HINCAPIE FRANCO

1. DISEÑO DE UN CANAL ELECTROCARDIOGRAFICO INTERFAZABLE CON UN COMPUTADOR UTILIZANDO UN SISTEMA DE TRANSMISION DE FM Programa de Ingeniería Electrónica Universidad Tecnológica de Pereira JUAN DAVID VASQUEZ JARAMILLOLUIS ALBERTO HINCAPIE FRANCO UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

2. OBJETIVOS • Diseñar un canal inalámbrico para la detección de la actividad eléctrica cardiaca con bajo nivel de ruido electrónico • Mostrar como la instrumentación electrónica y las telecomunicaciones se pueden conjugar para generar un conjunto de características especificadas por un usuario. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

3. INTRODUCCION Últimamente la Ingeniería Biomédica ha surgido como un enfoque fundamental del Ingeniero Electrónico, la cual abarca la mayoría de sus áreas de formación tales entre ellas la instrumentación electrónica, los sistemas digitales y las comunicaciones; gracias a las cuales se ha podido lograr una mejor interpretación de los procesos bioquímicos que se llevan a cabo en el cuerpo humano por medio de técnicas matemáticas tales como análisis de regresión y estadística, funciones de Kernel y transformadas wavelet. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

4. MARCO REFERENCIAL • Luigi Galvani, padre de la electrofisiología fue la primer persona que detecto un biopotencial al hacer observaciones en una rana a cuerpo abierto, por lo cual fue fuertemente confrontado por su colega Alexandro volta. desde entonces la medición del biopotencial ha sido un reto al que el ser humano se ha enfrentado y a medida de que los sistemas electrónicos y computacionales han avanzado este se ha hecho mas llevadero. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

5. A medida que el tiempo avanza y nuestro nivel de vida se acelera, ya el reto no es solamente la detección y medición, sino la presentación grafica de registros que nos conduzcan hacia un correcto diagnostico de patologías. • La bioinstrumentación y la biométrica, en conjunto con las comunicaciones y la informática han hecho que cada vez mas el reto sea mayor. • Ahora el problema no surge alrededor de la obtención de la señal sino de su interpretación • El análisis de señales biológicas las cuales son de naturaleza no estacionaria, requiere de una técnica matemática llamada la transformada wavelet que caracteriza la señal en tiempo y en frecuencia. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

6. BIOPOTENCIAL. SU ORIGEN • Potenciales celulares: es la diferencia de potencial entre la superficie de Inter.-membrana y extra-membrana. este puede ser en estado de reposo o de activación. • La permeabilidad selectiva de la membrana permite que se de origen al potencial de membrana. • El flujo de iones negativos hacia fuera de la membrana a causa de una excitación hace que la membrana se despolarice rápidamente. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

7. Cuando la excitación eléctrica se disminuye la membrana se repolariza, aunque lentamente. • A la despolarización se le conoce como activación y a la repolarizacion se le conoce como recuperación. • Este mismo fenómeno ocurre en el músculo cardiaco y es de origen celular. • Su contracción o activación, es producto de fenómenos electroquímicos al igual que su recuperación. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

8. ACTIVIDAD ELECTRICA CARDIACA • Es idéntica en cuanto a fenomenológica se refiere a la cavidad eléctrica celular. • El potencial viaja a través de el músculo de tal manera que en un punto es negativo y en otro es positivo. • El punto muscular donde exista mas transferencia iónica del tejido muscular al tejido conductor, es el punto de mayor potencial positivo. • El punto muscular donde exista mas transferencia iónica del tejido conductor al tejido muscular, es el punto de mayor potencial negativo. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

9. “El corazón posee la capacidad inherente de contraerse” (Cruz Martínez, Carmen Julia; Pontificia Universidad Javeriana, Visoscopio, 1971) • Dicha contracción es producto de una excitación eléctrica y no al contrario. • Un ejemplo claro de esto fueron las investigaciones realizadas por el neurofisiólogo, luigi galvani al extraer el corazón de una rana, y su propuesta causo controversia. • Así, en el cuerpo nunca existirán puntos de igual potencial eléctrico y la medición del biopotencial entre dos puntos nunca debería de ser igual a cero. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

10. La tensión eléctrica (contracción muscular) se propaga desde las aurículas hacia los ventrículos, a través de las válvulas tricúspide y mitral. • La polaridad de la activación auricular debe de ser opuesta a la polaridad de recuperación auricular. • La polaridad de la activación ventricular debe de ser igual a la polaridad de recuperación ventricular. • El registro electrocardiográfico muestra las deflexiones y los segmentos que caracterizan la polarización, despolarización y repolarizacion ventricular y el inicio de la despolarización auricular. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

11. LA DETECCION DEL BIOPOTENCIAL. EL TRANSDUCTOR • def: dispositivo que detecta un tipo de energía a la entrada y la convierte en otro tipo de energía. • Tipos de energía mas comunes: • Eolica • Térmica • Química • Eléctrica • Magnética • Mecánica • óptica UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

12. Para nuestro caso el transductor a utilizar debe de convertir energía química (corrientes iónicas) en energía eléctrica. • El electrodo convierte flujo iónico a través de una interfaz electrolito-electrodo en un potencial llamado potencial de electrodo. • P.D: todo transductor que convierta un tipo de energía en energía eléctrica recibe el nombre de sensor. • Tipos de electrodos comerciales para aplicaciones clínicas: • Micro electrodo • Electrodo acutáneo • Electrodo superficial UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

13. Consideraciones importantes a la hora de escoger el electrodo superficial: • Un nivel bajo de deslizamiento (perturbación externa) • Baja impedancia de interfaz. • Se han desarrollado desde el electrodo de inmersión hasta el electrodo flotante (plata-cloruro de plata) • Existen intermedios que aun se usan UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

14. Electrodo de plata flotante con una interfaz electrolítica de un gel conductor de cloruro de plata. • Baja impedancia de electrodo. • Bajo nivel de deslizamiento. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

15. Acondicionamiento del biopotencial • Los potenciales de activación cardiacos. son del orden de las decenas de milivolts. • Se requiere de un nodo de referencia. ( derivación de masa). • Queremos eliminar interferencia producida por la interfaz (amplificador de instrumentación) baja ganancia (lo suficiente) UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

16. AMPLIFICADOR ECG • Primera etapa: pre-amplificación: • Se usa para ofrecerle a la señal una amplitud tal que no desaparezca por atenuación de luz o en la etapa de filtrado. • Baja ganancia • Acople de impedancias (incrementa CMRR) • El biopotencial se amplifica en modo diferencial y el ruido debido a la interfaz se amplifica en modo común. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

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18. Segunda etapa: EGTI (total aislamiento electrogalvánico) • Se busca proteger al paciente contra cualquier corriente inversa, por corto circuito o por off-set de referencia. • Aislamiento de referencias (derivación de masa y referencia eléctrica) • No existe acople eléctrico entre la red y el paciente. • Lazo de realimentación para control de infrarrojo. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

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20. ¿todos los biopotenciales tiene igual contenido espectral? • No UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

21. Tercera etapa: filtrado. • Filtrado requerido: pasa banda. banda ancha • Filtro con Q demasiado alto. • Implementación en cascada (LP-HP) • Filtros pasivos (disminución ruido electrónico, conclusión netamente experimental) • Método de diseño: M.I.A, simplificación de múltiplo por contracción. • Expresión general de F.R • Determinación de impedancias de cada cuadripolo por comparación. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

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23. Cuarta etapa: Amplificación: • Se requieren resistencias de bajo valor (tener cuidado con la tolerancia) • Para el canal ECG se requiere una alta ganancia, pues recordemos que se va ha transmitir por FM. • Un amplificador con una ganancia muy alta, introduce ruido electrónico. (red de realimentación-alta resistencia equivalente) • Tres amplificadores en cascada. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

24. Quinta etapa: Filtro de ranura para eliminar la interferencia de la red. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

25. ANALISIS DE LA SEÑAL ECG UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

26. La amplitud de cada una de las ondas representa la tensión de activación del corazón en ese instante. • La duración de algunos intervalos del registro representan el periodo durante el cual la diástole o la sístole ventricular conservan la misma polaridad. • Cada intervalo representa la polarizacion, despolarización o la repolarizacion de la aurícula (mínima porción) o el ventrículo durante el ciclo cardiaco. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

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28. INTERPRETACION DEL ECG • Onda P: despolarización auricular • Complejo QRS: despolarización del miocardio ventricular. Si es demasiado ancho puede indicar la presencia de hipertrofias, hiperpotasemia, hipotermia. la diferencia entre sus picos de voltaje no deben exceder las 40 unidades. picos muy bajos indican enfisema, mixedema, derrame pericardio o pleural. picos muy altos indican hipertrofia ventricular o miócardiopatía hipertrofica. • Onda U: debe de tener la misma orientación que la onda P, de lo contrario es probable encontrarse con patologías isquemias. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

29. Intervalo PR: oscila entre 0.12 y 0.20 segundos. Si se prolonga demasiado puede indicar un bloqueo auriventricular y su duración es demasiado corta indica taquicardias o ritmos nodales bajos. • Intervalo QT: su duración esta entre 0.35 y 0.45 segundos. un QT alargado indica cardiopatía isquemia o hipocalcemia (tendencia hereditaria).su corta duración indica hiperpotasemia, hipercalcemia o repolarizacion precoz. • Intervalo ST: línea isóeléctrica UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

30. ¿Por qué W.T? • Una señal ECG no cumple con las condiciones de Dirichlet. FT no converge. • ¿Se puede representar por medio de la EFS, dado que es periódica y pulsante.? • No, porque no es estacionaria. • Se solían hacer aproximaciones sobre la información que el registro del ECG presentaba. La transformada wavelet provee a través de una descomposición bien definida en bloques de tiempo y frecuencia, un análisis veraz y acertado en el dominio del tiempo y de la frecuencia de cada intervalo y complejo de la señal ECG. • La transformada wavelet es una operación que descompone una señal en componentes que aparecen a diferentes escalas. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

31. Aquí se muestran componentes wavelet a diferentes escalas y posiciones. • Para poder obtener la W.T de una señal hay que multiplicarla por una wavelet trasladada y escalada y posteriormente integrarla en el tiempo: UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

32. Y le asignamos una imagen a WT definida por el siguiente producto interno: UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

33. RUIDO ELECTRONICO EN EN CANAL ECG • Existen dos principales fuentes de ruido electrónico en canales ECG, una es la interfaz de adquisición (electrodo-piel) que como la impedancia de electrodo es igual en todas las derivaciones dicho ruido es amplificado en modo común. • La otra fuente de ruido es el ruido térmico, que como sabemos tiene una densidad espectral de corriente debida al movimiento aleatorio viene dada por: UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

34. Nuestro interés seria analizar la densidad espectral de voltaje debido al movimiento aleatorio, la cual se relaciona con la densidad espectral de corriente por medio de: • Así obtenemos la densidad espectral de voltaje: • Esta función de densidad espectral es plana para un ancho de banda de 0.1rad/seg. • Su amplitud se reduce usando resistencias de valor no muy grande y así se garantiza un bajo nivel de ruido en el rango de operación espectral del ECG. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

35. TRANSMISION USANDO CIRCUITOS DE RF. FRECUENCIA MODULADA, Para la transmisión se usa un circuito oscilador sintonizado para hallar compatibilidad con el circuito receptor y un amplificador de potencia de baja ganancia.Después de la etapa de recepción y desmodulación se hace la adquisición de la señal por un par de audífonos usando la tarjeta de sonido y por medio de un código en MATLAB se capta la señal de allí y se visualiza el registro gráficamente. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

36. CONCLUSIONES • el diseño del canal y su interfaz tienen un muy bajo nivel de ruido a consecuencia de las consideraciones tomadas en cada etapa. • El filtrado pasivo provee de una respuesta en frecuencia muy similar a la requerida para un canal ECG dado que los OP.AMP tienen un nivel de ruido que por la amplitud de la señal hasta esta etapa seria totalmente distorsionada. • La señal electrocardiográfica obtenida es útil mediante un buen método de análisis para la detección de Miócardiopatías. • El algoritmo de la Transformada Wavelet provee un método eficaz para el análisis de la onda ECG, periódica pulsante y de frecuencia rápida, entre fluctuante. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

37. AGRADECIMIENTOS • ING. Jorge Hernando rivera , MsC. Ricardo Henao, MsC. Mauricio Álvarez, ING. Edwin Andrés Quintero, ING. Julio Cesar Arias y ING. Jorge Eduardo Calle, ING. Edison Duque Carmona Director del programa de Ingeniería Electrónica. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA

38. ¿PREGUNTAS? GRACIAS UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA