Informe EM
- 1. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA, CIENCIA Y TECNOLOGÍA INSTITUTO DE TECNOLOGÍA AGRO-INDUSTRIAL PROGRAMA NACIONAL DE FORMACIÓN EN ELECTRÓNICA DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN MEDIDOR DIGITAL DE PRESIÓN ARTERIAL Y RITMO CARDÍACO Integrantes: Restan B. Robert A. (C.I. Nº 27.724.974) SKD4A San Cristóbal, octubre de 2021
- 2. INTRODUCCIÓN A lo largo de la historia se ha buscado determinar y comparar distintas magnitudes que se encuentran en la naturaleza. A través de distintos dispositivos rudimentarios la medición ha comenzado a tomar fuerza tanto en la vida cotidiana como en la experimentación. La medición ha sido de gran importancia en el campo de la química y en distintos campos ya que permiten reunir información y organizarla para así obtener conclusiones. Un instrumento de medición permite conocer propiedades que no son visibles al ojo humano, por lo que es necesario utilizar distintos métodos para poder convertir esa información en datos legibles por el ser humano. Estos datos son valiosos para la medicina, que hace uso de ellos para diagnosticar y analizar fenómenos biológicos que puedan afectar la salud. Es por lo tanto que se plantea el diseño y la simulación de un medidor digital de presión arterial y ritmo cardíaco.
- 3. MEDICIÓN DE LA FRECUENCIA CARDÍACA La frecuencia cardíaca es el número de veces que el corazón se contrae para bombear sangre a todo el organismo y así funcionar correctamente. Esta suele ser expresada en palpitaciones por minuto (PPM) con valores de reposo entre 70 y 80 latidos por minuto hasta una frecuencia cardíaca máxima de aproximadamente 190 a 205 latidos por minuto. Para la medición de la frecuencia cardíaca de manera manual se lleva a cabo la aplicación de una presión leve en puntos específicos del cuerpo, como la muñeca o el cuello, para luego llevar la cuenta de cuantas palpitaciones ocurren en un rango determinado de tiempo no mayor a un minuto y así obtener la frecuencia cardíaca aproximada. Para el diseño del instrumento de medición de la frecuencia cardíaca se ha tomado en cuenta los métodos comunes por los cuales se puede obtener la misma. Es entonces que considerando este método se ha visto necesario poder detectar estas palpitaciones de manera automática para así poder procesarlas y mostrarlas en un dispositivo digital. Una forma de realizar esto es mediante el uso de electrodos, los cuales son dispositivos con una placa metálica o una aguja pequeña que conduce la electricidad desde un instrumento hasta un paciente detectando diferencias de potencial en los músculos, el cerebro, el corazón, la piel u otras partes del cuerpo hasta un dispositivo que sea capaz de acondicionar estas variaciones de voltaje.
- 4. En este caso se hará uso de electrodos conectados en los hombros del paciente para la adquisición de señales electrocardiográficas (ECG) que luego serán tratadas para obtener la información deseada. Una señal electrocardiográfica es la representación eléctrica de la actividad cardíaca del paciente; Estas señales suelen ser graficadas comúnmente de la siguiente forma: Para la medición de la frecuencia cardiaca es de interes conocer la frecuencia en el complejo QRS ocurre en un minuto. Este complejo esta formado por un conjunto de ondas que grafican la despolarización de los ventrículos que representa el impulso cardíaco. Conociendo esto se puede
- 5. utilizar el punto mas positivo del complejo QRS para determinar la frecuencia cardíaca. Acondicionamiento de la señal Una señal electrocardiográfica suele ser de voltajes en el rango de los milivolt (mV), esto hace que la recolección de esta señal no sea posible por el dispositivo a diseñar debido a sus muy bajos valores de tensión, por lo que se requiere de un circuito que permita modificar esta señal de tal forma que pueda ser captada por el dispositivo a diseñar. Para esto se lleva a la señal por un conjunto de etapas que se muestran a continuación: Amplificador de instrumentación El amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales que resta sus dos entradas multiplicadas por un factor de ganancia. Este tipo de amplificador es utilizado para minimizar los efectos del ruido que pueden provocar errores de medición y también por su estabilidad lineal respecto a su ganancia. La configuración de un amplificador de instrumentación es la siguiente:
- 6. Para determinar los valores de las resistencias se utiliza la función de transferencia: Vo=(V 1−V 2)( R2 R1 )( 1+2R5 RG ) En la cual se considera que R2 = R4 = R1 = R3 = R5 = R6 = R para así llegar obtener: Vo=(V 1−V 2)( 1+2 R RG ) Lo que permitirá controlar la ganancia del amplificador de instrumentación con solo una resistencia.
- 7. Para hallar la resistencia de ganancia RG se utiliza la presente tabla: Como la señal recibida esta en el orden de los milivolt se utiliza una resistencia de 5,556kΩ, que permitirá amplificar dicha señal 10 veces su tamaño original. Para lograr esta ganancia se busca un valor de resistencia para R que multiplicado dos veces y luego divido entre RG sea igual a 10, para lo cual se determina que R = 25kΩ obteniendo finalmente la formula: Vo=(V 1−V 2)(1+ 50k Ω RG ) Gracias a la amplificación generada por el amplificador de instrumentación se ha podido obtener una señal electrocardiográfica con la ganancia deseada para ser procesada por la siguiente etapa:
- 8. Filtro pasa banda Como se puede observar, esta señal no es completamente estable variando de amplitud en cada punto, ya que es afectada por otras señales que emite el cuerpo causadas por el movimiento ademas de interferencias externas que entorpecen la claridad de la señal a utilizar. Es así que la siguiente etapa a utilizar es un filtro paso banda, que permita disminuir la ganancia a niveles cercanos a cero de frecuencias indeseadas tales como el ruido de baja frecuencia generado por luminarias y otros elementos, manteniendo solamente aquellas frecuencias relevantes para el procesamiento de los datos.
- 9. Para ello se hace uso del diseño de un filtro pasa banda activo de segundo orden. En un filtro pasa banda, entre mayor sea el orden, mas rápida sera su atenuación al entrar en la frecuencia de corte, por lo que un filtro de segundo orden permitirá obtener una respuesta veloz sin aumentar la complejidad del circuito en gran medida. Para la elaboración de esta etapa se utiliza el siguiente diseño:
- 10. Como las frecuencias relacionadas con el ritmo cardíaco se encuentran en el rango de los 1 a 30Hz se utilizara un ancho de banda de 25Hz, descartando así todas las frecuencias mayores a esta. Para utilizar este ancho de banda se deberá calcular Q, que es el factor de calidad que tendrá el filtro mediante: Q= fo B Donde fo sera la frecuencia central y B, el ancho de banda. Anteriormente se estipulo que el ancho de banda B seria de 30Hz, por lo que para abarcar todo el rango de 1 a 30 se estableció la frecuencia central en 15Hz para así obtener el factor de calidad: Q= 15 30 =0,5 Ya con el factor de calidad determinado se procede a obtener los valores resistivos y capacitivos del filtro de la forma: R1= Q 2·π·fo·A·C 1 = 0,5 2·π·15·1·100n =53 kΩ R2= 1 4· π·fo·Q·C 1 = 1 4·π·15·0,5·100n =106k Ω R3=R4=( Q 2 Q 2 + A +1)· Q 2·π·fo·C 1 =1,2· 0,5 2· π·15·100n =64k Ω
- 11. C 2=( A Q 2 +1)·C1=( 1 0,25 +1)·100nF=500nF Donde: A = Ganancia; Como solo interesa filtrar frecuencias indeseadas se diseñara el circuito para una ganancia unitaria. C1 = 100nF. Siendo asumida para poder determinar el valor de R1. Con estos valores se ha podido diseñar in filtro paso banda de ganancia unitaria con una frecuencia central de 15Hz que atenúa en gran medida las frecuencias mayores a 30Hz tal como se muestra en el siguiente gráfico:
- 12. Como se puede observar, ya la señal obtenida es estable, pero difiere de la señal original, esto es debido a un efecto secundario del filtro paso banda. Para lograr el filtrado se utilizo una configuración inversora, que por consiguiente ha invertido la señal, por lo cual se deberá corregir utilizando un amplificador operacional inversor: Como solo se busca volver a tener a la señal en su estado original no interesa obtener una ganancia del amplificador, por lo cual el valor de las
- 13. resistencias sera Rin = Rf = 5kΩ. Con este ajuste se compara la señal obtenida del amplificador de instrumentación con esta etapa: Como se puede apreciar, se ha podido estabilizar la señal ademas de atenuar las frecuencias innecesarias de la señal electrocardiográfica, lo que permitirá captar las ondas R con mayor facilidad. Detección de nivel Ya con la señal electrocardiográfica amplificada y filtrada se utilizara un detector de nivel que solo activara su salida cuando se llegue a un nivel de tensión deseado con el fin de crear un tren de pulsos, efectivamente digitalizando la señal.
- 14. Este comparador estará conectado a la señal ECG por su pin positivo con el pin negativo siendo alimentado por un divisor de tensión que ajustara la tensión de referencia a 4v para asegurar que todas las ondas R sean captadas por el detector de nivel. Si R2 = 20kΩ RT=R1+R2= R2 Vo ·Vi= 20k Ω 4V ·5V =25k Ω R 1=RT−R2=5k Ω Vo= R2 R1+R2 ·Vi= 20k Ω 25k Ω ·5V =4V
- 15. Procesamiento de datos Por ultimo, se toman los pulsos obtenidos en el detector de nivel para ser procesados por un microcontrolador. Para el diseño propuesto se utilizara un PIC16F877A por su gran cantidad de puertos, con el que se pueda hacer interfaz con un display LCD ademas de poseer convertidores analógico- digitales que serán utilizados mas adelante. El microcontrolador al activarse empezara un conteo de 10 segundos en el cual llevara la cuenta de estos pulsos que al terminar, multiplicara estos mismos por 6 para así dar el resultado de las pulsaciones por minuto. A continuación se muestra un diagrama de flujo de la programación de esta sección:
- 16. Se puede comprobar el funcionamiento correcto del algoritmo mediante la simulación efectuada: Fueron recibidos 11 pulsos, los cuales fueron multiplicados por 6 al finalizar el conteo. Esto es acorde a la gráfica obtenida en la simulación:
- 17. MEDICIÓN DE LA PRESIÓN ARTERIAL La tensión arterial o presión sanguínea permite la circulación de la sangre por los vasos sanguíneos cumpliendo la función de llevar a todos los tejidos del organismo el oxígeno y los nutrientes que necesitan para mantener correctamente su actividad. Se puede definir como la fuerza que la sangre ejerce sobre las paredes de las arterias, que es más alta (presión sistólica) cuando el corazón la bombea hacia las arterias y más baja (presión diastólica) entre un latido y otro del músculo cardíaco. La presión sistólica y diastólica son los valores que se utilizan para medir la tensión arterial, lo que es importante a la hora de evaluar el estado de salud general, ya que el caso de estar por encima de lo normal (hipertensión) puede significar un importante riesgo de sufrir enfermedades graves (enfermedades cardíacas, infarto cardíaco, ictus, insuficiencia renal, etc.). Cuando es baja (hipotensión) puede ocasionar estados de confusión, mareos, vértigo, desmayos, debilidad o somnolencia. Para determinar estos valores en el dispositivo a diseñar, se toma en cuenta el metodo oscilometrico, el cual es un método no invasivo que combina un dispositivo de grabación, un manguito de brazo o la muñeca que es inflado y un tubo de goma que conecta los dos. Cuando se infla el manguito, la presión en el brazalete cae por debajo de la presión ejercida en la arteria (sistólica) por los latidos del corazón. Cuando el brazalete comienza a desinflarse, la sangre fluye nuevamente, haciendo a las paredes de las arterias vibrar. El manguito detecta estas vibraciones y el medidor de la
- 18. presión arterial reconoce esto como la presión sistólica. Cuando se reanuda el flujo de la sangre normal, las vibraciones cesan, indicando el valor aproximado de la presión diastólica. Para lograr esto, se plantea el uso de un manguito manual en el cual el usuario bombeara aire hasta que el dispositivo indique detenerse, desinflándose lentamente para así, mediante un sensor de presión, se detecte el punto mas alto de presión que seria la presión sistólica, y con este valor obtener la presión diastólica aproximada. Selección del manguito de aire Como se menciono anteriormente, se hará uso de un método manual para el llenado de la bolsa, por lo cual se elige un modelo como el de la siguiente figura:
- 19. A este manguito se le removerá el medidor de presión análogo y se le colocara en su defecto un sensor de presión MPX4250DP de hasta 240kPa, el cual es un transductor de presión a voltaje con una salida de 0 a 5v, por lo que no sera necesario amplificar su señal de salida. Conversión de presión a voltaje El sensor MPX4250DP es lineal en todos sus puntos, lo que indica que cada rango de presión tendrá una salida de tensión proporcional. Con el uso del mismo se busca detectar las variaciones de presión y convertirlas en niveles de tensión que serán tomadas por el microcontrolador PIC16F877A. A continuación se muestra la tabla de valores de tensión con respecto a la presión ejercida junto a su función de transferencia:
- 20. Para conectar el sensor al microcontrolador se tomara en cuenta la guía de conexión recomendada por el fabricante:
- 21. Procesamiento de datos Como el método oscilometrico indica, se deberá inflar el manguito hasta una presión de 200mmHg para llevar a cabo la medición en el cual el microcontrolador indicara mediante un LED cuando se haya llegado a la presión necesaria. Como la tabla de conversiones del MPX4250DP solo resalta unidades en kilopascal, se realizara la conversión de estos valores a mmHg para comparar el punto mas alto y obtener la presión sistólica. Ya teniendo estos datos convertidos el microcontrolador registrara las variaciones de tensión que ocurran mientras el manguito se desinfla hasta llegar a 0mmHg, de las cuales tomara el punto mas alto y lo tomara como la presión sistólica. Para la presión diastólica, tomara la presión sistólica como referencia y la multiplicara por el 60%, que suele ser el valor común de la misma para así obtener un valor aproximado de la presión diastólica. A continuación se muestra el diagrama de flujo de la sección de medición de la presión arterial:
- 22. Dada la simulación realizada se ha confirmado el funcionamiento del programa:
- 23. Por ultimo, se muestra el esquema del medidor de presión arterial y ritmo cardíaco:
- 25. CONCLUSIÓN Dado por planteado el diseño y simulación de un medidor digital de presión arterial y ritmo cardíaco, se ha podido profundizar conocimientos en el área de la electromedicina, con enfoque en el acondicionamiento de señales biológicas diminutas o imperceptibles por el ser humano que requieren de una cantidad de procesos y etapas variadas para ser utilizables para su medición como la atenuación de frecuencias y la digitalización de los datos obtenidos. Con el diseño realizado del dispositivo se busco convertir métodos de medición manuales a digitales para facilitarle el uso al usuario final.