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UNIVERSITARIA DE INVESTIGACION Y DESARROLLO UDI INGENIERIA ELECTRONICA CIRCUITOS II

PRIMER INFORME PROYECTO Universitaria de Investigación y Desarrollo Jhan Carlos Sarmiento [email protected] Mauricio Camargo [email protected]

Resumen—El presente informe describe el diseño y construcción de un equipo que permite captar el pulso cardiaco. Mediante la implementación de filtros análogos para el acondicionamiento de la señal, sin descuidar los requisitos de seguridad eléctrica; cabe resaltar que el ruido blanco es el factor que influye en la señal final obtenida. Diseño y prueba de un amplificador de instrumentación para acondicionar una señal voltaje biomédica proveniente de la derivación 2 de un ECG (Electrocardiograma). Este tipo de amplificadores se usa muy frecuentemente para amplificar señales muy pequeñas, en el orden de los mili voltios e incluso en los micro voltios y donde el ruido tiene una componente de amplitud muy grande en comparación con la señal a medir, como es en el caso de una señal del ECG que indica el comportamiento del corazón.

Palabras claves— Amplificador, electrocardiógrafo, filtro.

I. INTRODUCCION

coronaria como el infarto miocardio. Esta prueba se puede observar mediante la señal del electrocardiógrafo en el cual se muestra la onda P, la onda T y los complejos Q, R, S. Dependiendo de la señal el especialista podrá́ diagnosticar el estado del paciente. Por lo que su uso es muy generalizado tanto en las consultas de medicina general o de urgencias, como en la atención especializada. Esto es debido a que es una prueba relativamente barata, pero a su vez proporciona una gran cantidad de datos sobre el estado cardíaco del paciente, permitiéndonos el diagnóstico o la sospecha de numerosos procesos cardíacos como los siguientes:

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Infartos tanto de miocardio como de pulmón. Ritmos anormales del corazón o arritmias. Alteraciones en el tamaño de las cavidades del corazón: dilatación o hipertrofia. Alteraciones en los iones del organismo: sodio, potasio, calcio. Alteraciones del pericardio: pericarditis.

En este informe se presenta toda la implementación y conceptos teóricos referentes a un electrocardiógrafo. El trabajo en general consistió en amplificar la señal del pulso cardiaco mediante un amplificador de instrumentación y el uso de filtros: Pasa-altas y pasa-bajas.

Este documento contiene: un marco teórico, montaje de los circuitos, diagrama de bloques, señal obtenida, resultados, materiales usados, diagrama de bloques del circuito, conclusiones, recomendaciones, referencias y anexos. Fig. 1: Gráfica típica de un ECG. Tomado de [1]

Es una prueba imprescindible para el análisis de las arritmias, estudio de las enfermedades del corazón y especialmente útil en los episodios agudos de la enfermedad

II. OBJETIVOS 1

UNIVERSITARIA DE INVESTIGACION Y DESARROLLO UDI INGENIERIA ELECTRONICA CIRCUITOS II 

Implementar un circuito que sea capaz de captar los pulsos cardiacos y visualizarlos en una pantalla.

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Utilizar componentes electrónicos no programables, para el diseño e implementación del circuito.

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Diseñar el PCB del proyecto en un software que permita ubicar los componentes a conveniencia y necesidad.

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Realizar la etapa de la amplificación de la señal ECG mediante amplificadores y filtros.

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Circuito de Filtraje pasa-bajas de frecuencias de corte de 100Hz. Los filtros pasa-bajas son aquellos que introducen muy poca atenuación a las frecuencias que son menores que una determinada, llamada frecuencia de corte. Las frecuencias que son mayores que la de corte son atenuadas fuertemente.

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Circuito inversor de la señal. Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada, en polaridad, aunque puede ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia que se le da al amplificador en lazo cerrado.

III. MARCO TEORICO Presentando a continuación los fundamentos teóricos que fueron las bases para la elaboración del proyecto. Como principal elemento se utilizó el amplificador AD620 que es básicamente un amplificador de instrumentación de precisión de bajo consumo de potencia y con un voltaje de alimentación de 2.3V a 18 V +/-.

Fig. 2: Amplificador de instrumentación AD620. Tomado de [2]

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Circuito de Filtraje pasa-altas de frecuencias de corte de 0.05Hz. La principal característica de este tipo de filtros, es el atenuar la señal a valores de frecuencia bajos. Algunos filtros pasa altos, no solo tienen efecto atenuador, sino que también provocan un adelantamiento en la fase y derivación en la señal. Un filtro pasa-alta permite el paso a través del mismo de todas las frecuencias superiores a su frecuencia de corte sin atenuación. Las frecuencias por debajo del punto de corte serán atenuadas. Como la frecuencia por debajo del punto de corte se reduce, esta atenuación, definida en db por octava, se incrementa.

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UNIVERSITARIA DE INVESTIGACION Y DESARROLLO UDI INGENIERIA ELECTRONICA CIRCUITOS II MONTAJE DEL ELECTROCARDIOGRAFO A. Cronograma 

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Adquisición de la señal: Mediante electrodos se obtienen las señales del brazo derecho (RA), brazo izquierdo (LA) y pecho (C), pierna derecha (LA), pierna izquierda (LL). Filtrado de la señal ECG: El filtrado de la señal se hizo con filtros pasa-altas y filtro-pasa bajas de cuarto orden; con frecuencias de corte comprendidas en el rango de 0.05 Hz- 100Hz, para esto se usó los amplificadores TL082. Inversión de la señal: Debido a que la señal pasa por la etapa de amplificación y de filtrado, la señal es invertida; debido a esto se realizó un circuito con amplificadores en configuración inversora para que la señal salga correctamente. Amplificación: La amplificación de la señal RA o (BPD) se hizo con la utilización de un amplificador de instrumentación TLO82 y la amplificación de las demás señales se realizó con una ganancia de 73.64, ya que la resistencia del AD620 se configuró en 680Ω y se utilizó una alimentación de 12v +/-.

Tabla 1. Cronograma de actividades para el proyecto. B. Situaciones En la compra de materiales se notó el alto costo del amplificador de instrumentación AD620 al ser un amplificador de precisión de bajo consume y con un rango de voltaje muy bajo para evitar posibles descargas en el paciente que perjudiquen su integridad física. También se percibió lo poco comunes que son estos elementos en los almacenes de electrónica de la ciudad. Complementando conocimientos con el curso de Electrónica II que cursan los estudiantes que presentan este informe se pudo recolectar información sobre el funcionamiento de los amplificadores operacionales y sus distintas configuraciones, siendo esto muy útil para un proyecto en que la señal debe ser amplificada y filtrada. Debido a la dificultad para conseguir materiales se recurrió a distintos fabricantes que regalan muestras, pero la gran mayoría no envían a Colombia, entre ellos el importante fabricante Texas Instruments, pero se encontró otro fabricante con un proceso de petición bastante sencillo, pero no se encontró en sus productos los amplificadores necesarios, pero si dos amplificadores que trabajan con baja tensión y que poseen una ganancia alta, el fabricante es Exar.

Fig. 8. Esquema Definitivo. Tomado de [8]

Se elige este circuito por la cantidad de datos que contiene, al dar información paso a paso del procedimiento hace que la implementación sea mucho más sencilla y didáctica.

A continuación, se mostrará el montaje realizado en váquela con los materiales que se lograron conseguir para realizar el circuito.

Para el diseño de la váquela se utilizó el software de Proteus el cual permite elaborar el esquemático y en base al esquemático elaborar el Pcb.

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Fig. 9. Esquemático del circuito ECG. Se usó conectores de bloque para las entradas de los electrodos (J1) así también para la alimentación dual (J2), J3 corresponde a la salida del circuito. Fig. 11. Pcb en vista 3D. En esta vista se puede apreciar con mucha más claridad la disposición de los componentes, resaltando la labor de diseño en la cual se buscó siempre mantener la simetría en los componentes. De esta manera debería quedar el PCB ya soldado, las dimensiones de la placa son de 7.75x9 cm.

Fig.10. Pcb hecho en Proteus. Para la elaboración del PCB se tuvo en cuenta varios factores de diseño, entre ellos la orientación de los elementos comunes como las resistencias, que permitieran el paso de las pistas y no las obstruyeran; también se tuvo en cuenta la proximidad de los elementos a sus respectivos nodos. Se le añadió al PCB un power plane para reducir los ruidos en la placa. También se contó con la ayuda de puentes (señalados en rojos) para facilitar la tarea de ruteo en aquellos lugares donde es muy difícil rutear en la bottom copper.

Fig. 12. Proceso de soldadura. En esta etapa ya se están soldando los componentes. Para la elaboración de esta placa se utilizó el método del planchado que consiste en la impresión del circuito en papel fotográfico o papel termotransferible con una impresora a laser (sólo es posible con impresora láser) y posteriormente sobre la placa de cobre se coloca el papel y se plancha de 6 a 15 minutos dependiendo la calidad de las tintas y el papel. Al estar transferida el circuito a la placa de cobre se procede a

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UNIVERSITARIA DE INVESTIGACION Y DESARROLLO UDI INGENIERIA ELECTRONICA CIRCUITOS II introducir la placa en ácido férrico que eliminará las partes de cobre que no están protegidas por la tinta. Se debe tener especial cuidado al soldar de no producir cortos con el estaño. Para los puentes más cortos se utilizó el residuo de las patillas cortadas de las resistencias, para los puentes más largos se utilizó cable UTP.

C. Tabla de costos Cantidad 1 25 6 1 4 7

Váquela virgen Resistencias Capacitores AD620 TL082 Electrodos Total

     Fig. 13. Todos los componentes ya en su lugar. En la figura 13 se pueden hacer varias observaciones. Al ser difícil de encontrar una resistencia de 43k (R18) se optó por dos resistencias de 22k en serie. También se utilizaron sócalos para facilitar y prevenir los daños de los IC’S al momento de soldar, también facilitando el reemplazo de los integrados ante posibles fallas. Se puede observar también J1 y J2 los cuales corresponden a las entradas de los electrodos y la alimentación del circuito respectivamente.

Valor total $4.000 $1.250 $4.800 $19.000 $4.000 $45.000 $81.150

IV. CONCLUSIONES Se logra implementar de manera exitosa el ECG. Fue necesario utilizar una fuente dual para la alimentación de los amplificadores. Dificultad en la obtención de los materiales. Gran variedad de circuitos para realizar el proyecto. Dificultad en la generación de la señal que se corrigió con un op-amp TL082 en configuración de inversión. V. Referencias

[1]

W. R. J. O. C. Carlos A. Alva, Diseño y Construcción de un Electrocardiógrafo de bajo costo, Lima: Universidad Ricardo Palma, 2011.

[2] T. Instruments, «Texas Instruments,» 23 Febrero 2016. [En línea]. Available: http://www.ti.com/product/INA128. [Último acceso: 09 Marzo 2017]. [3] Electrocardiografo, «Proyectos Electronica Creativa,» 27 Mayo 2016. [En línea]. Available: https://3.bp.blogspot.com/lsaued6bZhU/VOL7mTEl0lI/AAAAAAAABvw/ALONoC uz8rg/s1600/Esquema_Electronico_ECG_Guarda_Act iva.jpg. [Último acceso: 10 Marzo 2017]. Fig. 14. Circuito en vista posterior (Bottom copper). En la parte inferior se puede observar un agujero de donde saldrá la señal (J3), también al haber una falla en el diseño del esquemático donde no se llevó a tierra la patilla del capacitor 8 se recurrió a un puente entre el capacitor y GND.

[4] Electrocardiografo, «Proyecto Electronica Creativa,» 27 Mayo 2016. [En línea]. Available: http://2.bp.blogspot.com/_SJ9KGFQYFc/VOL97WSPr6I/AAAAAAAABwg/J6ExWj 5

UNIVERSITARIA DE INVESTIGACION Y DESARROLLO UDI INGENIERIA ELECTRONICA CIRCUITOS II V3zAA/s1600/Formula_Filtro_00.jpg. [Último acceso: [12] LEDMAN, «LEDMAN,» [En línea]. Available: 10 Marzo 2017]. http://led-man.com.mx/ledman-que-es-un-ledventajas/. [Último acceso: 17 11 2016]. [5] Electrocardiografo, «Proyectos Electronica Creativa,» 27 Mayo 2016. [En línea]. Available: https://4.bp.blogspot.com/-7XwjLQ4g3rY/VOL97e7zAI/AAAAAAAABv8/G06hT_5WS1o/s1600/Formula_F VI. BIOGRAFÍAS iltro_01.jpg. [Último acceso: 10 Marzo 2017]. [6] Electrocardiografo, «Proyectos Electronica Creatica,» 27 Mayo 2016. [En línea]. Available: http://1.bp.blogspot.com/-iHhTKiDO53E/VOL97cuFKI/AAAAAAAABwA/5_NXLHdkwn4/s1600/Formula _Filtro_02.jpg. [Último acceso: 10 Marzo 2017]. [7] Electrocardiografo, «Proyectos electronica creativa,» 27 Mayo 27 2016. [En línea]. Available: https://2.bp.blogspot.com/Q6WCwEVKbgQ/VOL98KTgutI/AAAAAAAABw8/nFyESqeT7s/s1600/Formula_Filtro_04.jpg. [Último acceso: 10 Marzo 2016].

Jhan Carlos Sarmiento Nieto (1997 – Barrancabermeja) Estudian de Ingeniería Electrónica V semestre – UDI. Bachiller Gimnasio Cristo Rey. Promoción 2013 – Bucaramanga.

[8] electrocardiografo, «proyectos electronica creativa,» 27 Mayo 2016 . [En línea]. Available: http://4.bp.blogspot.com/bxuJM51Ofk8/VOL98VuJ_lI/AAAAAAAABwQ/85tYLib cljg/s1600/Formula_Filtro_05.jpg. [Último acceso: 10 marzo 2017]. [9] wikipedia, «wikimedia,» 16 07 2005. [En línea]. Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e /e8/LEDs.jpg. [10] electroMod, «ebay,» [En línea]. Available: http://www.ebay.es/itm/50x-Resistencias-560-OHM5-1-4w-0-25w-carbon-film-pelicula-/221553657557. [Último acceso: 17 11 2016].

Mauricio Camargo Rueda Estudiante Ingeniería Electrónica IV semestre – UDI Bachiller Fray Nepomuceno Ramas Empleo actual: Plantillero transporte urbano.

[11] KITELECTRONICA, «KITELECTRONICA PROYECTOS Y EXPERIMENTOS,» [En línea]. [Último acceso: 17 11 2016]. 6