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Simulador de Electrocardiograma (ECG) Temperatura LM35 Telemedicina Maria Valentina Castañeda Palomino, Daniel Santiago Martínez Vásquez. Facultad de Ingeniería Biomédica Universidad Manuela Beltrán [email protected], [email protected]

Resumen- Este documento presenta el diseño de un circuito electrónico conocido como simulador de ECG, a partir de un transistor UJT (Unijunction Transistor) que genera señales para dispositivos de control de potencia. El UJT configurado como un oscilador de relajación arroja una señal delta que mediante su respectivo tratamiento con el uso de amplificadores operacionales como lo son el LF353 y el INA128 se logra reconstruir en un complejo QRS visualizado en diferentes frecuencias cardiacas, en un rango de 30-120 latidos por minuto (lpm), el desarrollo de un simulador de ECG es de gran ayuda para un Ingeniero Biomédico en el momento de calibrar y comprobar el buen funcionamiento de un equipo médico, específicamente el de un electrocardiógrafo o monitor de signos vitales, evitando la conexión de un sujeto. Adicional a lo nombrado anteriormente, se implementa el uso de un puerto serial de audio para transmitir la señal creada a un monitor y poder ser observada y analizada, como es una señal simulada de ECG el respectivo análisis es obtener las PPM (Pulsaciones Por Minuto), un control de ganancia y control de tiempo, este análisis e interface de simulación se hace mediante el Software LabView.

Palabras claves: Transistor UJT, Electrocardiógrafo, complejo QRS, amplificadores operacionales y de instrumentación, Sensor LM35, LabView. Abstract- This document presents the design of an electronic circuit known as an ECG simulator, from a transistor UJT (Unijunction Transistor) that generates signals for power control devices. The UJT configured as a relaxation oscillator throws a delta signal that through its respective treatment with the use of operational amplifiers such as the LF353 and the INA128 can be reconstructed in a QRS complex visualized in different heart frequencies, in a range of 30- 120 beats per minute (bpm), the development of an ECG simulator is of great help for a Biomedical Engineer when calibrating and checking the proper functioning of a medical device, specifically that of an electrocardiograph or vital signs monitor, avoiding the connection of a subject. In addition to the aforementioned, the use of a serial audio port is implemented to transmit the created signal to a monitor and be able to be observed and analyzed, as it is a simulated ECG signal the respective analysis is to obtain the PPM (Pulse per Minute). a gain control and time control, this analysis and simulation interface is done through the LabView Software.

Keywords: UJT transistor, Electrocardiograph, QRS complex, operational and instrumentation amplifiers, LM35 Sensor, LabView.

I. INTRODUCCIÓN El registro de las señales eléctricas del corazón se hace por medio de un monitor de signos vitales o un electrocardiógrafo, el electrocardiógrafo registra la suma algebraica de los potenciales de acción de las células del miocardio, los datos y tipos de ondas se visualizan y analizan en un examen llamado electrocardiograma. El simulador de ECG tiene gran utilidad en la calibración de estos equipos médicos, representando el complejo QRS que refleja la despolarización de los ventrículos y la repolarización de las aurículas. Por medio de una variación de frecuencias se garantiza la representación de una bradicardia o taquicardia con los rangos de frecuencia cardiaca de 30-120 lpm, comprobando así el funcionamiento del electrocardiógrafo sin la necesidad de ser un paciente conectado, facilitando su diseño al ser un circuito puramente analógico y de bajo costo para su implementación. La digitalización de señales analógicas es de gran importancia para la transmisión de datos en la implementación de la telemedicina, es decir, servicios de salud a distancia. A través de estos servicios se pueden realizar la comunicación y visualización de variables fisiológicas del paciente y transmitirlas al profesional de la salud, quien realiza su diagnóstico, facilitando la movilidad y atención del paciente. II. OBJETIVOS General Diseñar e implementar un circuito electrónico que sea capaz de simular o imitar la señal electrocardiográfica humana a cuatro frecuencias diferentes 30, 60, 90, 120 latidos por minuto (lpm), y digitalizar la señal creada en el Software LabView.

Específicos  Implementar el uso de un transistor mono-unión (UJT) de referencia 2N2646 en configuración de oscilador de relajación para la obtención de señales deltas.  Realizar etapas de amplificación, acondicionamiento (filtrado) e integración de las señales delta haciendo uso de amplificadores como el LF353 e INA128.  Identificar mediante el uso de una resistencia variable y la configuración del circuito interno del UJT la resistencia fija de cada una de las frecuencias.  Utilizar el puerto serial de Audio para la adquisición digital de la señal.  Visualizar la señal digitalizada en LabView  Utilizar puerto serial con Arduino para implementar un termómetro con sensor LM35 (lectura de temperatura).

η=R1/RBB Ecuación 2: factor de relación intrínseca

Si la corriente del emisor es mayor al corriente pico se entra en una zona de resistencia negativa, donde la resistencia total de base RBB varía en función de la corriente emisor (IE). Oscilado de Relajación con UJT

Figura 2: circuito oscilador de relajación y diagrama temporal, Fuente Maloney, Timothy J. Electronica Industrial, 5ta Ed. Pearson Educación 2006.

III. MARCO TEÓRICO Transistor UJT (Unijunction Transistor) El transistor UJT es implementado con mayor frecuencia en circuitos generadores de pulsos de disparo, como es el caso de los TRIACS. Se compone básicamente de dos bases (base1 y base2) y un emisor:

El UJT se dispara cuando el capacitor se carga, es decir el UJT obtiene un voltaje máximo de disparo, el capacitor se descarga a través de los terminales de emisor y base1 (E-B1), tomando una señal de salida en l resistencia de base1 (RB1). El capacitor se descarga hasta alcanzar un voltaje valle, aproximadamente de 2,5v, provocando que el transistor UJT se apague, dejando de conducir entre E-B1, retomando de nuevo su carga. Amplificador Operacional LF353

Figura 1: circuito equivalente del transistor UJT

(Unijunction Transistor) El funcionamiento de un UJT se basa en el control de las resistencias respectivas de las bases, RB1RB2, que son excitadas por un diodo mediante una tensión aplicada al emisor (E), cuando el diodo no se encuentra polarizado o polarizado a la inversa este no conduce y la caída de tensión en R1 se expresa como: V1 = nvB1B2 Ecuación 1: caída de tensión en R1 Donde vB1B2 es la diferencia de tensión entre las bases del UJT.

Figura 3: Empaquetado de doble hilera, pines, Fuente http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf353-n.pdf

Dispositivo electrónico, amplificador de señales de corriente eléctrica reconocido por su alta impedancia de entrada que permite obtener óptimos desarrollos en la amplificación de voltaje y corriente. Algunas de sus características son:     

Voltaje Max 18v Bajo consumo de potencia Ancho de banda típico: 3 MHz Voltaje offset de entrada: 5 mV típico Corriente de polarización baja: 50 pA

 Bajo ruido en el voltaje y corriente de entrada Amplificador de Instrumentación INA128 Los amplificadores de instrumentación deben cumplir con ciertos requisitos, para su buen funcionamiento como lo son:  Ganancia: seleccionable, estable, lineal.  Entrada diferencial: con CMRR alto.  Error despreciable debido a las corrientes y tensiones de offset  Impedancia de entrada alta  Impedancia de salida baja

Incluso no es necesario de un microprocesador o microcontrolador para medir la temperatura. Dado que el sensor LM35 es analógico, basta con medir con un multímetro, el voltaje a salida del sensor. Para convertir el voltaje a la temperatura, el LM35 proporciona 10mV por cada grado centígrado. También cabe señalar que ese sensor se puede usar sin offset, es decir que si medimos 20mV a la salida, estaremos midiendo 2°C.

El circuito de un amplificador de instrumentación se basa en tres amplificadores operacionales:

Figura 6: pines del LM35

Figura 4: composicion interna de un circuito de instrumentacion, Fuente http://www.unet.edu.ve/~ielectro/42AmplificadorInstrumentacion.pdf

Figura 5: pines del INA128, Fuente http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina129.pdf

SENSOR DE TEMPERATURA LM35

El LM35 es un circuito electrónico sensor que puede medir temperatura. Su salida es analógica, es decir, te proporciona un voltaje proporcional a la temperatura. El sensor tiene un rango desde −55°C a 150°C. Su popularidad se debe a la facilidad con la que se puede medir la temperatura.

IV.MATERIALES Y EQUIPOS         

Transistor UJT 2N26246 Amplificadores operacionales LF353 Amplificador de instrumentación INA128 Capacitores de 0.05uF,4,7uF,100uF Potenciómetro de 1k,50k Trimmer de 500k Resistencias de 270 Ω ,330 Ω ,1k,4.7k,10k Dip switch de 4 posiciones PC con LabView

 Osciloscopio  Multímetro

V. DISEÑO Y PROCEDIMIENTO

El código en diagrama de bloques, tiene como función adquirir la señal simulada de ECG analógica mediante el puerto serial de audio durante un tiempo (segundos) establecido por el usuario, luego la señal es filtrada con un filtro pasa-banda de 0,2-2,5 Hz y se visualiza en un osciloscopio, para obtener las PPM (pulsaciones por minuto) se implementa un detector de picos, esta cantidad se multiplica por el resultado de dividir 60 entre el tiempo de muestreo, para la detección de picos se dejó un límite superior de 0,37 para que así no detecte el pico de la onda T, sino solo el de la onda R. Figura 6: diseño del simulador de ECG, en proteus.

Se realiza la búsqueda de valores resistivos para cada una de las frecuencias cardiacas a encontrar, para ello se implementó un trimer de 500k, que permite variar la frecuencia de la señal, para saber qué frecuencia cardiaca se encuentra en cierta posición del trimer, se halla la distancia que hay entre los picos R de la onda QRS del ECG, de esta forma el osciloscopio muestra la frecuencia (en Hz) que tiene la señal, siendo esta multiplicada por sesenta (60), si corresponde con la frecuencia cardiaca deseada se procede a tomar el valor resistivo que marca el trimmer, se hace el mismo procedimiento para cada una de las frecuencias 30,60,90 y 120 lpm. Reemplazando al final el trimmer por un dip switch de 4 posiciones con cuatro resistencias alimentando el emisor del transistor UJT. Los valores de resistencia son: 648k------30lpm 325k------60lpm 236k------90lpm 168k------120lpm

Ecuación 3: Determinación de PPM

VI. RESULTADOS

Simulaciones:

Figura 8: simulación Fc = 30 lpm, Fuente tomada por el autor

Código LabView Adquisición de Señal Digital

Figura 9: simulación Fc = 30 lpm, Fuente tomada por el autor Figura 7: Código Digitalización de la señal ECG, en LabView.

Señales de cuatro frecuencias cardiacas obtenidas en el osciloscopio:

Figura 10: señal obtenida del osciloscopio Fc = 30 lpm, Fuente tomada por el autor

Figura 11: señal obtenida del osciloscopio Fc = 60 lpm, Fuente tomada por el autor

Señal Digitalizada en LabView

Figura 14: Interface en LabView Fuente tomada por el autor

Figura 15: ECG 30 PPM Fuente tomada por el autor

Figura 12: señal obtenida del osciloscopio Fc = 90 lpm, Fuente tomada por el autor Figura 16: ECG 60 PPM Fuente tomada por el autor

Figura 13: señal obtenida del osciloscopio Fc = 120 lpm, Fuente tomada por el autor

Figura 17: ECG 90 PPM Fuente tomada por el autor

VII. Análisis de resultados

Figura 17: ECG 120 PPM Fuente tomada por el autor TERMOMETRO EN LABVIEW

Figura 18: Interface Lectura de Temperatura del Sensor LM35 Fuente tomada por el autor

En la práctica se encontró que la búsqueda de valores resistivos con un potenciómetro de 250k para las frecuencias de 30,60, 90 y 120 lpm era muy inexacto por su sensibilidad en el giro de grados, por tal motivo se procedió a cambiar el potenciómetro de 250k por un trimmer de 500k, el trimmer presenta mayor precisión y facilita encontrar con exactitud de los valores resistivos relacionados a cada frecuencia. Para la debida reconstrucción de la señales delta en complejos QRS, se implementa el uso de dos amplificadores operacionales en configuración integrador con el fin de invertir 180° la señal negativa del primer operacional, así se obtienen dos señales, una negativa y otra positiva, que al ser ingresadas al INA128 se unen formando el complejo QRS, para la ganancia de la señal se dejó un RG variable potenciómetro de 1k y se ubicó otro de 50k para el ajuste de amplitud de la onda s u onda negativa del complejo QRS. Los resultados obtenidos en LabView de la señal digitalizada se pueden obtener más precisos, si se maneja o adecua los tiempos, como el tiempo de muestre de la señal, tiempo de adquisición del puerto serial de sonido y el tiempo de ciclo. Al obtener la lectura del sensor LM35 en LabView, como es tan rápido que se realiza la lectura los valores no se quedan estáticos si no, que varían y no se logra observar adecuadamente el valor, para ello se solucionó con la implementación de un delay en el ciclo while de lectura, por un valor de 2000ms. VIII. Conclusiones

Figura 19: Código Lectura de Temperatura del Sensor LM35 Fuente tomada por el autor

El código en diagrama de bloques del termómetro en LabView, se basa en la lectura análoga del sensor LM35 por un puerto serial USB con Arduino, para ello se define el pin de lectura de voltaje del sensor, y posteriormente se realiza un factor de conversión teniendo en cuenta que el sensor LM35 se caracteriza por retornar 10mV por 1 grado centígrado. Así el factor de conversión, es un factor multiplicativo del valor de voltaje análogo leído por 100 para obtener la respectiva temperatura.

Para que el transistor UJT (Unijunction Transistor) funcione como un oscilador de relajación hay un rango de resistencias efectivo, debido a que hay un voltaje mínimo, una corriente mínima, un voltaje máximo y una corriente máxima para el UJT (Unijunction Transistor). El diseño e implementación de un simulador de ECG ahorra tiempo de espera en mantenimientos preventivos o correctivos al equipamiento biomédico de un centro de salud. Este diseño de ECG no es completo debido a que solo se representa el complejo QRS y onda T, sabiendo que un electrocardiograma da como resultado todas las ondas como lo es la onda P, complejo QRS y onda T, aun así el diseño es eficiente

ya que este complejo presenta gran variedad de información de la frecuencia cardiaca. No fue necesario implementar filtros analógicos, debido a que LabView permite diseñar filtros digitales, que tienen como característica mayor precisión y no adicionan ruido a la señal. REFERENCIAS [1] [2]

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Maloney, Timothy J. Electronica Industrial, 5ta Ed. Pearson Educación 2006. Moreno Velasco I, (2012); EL AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN Apuntes de Instrumentación Electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica. Anaya Pérez S, Alberto Hernández D;(2013); SIMULADOR DE ELECTROCARDIOGRAMA (ECG), en línea de: http://vinculacion.dgire.unam.mx/MemoriaCongreso-2013/trabajos-areas-convergentes/3.pdf; consultado: 11/08/2018. Bayés de Luna, Antoni. Bases de la electrocardiografía; Semiología de la Electrocardiografía I: Génesis del ECG y patrones de normalidad. Prous Science, pp. 51-52, 2006.