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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.
1. Adquisición de una señal ECG
| Valores de condensador disponibles (F ) | ||
| 0.001 | 1 | 100 |
| 0.022 | 2.2 | 220 |
| 0.047 | 4.7 | 470 |
| 0.01 | 10 | 1000 |
| 0.1 | 47 | 2200 |
2. Visualización de la señal ECG mediante el software Instrumention
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.
Los electrocardiógrafos registran la actividad cardíaca del corazón y se utilizan para diagnosticar enfermedades, detectar anomalías y aprender sobre la función cardíaca general. Las señales eléctricas son producidas por contracciones en las paredes del corazón que impulsan las corrientes eléctricas y crean diferentes potenciales en todo el cuerpo. Al colocar electrodos en la piel, se puede detectar y registrar esta actividad eléctrica en un ECG. Los electrocardiogramas no son invasivos, lo que los convierte en una herramienta útil para evaluar el rendimiento de un corazón de los pacientes, por ejemplo, midiendo el rendimiento sanguíneo al órgano.
Este video ilustrará los principios de los ECG y demostrará cómo adquirir, procesar y analizar una señal de ECG típica utilizando un amplificador biopotencial. También se discutirán otras aplicaciones biomédicas que utilizan el procesamiento de señales eléctricas para diagnosticar enfermedades.
Para entender los principios de un ECG, primero entendamos cómo el corazón produce señales eléctricas. Para un corazón normal y saludable, en reposo, un ECG muestra una serie de ondas que reflejan las diferentes fases de un latido del corazón. El ECG comienza en el nodo sinoauricular, también conocido como el nodo SA, que se encuentra en la aurícula derecha y actúa como un marcapasos en el corazón. Las señales eléctricas causan contracción auricular que fuerza la sangre en los ventrículos. Esta secuencia se registra como la onda P en el ECG. Esta señal entonces pasa de las aurículas a través de los ventrículos, haciendo que se contraigan y bombeen sangre al resto del cuerpo. Esto se registra como el complejo QRS.
Finalmente, los ventrículos se relajan y esto se registra como la onda T. El proceso entonces comienza de nuevo y se repite para cada latido del corazón. Observe que la onda QRS es mucho más grande que la onda P, esto se debe a que los ventrículos son más grandes que las aurículas. Lo que significa que enmascaran la relajación de las rías o la onda T. Otros procesos en el cuerpo, como la respiración o las contracciones musculares, pueden interferir con la medición del ECG. Al igual que las corrientes de los circuitos utilizados para obtenerlos. A menudo, las señales eléctricas que el ECG está tratando de registrar son bastante débiles. Por lo que, un amplificador biopotencial se utiliza para aumentar su amplitud que permite que se procesen y graben más.
Hay tres componentes principales para el amplificador biopotencial, la etapa de protección del paciente, el amplificador de instrumentación y el filtro de paso alto. Como lo indica el principal, el circuito de protección del paciente utiliza una combinación de resistencias y diodos para proteger, tanto al paciente como a la máquina y al equipo. Las resistencias limitan la corriente que fluye a través del paciente, donde como los diodos mantienen la corriente fluyendo en la dirección correcta.
La siguiente etapa es el amplificador de instrumentación, que amplifica la diferencia entre las entradas de cada electrodo. Se compone de tres amplificadores operacionales. Dos para aumentar la resistencia de cada entrada, y el tercero para amplificar la diferencia entre las señales de entrada.
La última etapa es el filtro de paso alto, que reduce el ruido y filtra las señales de baja frecuencia derivadas del movimiento del paciente o la respiración. Ahora que ya sabe cómo se mide un ECG, veamos cómo construir un amplificador biopotencial y procesar los datos para obtener una señal de ECG limpia.
Después de haber revisado los principales principios de la electrocardiografía, veamos cómo construir un amplificador biopotencial y adquirir una señal ECG. Para empezar, primero reúna un proto-placa, un amplificador de instrumentación AD-620 y todos los componentes de circuito necesarios. A continuación, calcule los valores de todas las resistencias y capacitores del circuito utilizando la siguiente ecuación.
Para el filtro de paso alto, la frecuencia de corte debe ser de 0,5 hercios.
A continuación, conecte el valor del condensador para determinar la resistencia. A continuación, construya un amplificador biopotencial de acuerdo con el diagrama proporcionado. Esto es lo que el circuito final debe parecer. Conecte tres cables con clips de cocodrilo a los postes de unión de una fuente de alimentación de CC y, a continuación, encienda la fuente de alimentación. Ajuste el voltaje a más cinco voltios y menos cinco voltios, y conecte los cables, en serie, al circuito.
Ahora, use una almohadilla de preparación de alcohol para limpiar la muñeca derecha, la muñeca izquierda y el tobillo derecho de los pacientes. Añadir gel adhesivo conductor a los electrodos antes de colocarlos en el paciente. A continuación, conecte los electrodos al circuito mediante cables con clips de cocodrilo. Encienda el osciloscopio y adquiera la señal ECG. Ajuste las escalas horizontales y verticales según sea necesario. Con estos ajustes, usted debe ser capaz de ver el pico R de la forma de onda.
Conecte el circuito al chasis PXI, luego abra el software de instrumentación y, ya sea, utilice o escriba un programa que muestre la señal ECG y un gráfico de forma de onda.
Configure la interfaz de adquisición de datos con los siguientes ajustes. Etiquete la escala del eje X para mostrar el tiempo y los segundos y, a continuación, muestre la señal ECG como una forma de onda. Si la señal necesita ser amplificada, cree un control de ganancia y establézquelo de modo que la amplitud del ECG sea dos VP.
Ahora que hemos demostrado cómo adquirir una señal de ECG, veamos cómo analizar los resultados. Aquí hay una señal de ECG representativa. Las ondas P, QRS y T apenas son discernibles porque están oscurecidas por el ruido y las fluctuaciones. Esta señal necesita ser filtrada. Para transformar esta señal, primero, seleccione Procesamiento de señal y luego Espectral en el menú. Un algoritmo fast Fourier Transform calcula y traza el espectro de la señal que muestra la frecuencia como valores discretos en el eje horizontal. La mayor parte de la energía de la señal está a bajas frecuencias.
Pero, hay un pico de alta intensidad en el rango de frecuencia media, que se supone que es ruido. La frecuencia se traza como k en el eje horizontal y va de cero a N menos uno sobre dos, donde N es la longitud de la secuencia. Para este experimento, N es igual a 2.000. Calcular la frecuencia analógica para cada valor k utilizando la siguiente ecuación, donde f s es la frecuencia de muestreo y determinar la frecuencia del pico de alta intensidad basado en el gráfico FFT.
A continuación, cree un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte de 100 hercios. Utilice, ya sea, la función Butterworth o Chebyshev para filtrar la señal, que debe atenuar al menos 60 decibelios por década en la banda de parada. Conecte la señal de salida del sub VI de datos a la entrada del filtro de paso bajo. Este filtro elimina las extrañas ondas de alta frecuencia del ECG. Ahora, cree un filtro Bandstop y establezca las frecuencias de corte en alrededor de 55 y 70 hercios.
Para eliminar la señal de ruidoso, alrededor de 60 hercios. A continuación, conecte la salida del filtro de paso bajo a la entrada del filtro Bandstop. Pruebe las frecuencias de borde que están cerca de 60 hercios. Esto reducirá la interferencia sin afectar a otras frecuencias. La señal ECG ahora debe ser clara con complejos P, QRS y T distintos.
Ahora, vamos a determinar la frecuencia cardíaca usando la señal ECG filtrada. En primer lugar, utilice el detector de picos sub VI para encontrar los picos de la señal. Elija el valor más apropiado basado en la amplitud de las señales de la onda R para el umbral. A continuación, utilice el sub VI de matriz de índice para determinar la ubicación de los picos.
Restar la posición de pico inferior de la posición más alta, luego multiplique este valor por el período de muestreo, T, que es igual a uno sobre f s. Este valor es el período de tiempo entre dos ondas R. Ajuste las unidades para determinar los latidos por minuto.
En esta demostración, la frecuencia cardíaca medida fue de aproximadamente 60 latidos por minuto.
El ECG y el procesamiento de señales tienen aplicaciones importantes tanto en la medicina como en la investigación. Además de ser no invasivos, los ECG son relativamente baratos. Convirtiéndola en una herramienta útil y accesible en los hospitales. Los electrocardiogramas pueden incluso adaptarse a un seguimiento más complejo y a largo plazo de los pacientes que están siendo tratados para el síndrome coronario agudo.
Para ello, se utilizan 12 cables de ECG, que pueden identificar isquemia miocárdica transitoria en pacientes asintomáticos. El muestreo y procesamiento de señales también se utiliza en la electroencefalografía para medir las señales eléctricas del cerebro. Los EEG se utilizan comúnmente junto con la RMN funcional como una técnica de imagen multimodal.
El método genera de forma no invasiva mapas corticales de actividad cerebral para muchas aplicaciones de neuroimagen, como después de la activación visual o motora.
Acaba de ver la introducción de Jove para adquirir y analizar señales de ECG. Ahora debe comprender cómo se produce una señal ECG y cómo crear un amplificador biopotencial para detectar señales eléctricas débiles. También ha visto algunas aplicaciones biomédicas del procesamiento de señales para el diagnóstico médico.
Gracias por mirar.
Los electrocardiógrafos registran la actividad cardíaca del corazón y se utilizan para diagnosticar enfermedades, detectar anomalías y aprender sobre la función cardíaca general. Las señales eléctricas se producen por contracciones en las paredes del corazón que impulsan corrientes eléctricas y crean diferentes potenciales en todo el cuerpo. Al colocar electrodos en la piel, se puede detectar y registrar esta actividad eléctrica en un ECG. Los electrocardiogramas no son invasivos, lo que los convierte en una herramienta útil para evaluar el rendimiento del corazón de un paciente, por ejemplo, midiendo el flujo de sangre al órgano.
Este video ilustrará los principios de los ECG y demostrará cómo adquirir, procesar y analizar una señal de ECG típica utilizando un amplificador de biopotencial. También se discutirán otras aplicaciones biomédicas que utilizan el procesamiento de señales eléctricas para diagnosticar enfermedades.
Para entender los principios de un ECG, primero entendamos cómo el corazón produce señales eléctricas. Para un corazón normal y sano, en reposo, un ECG muestra una serie de ondas que reflejan las diferentes fases de un latido cardíaco. El ECG comienza en el nódulo sinoauricular, también conocido como nódulo SA, que se encuentra en la aurícula derecha y actúa como un marcapasos en el corazón. Las señales eléctricas causan una contracción auricular que obliga a la sangre a entrar en los ventrículos. Esta secuencia se registra como la onda P en el ECG. Esta señal pasa desde las aurículas a través de los ventrículos, lo que hace que se contraigan y bombeen sangre al resto del cuerpo. Esto se registra como el complejo QRS.
Finalmente, los ventrículos se relajan y esto se registra como la onda T. Luego, el proceso comienza de nuevo y se repite cada latido del corazón. Nótese que la onda QRS es mucho más grande que la onda P, esto se debe a que los ventrículos son más grandes que las aurículas. Es decir, enmascaran la relajación de las aurículas o de la onda T. Otros procesos del cuerpo, como la respiración o las contracciones musculares, pueden interferir con la medición del ECG. Al igual que las corrientes de los circuitos utilizados para obtenerlas. A menudo, las señales eléctricas que el ECG intenta registrar son bastante débiles. Por lo tanto, se utiliza un amplificador de biopotencial para aumentar su amplitud, lo que permite su posterior procesamiento y registro.
Hay tres componentes principales en el amplificador de biopotencial, la etapa de protección del paciente, el amplificador de instrumentación y el filtro de paso alto. Como sugiere el principal, el circuito de protección del paciente utiliza una combinación de resistencias y diodos para proteger, tanto al paciente como a la máquina y el equipo. Las resistencias limitan la corriente que fluye a través del paciente, mientras que los diodos mantienen la corriente fluyendo en la dirección correcta.
La siguiente etapa es el amplificador de instrumentación, que amplifica la diferencia entre las entradas de cada electrodo. Está compuesto por tres amplificadores operacionales. Dos para aumentar la resistencia de cada entrada, y el tercero para amplificar la diferencia entre las señales de entrada.
La última etapa es el filtro de paso alto, que reduce el ruido y filtra las señales de baja frecuencia que surgen del movimiento o la respiración del paciente. Ahora que ya sabes cómo se mide un ECG, veamos cómo construir un amplificador de biopotencial y procesar los datos para obtener una señal de ECG limpia.
Una vez revisados los principales principios de la electrocardiografía, veamos cómo construir un amplificador de biopotencial y adquirir una señal de ECG. Para empezar, primero reúna una protoplaca, un amplificador de instrumentación AD-620 y todos los componentes de circuito necesarios. Luego, calcule los valores de todas las resistencias y condensadores en el circuito usando la siguiente ecuación.
Para el filtro de paso alto, la frecuencia de corte debe ser de 0,5 hercios.
Luego, conecte el valor del condensador para determinar la resistencia. A continuación, construya un amplificador de biopotencial de acuerdo con el diagrama proporcionado. Así es como debería verse el circuito final. Conecte tres cables con pinzas de cocodrilo a los postes de unión de una fuente de alimentación de CC, luego encienda la fuente de alimentación. Ajuste el voltaje a más cinco voltios y menos cinco voltios, y conecte los cables, en serie, al circuito.
Ahora, use una almohadilla de preparación con alcohol para limpiar la muñeca derecha, la muñeca izquierda y el tobillo derecho del paciente. Agregue gel adhesivo conductor a los electrodos antes de colocarlos en el paciente. Luego, conecte los electrodos al circuito usando cables con pinzas de cocodrilo. Encienda el osciloscopio y adquiera la señal de ECG. Ajuste las escalas horizontales y verticales según sea necesario. Con estos ajustes, deberías poder ver el pico R de la forma de onda.
Conecte el circuito al chasis PXI, luego abra el software de instrumentación y, ya sea, use o escriba un programa que mostrará la señal de ECG y un gráfico de forma de onda.
Configure la interfaz de adquisición de datos con los siguientes ajustes. Etiquete la escala del eje x para mostrar el tiempo y los segundos y, a continuación, muestre la señal de ECG como una forma de onda. Si es necesario amplificar la señal, cree un control de ganancia y configúrelo de modo que la amplitud del ECG sea de dos VP.
Ahora que hemos demostrado cómo adquirir una señal de ECG, veamos cómo analizar los resultados. Aquí hay una señal de ECG representativa. Las ondas P, QRS y T son apenas perceptibles porque están oscurecidas por el ruido y las fluctuaciones. Esta señal necesita ser filtrada. Para transformar esta señal, primero, seleccione Procesamiento de señal y luego Espectral en el menú. Un algoritmo de transformada rápida de Fourier calcula y traza el espectro de la señal mostrando la frecuencia como valores discretos en el eje horizontal. La mayor parte de la energía de la señal se encuentra a bajas frecuencias.
Sin embargo, hay un pico de alta intensidad en el rango de frecuencia media, que se supone que es ruido. La frecuencia se representa como k en el eje horizontal y va de cero a N menos uno sobre dos, donde N es la longitud de la secuencia. Para este experimento, N es igual a 2.000. Calcule la frecuencia analógica para cada valor k utilizando la siguiente ecuación, donde f s es la frecuencia de muestreo y determine la frecuencia del pico de alta intensidad basándose en el gráfico FFT.
A continuación, cree un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte de 100 hercios. Utilice la función de Butterworth o Chebyshev para filtrar la señal, que debe atenuar al menos 60 decibelios por década en la banda de parada. Conecte la señal de salida del sub VI de datos a la entrada del filtro de paso bajo. Este filtro elimina las ondas extrañas de alta frecuencia del ECG. Ahora, crea un filtro de parada de banda y establece las frecuencias de corte en torno a los 55 y 70 hercios.
Para eliminar la señal ruidosa, alrededor de 60 hercios. A continuación, conecte la salida del filtro de paso bajo a la entrada del filtro de parada de banda. Pruebe frecuencias de borde cercanas a los 60 hercios. Esto reducirá la interferencia sin afectar a otras frecuencias. La señal de ECG ahora debería ser clara con distintos complejos P, QRS y T.
Ahora, vamos a determinar la frecuencia cardíaca utilizando la señal de ECG filtrada. Primero, use el detector de picos sub VI para encontrar los picos de la señal. Elija el valor más apropiado en función de la amplitud de las señales de la onda R para el umbral. A continuación, utilice la matriz de índices sub VI para determinar la ubicación de los picos.
Reste la posición del pico inferior de la posición superior, luego multiplique este valor por el período de muestreo, T, que es igual a uno sobre f s. Este valor es el tiempo que transcurre entre dos ondas R. Ajuste las unidades para determinar las pulsaciones por minuto.
En esta demostración, la frecuencia cardíaca medida fue de aproximadamente 60 latidos por minuto.
El ECG y el procesamiento de señales tienen aplicaciones importantes tanto en medicina como en investigación. Además de ser no invasivos, los ECG son relativamente baratos. Lo que la convierte en una herramienta útil y accesible en los hospitales. Los ECG pueden incluso adaptarse a un seguimiento más complejo y a largo plazo de los pacientes que están siendo tratados por Síndrome Coronario Agudo.
Para ello, se utilizan 12 derivaciones de ECG, que pueden identificar isquemia miocárdica transitoria en pacientes asintomáticos. El muestreo y procesamiento de señales también se utiliza en la electroencefalografía para medir las señales eléctricas del cerebro. Los EEG se utilizan comúnmente junto con la resonancia magnética funcional como técnica de imagen multimodal.
El método genera de forma no invasiva mapas corticales de la actividad cerebral para muchas aplicaciones de neuroimagen, como después de la activación visual o motora.
Acabas de ver la introducción de Jove a la adquisición y análisis de señales de ECG. Ahora debería comprender cómo se produce una señal de ECG y cómo crear un amplificador de biopotencial para detectar señales eléctricas débiles. También ha visto algunas aplicaciones biomédicas del procesamiento de señales para el diagnóstico médico.
Gracias por mirar.
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