Adquisición y análisis de una señal eclocardiografía (electrocardiografía)

Biomedical Engineering

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Overview

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:

Figure 1
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.

Figure 2
Figura 2. Cables de extremidades de ECG.

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JoVE Science Education Database. Ingeniería Biomédica. Adquisición y análisis de una señal eclocardiografía (electrocardiografía). JoVE, Cambridge, MA, (2020).

Principles

El electrocardiógrafo debe ser capaz de detectar no sólo señales extremadamente débiles que van desde 0,5 mV a 5,0 mV, sino también un componente de CC de hasta 300 mV (resultado del contacto con la piel del electrodo) y un componente de modo común de hasta 1,5 V, que resulta del potencial entre los electrodos y el suelo. El ancho de banda útil de una señal ECG depende de la aplicación y puede variar de 0.5-100 Hz, llegando a veces hasta 1 kHz. Generalmente es alrededor de 1 mV pico a pico en presencia de ruido externo de alta frecuencia mucho mayor, interferencia de 50 o 60 Hz, y potencial de desplazamiento del electrodo de CC. Otras fuentes de ruido incluyen el movimiento que afecta a la interfaz piel-electrodo, contracciones musculares o picos electromiográficos, respiración (que puede ser rítmica o esporádica), interferencia electromagnética (EMI) y ruido de otros dispositivos electrónicos esa pareja en la entrada.

En primer lugar, se producirá un amplificador biopotencial para procesar el ECG. Luego, se colocarán electrodos en el paciente para medir la diferencia potencial entre dos brazos. La función principal de un amplificador biopotencial es tomar una señal eléctrica débil de origen biológico y aumentar su amplitud para que pueda ser procesado, grabado o visualizado.

Figure 3
Figura 3. Amplificador ECG.

Para ser útiles biológicamente, todos los amplificadores biopotenciales deben cumplir ciertos requisitos básicos:

  • Deben tener una alta impedancia de entrada para que proporcionen una carga mínima de la señal que se está midiendo. Los electrodos biopotenciales pueden verse afectados por su carga, lo que conduce a la distorsión de la señal.
  • El circuito de entrada de un amplificador biopotencial también debe proporcionar protección al sujeto que se está estudiando. El amplificador debe tener circuitos de aislamiento y protección para que la corriente a través del circuito del electrodo se pueda mantener en niveles seguros.
  • El circuito de salida controla la carga, que suele ser un dispositivo de indicación o grabación. Para obtener la máxima fidelidad y rango en la lectura, el amplificador debe tener baja impedancia de salida y ser capaz de suministrar la potencia requerida por la carga.
  • Los amplificadores biopotenciales deben funcionar en el espectro de frecuencias en el que existen los biopotenciales que amplifican. Debido al bajo nivel de tales señales, es importante limitar el ancho de banda del amplificador para obtener relaciones óptimas de señal a ruido. Esto se puede hacer usando filtros.

El cuadro 3 es un ejemplo de un amplificador ECG, y el cuadro 4 es el circuito del amplificador ECG que se construye durante esta demostración. Tiene tres etapas principales: el circuito de protección, el amplificador de instrumentación y el filtro de paso alto.

Figure 4
Figura 4. Amplificador biopotencial.

La primera etapa es el circuito de protección del paciente. Un diodo es un dispositivo semiconductor que conduce la corriente en una dirección. Cuando un diodo está sesgado hacia adelante, el diodo actúa como un cortocircuito y conduce la electricidad. Cuando un diodo es sesgado inverso, actúa como un circuito abierto y no conduce la electricidad,I r 0.

Cuando los diodos están en la configuración sesgada hacia adelante hay una tensión conocida como la tensión de umbral (VT - aproximadamente 0.7 V) que debe ser excedida para que el diodo conduzca la corriente. Una vez que se ha excedido el VT, la caída de tensión a través del diodo permanecerá constante en VT independientemente de lo que Ven.

Cuando el diodo es sesgado inverso el diodo actuará como en el circuito abierto y la caída de voltaje a través del diodo será igual a Ven.

La Figura 5 es un ejemplo de un circuito de protección simple basado en diodos que se utilizarán en esta demostración. La resistencia se utiliza para limitar la corriente que fluye a través del paciente. Si un fallo en el amplificador de instrumentación o diodos cortocircuita la conexión del paciente con uno de los rieles de alimentación, la corriente sería inferior a 0,11 mA. Los diodos de baja fuga FDH333 se utilizan para proteger las entradas del amplificador de instrumentación. Siempre que la tensión en el circuito supere 0,8 V de magnitud, los diodos cambian a su región activa o estado "ON"; la corriente fluye a través de ellos y protege tanto al paciente como a los componentes electrónicos.

Figure 6
Figura 5. Circuito de protección.

La segunda etapa es el amplificador de instrumentación, IA, que utiliza tres amplificadores operacionales (op-amp). Hay un amplificador de operación conectado a cada entrada para aumentar la resistencia de entrada. El tercer amplificador op es un amplificador diferencial. Esta configuración tiene la capacidad de rechazar la interferencia referida a tierra y amplificar solamente la diferencia entre las señales de entrada.

Figure 7
Figura 6. Amplificador de instrumentación.

La tercera etapa es el filtro de paso alto, que se utiliza para amplificar un pequeño voltaje de CA que se monta encima de un voltaje de CC grande. El ECG se ve afectado por señales de baja frecuencia que provienen del movimiento del paciente y la respiración. Un filtro de paso alto reduce este ruido.

Los filtros de paso alto se pueden realizar con circuitos RC de primer orden. La figura 7 muestra un ejemplo de un filtro de paso alto de primer orden y su función de transferencia. La frecuencia de corte se da mediante la siguiente fórmula:

Equation 1,Equation 2
Equation 3  Figure 8
Figure 9

Figura 7. Filtro de paso alto.

Procedure

1. Adquisición de una señal ECG

  1. Ajuste el voltaje de las fuentes a +5 V y -5 V y conéctelas en serie.
  2. Construya el circuito mostrado en el cuadro 4. Calcule los valores de las resistencias y capacitores. Para el filtro de paso alto, la frecuencia de corte debe ser de 0,5 Hz. El valor del condensador se debe elegir de la tabla siguiente (según disponibilidad).
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

Equation 4

  1. Coloque los electrodos en el brazo derecho, el brazo izquierdo y la pierna derecha (esto es referencia) del paciente y conéctelos al circuito.
  2. Utilice el osciloscopio para ver la señal ECG (Vo). Pulse Ajuste automático y ajuste las escalas horizontal y vertical según sea necesario. Usted debe ser capaz de ver los picos R a pesar del ruido en la señal.

2. Visualización de la señal ECG mediante el software Instrumention

  1. En esta demostración usamos LabVIEW. Escriba un programa que muestre la señal ECG utilizando una interfaz gráfica para configurar mediciones y un gráfico de forma de onda. Una vez seleccionada una entrada analógica, configure el programa con los siguientes ajustes:
  • Rango de entrada de señal >> Máx. 0,5; Mínimo -0,5
  • Configuración del terminal >> RSE
  • Modo de adquisición >> continuo
  • Muestras para leer 2000
  • Frecuencia de muestreo 1000
  1. Adquiera la señal ECG y observe la forma de onda. Verá una señal similar a la Figura 1.
  2. Ajuste la escala del eje X para mostrar el tiempo en segundos.
  3. A menudo es necesario en la instrumentación para amplificar la señal de interés a una amplitud específica. Cree un control de ganancia y establézquelo de modo que la amplitud del ECG sea 2 Vp.

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.
Figure 10

    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.

    Results

    En esta demostración, tres electrodos se conectaron a un individuo, y la salida pasó a través de un amplificador biopotencial. A continuación se muestra un gráfico ECG de ejemplo antes del filtrado digital (Figura 8).

    Figure 13
    Figura 8. Señal ECG sin filtrado digital.

    Después de diseñar los filtros y alimentar los datos al algoritmo desarrollado, los picos en el gráfico fueron detectados y utilizados para calcular la frecuencia de latidos del corazón (BPM). La Figura 9 muestra los datos sin procesar de una señal ECG (antes de cualquier filtrado) en el dominio de tiempo y frecuencia. La Figura 10 muestra el resultado del filtrado de esa señal.

    Figure 11

    Figura 9. Señal ECG antes de filtrar.

    Figure 14
    Figura 10. Señal ECG filtrada.

    La gráfica eclostra original tenía complejos P, QRS y T ligeramente visibles que presentaban muchas fluctuaciones del ruido. El espectro de la señal ECG también mostró un pico claro a 65 Hz, que se suponía que era ruido. Cuando la señal se procesó utilizando un filtro de paso bajo para eliminar porciones de alta frecuencia extrañas y luego un filtro de parada de banda para eliminar el componente de señal de 65 Hz, la salida parecía significativamente más limpia. El ECG muestra cada componente de la señal claramente con todo el ruido eliminado.

    Además, la frecuencia cardíaca medida fue de aproximadamente 61.8609 latidos por minuto.

    Applications and Summary

    La contracción del músculo cardíaco durante el ciclo cardíaco produce corrientes eléctricas dentro del tórax. Las caídas de tensión a través del tejido resistivo son detectadas por electrodos colocados en la piel y registrados por un electrocardiógrafo. Dado que el voltaje es débil, en el rango de 0,5 mV, y pequeño en comparación con la magnitud del ruido, es necesario procesar y filtrar la señal. En este experimento, un dispositivo de electrocardiógrafo que consiste en un circuito de procesamiento de señal analógica y digital de dos partes fue diseñado para analizar la señal ECG resultante, y calcular la frecuencia de latidos del latido.

    Esta demostración introdujo los fundamentos de los circuitos electrónicos y el filtrado de las señales ECG. Aquí, se utilizaron técnicas prácticas de procesamiento de señales para extraer una señal débil de un fondo ruidoso. Estas técnicas se pueden utilizar en otras aplicaciones similares donde se requiere amplificación de señal y reducción de ruido.

    Lista de materiales

    Nombre Empresa Número de catálogo Comentarios
    Equipo
    Fuente de alimentación Precisión b&K 1760A
    Multímetro
    Osciloscopio
    Proto-board
    4 diodos FDH333
    1 AD620
    3 Resistencia de 47k
    2 condensadores 100nF
    3 electrodos ECG
    Varios clips de cocodrilo y sonda Tektronix.

    1. Adquisición de una señal ECG

    1. Ajuste el voltaje de las fuentes a +5 V y -5 V y conéctelas en serie.
    2. Construya el circuito mostrado en el cuadro 4. Calcule los valores de las resistencias y capacitores. Para el filtro de paso alto, la frecuencia de corte debe ser de 0,5 Hz. El valor del condensador se debe elegir de la tabla siguiente (según disponibilidad).
    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

    Equation 4

    1. Coloque los electrodos en el brazo derecho, el brazo izquierdo y la pierna derecha (esto es referencia) del paciente y conéctelos al circuito.
    2. Utilice el osciloscopio para ver la señal ECG (Vo). Pulse Ajuste automático y ajuste las escalas horizontal y vertical según sea necesario. Usted debe ser capaz de ver los picos R a pesar del ruido en la señal.

    2. Visualización de la señal ECG mediante el software Instrumention

    1. En esta demostración usamos LabVIEW. Escriba un programa que muestre la señal ECG utilizando una interfaz gráfica para configurar mediciones y un gráfico de forma de onda. Una vez seleccionada una entrada analógica, configure el programa con los siguientes ajustes:
    • Rango de entrada de señal >> Máx. 0,5; Mínimo -0,5
    • Configuración del terminal >> RSE
    • Modo de adquisición >> continuo
    • Muestras para leer 2000
    • Frecuencia de muestreo 1000
    1. Adquiera la señal ECG y observe la forma de onda. Verá una señal similar a la Figura 1.
    2. Ajuste la escala del eje X para mostrar el tiempo en segundos.
    3. A menudo es necesario en la instrumentación para amplificar la señal de interés a una amplitud específica. Cree un control de ganancia y establézquelo de modo que la amplitud del ECG sea 2 Vp.

    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.
    Figure 10

      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.

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