Análisis, diseño e implementación de un sistema modular de registro de variables cardíacas - Ramírez Hernández, Juan Fabián (My University, 2019)
El avance y mejoramiento en la creación de dispositivos y componentes electrónicos permiten una gran cantidad de opciones diferentes para el diseño de instrumentos electrónicos de medición. Gran parte de estos dispositivos, como electrocardiógrafos y oxímetros de pulso son fabricados exclusivamente para el Sector Salud, dejando a un lado el área académica donde se requieren también este tipo de instrumentos para la investigación y práctica en los laboratorios de ingeniería biomédica. El objetivo de este proyecto fue desarrollar un dispositivo que funcione como herramienta de aprendizaje para conocer las principales técnicas de amplificación y filtrado de señales, así como las configuraciones electrónicas usadas en la medición y procesamiento de señales bioeléctricas producidas por el corazón. Se desarrolló un sistema modular de registro para la actividad eléctrica del corazón, así como la captura de las señales necesarias para calcular el porcentaje de saturación de oxígeno en la sangre. De acuerdo con el estándar AAMI EC 11 una señal ECG es una señal de modo diferencial con un máximo de ±5[mV] en un rango de 0.05-150[Hz] más una componente de DC en modo diferencial de ±300[mV] y una interferencia de modo común principalmente debida a el campo eléctrico de la línea de alimentación que puede elevarse a decenas de voltios. Como primera opción de diseño se utilizó el denominado electrocardiógrafo de un solo canal de una derivación. Además, se incluyó un oxímetro de pulso que mediante fotopletismografía obtuviera una señal PPG para medir el porcentaje de saturación de oxígeno en la sangre Al momento de la fabricación de este instrumento se pensó en utilizar cada etapa como si fueran circuitos separados con la capacidad de conectarse y desconectarse entre sí sin la necesidad de cables adicionales, cada etapa debería de cumplir las siguientes características: • Usar solamente un medio de alimentación • Capacidad de modificar algunos parámetros del comportamiento del circuito • Usar topologías básicas para que cualquier estudiante pueda replicar el dispositivo • Tener puntas de prueba donde se pueda observar el comportamiento de cada una de las etapas mediante un osciloscopio. Todos los esquemas de cada etapa fueron desarrollados en el editor gráfico EAGLE, así como el diseño de las placas de circuito impreso. Para la fabricación se utilizó un router CNC (Control Numérico Computarizado) de tres ejes, el cual corta de forma precisa cada una de las pistas del circuito en una placa fenólica. Como oxímetro de pulso se utilizó el sensor MAX30102 que mediante comunicación I2C se obtuvieron las señales de absorción de luz producida por un led rojo y otro infrarrojo. La información fue procesada y filtrada dentro de un microcontrolador TM4C123G. Para desplegar las señales y obtener sus características se diseñó una interfaz gráfica en LabVIEW®.
A lo largo de este documento se describe la teoría utilizada en el diseño de los circuitos electrónicos implementados para un sistema modular de registro de variables cardíacas, así como también se incluyen las descripciones de los programas para el cálculo y despliegue de las señales ECG y PPG. Finalmente, se describen las pruebas de funcionalidad y los resultados obtenidos con el instrumento fabricado.
Keywords: ECG; Sistema PPG; Diseño electrónico de fuentes de alimentación; Sistema modular de variables cardíacas; Ingeniería biomédica