REVISIÓN DE TRABAJOS 2DO. DEPARTAMENTAL

 

Alumnos, les pido su clase para continuar revisando los trabajos de 2do. departamental, agradezco su comprensión. 

CLASE # 10 ECG RED DE WILSON Y CIRCUITO DE PROTECCIÓN DE PIERNA DERECHA (en proceso)

 

CLASE # 10 

 ECG  RED DE WILSON Y CIRCUITO DE PROTECCIÓN DE PIERNA DERECHA (EN PROCESO)

Hola alumnos, el día de hoy vamos a tratar una parte muy importante a la hora de diseñar un circuito para la obtención del ECG y es la Red de Wilson y porqué es tan importante.

Antes que nada les vuelvo a recordar que esta materia es una materia integradora y deben repasar sus conocimientos previos de Análisis de Circuitos Eléctricos, Circuitos Electrónicos I, II y III, Fisiología Humana, Fisiopatología, etc.

Vamos pues a ver primero un video de repaso de conocimientos para que vean lo importante que es para los médicos el obtener una buena señal de ECG, de nuevo debemos recordar que los médicos cardiólogos son puro corazón. 

Video 1: Repaso de interpretación médica del ECG y sus partes.

Muchos de ustedes se habrán preguntado en las clases pasadas O.k. ya tengo mi amplificador de Instrumentación con la Ganancia adecuada y mis filtros activos con las frecuencias deseadas para obtener un ECG pero cómo hay que conectarse al equipo para obtener la señal de ECG tan deseada.

Otra pregunta interesante es si observo mi aparato de ECG tiene un sistema de registro del ECG en papel, ¿será importante la velocidad a que corre el papel para interpretar correctamente un ECG?

Veamos nuevamente otros videos pero ahora desde el punto de vista del Técnico o enfermera que toman el registro ECG dentro de un hospital.

Video 2: Explicación de un enfermero acerca de ¿cómo hacer un electrocardiograma?

Video 3: Técnica tomando estudio ECG a paciente hospitalizado, nota todo estuvo

bien excepto que debió dejar que el aparato grabara un poco más de tiempo las señales ECG para 

que fuera más útil el estudio  para la interpretación del médico cardiólogo. 

Como observaron en los videos anteriores, nuestros diseños de circuitos para ECG aún son sólo unos prototipos experimentales y les falta muchísimo para poder ser utilizados para un diseño comercial, entre lo que hace mucha falta es el respetar los estándares internacionales y las normas que garantizan la seguridad eléctrica del paciente, por esta razón es tan importante lo que estamos viendo ahorita, que forma parte de un buen diseño de un aparato para ECG. 

De nuevo debemos hacer un repaso de sus bases de Fisiología Humana y Fisiopatología sobre todo en el aspecto corazón. 

Deben recordar para ello que el médico para interpretar correctamente el ECG debe tomar doce derivaciónes o parámetros distintos, que son como 12 puntos de vista diferentes en que observa la forma de onda del ecg del corazón, esta lectura poliparamétrica es en D1, DII, DIII, aVr, aVL, aVF, V1, V2, V3, V4, V5 y V6 y para ello debe hacer la conexión al paciente de forma adecuada de acuerdo con el mapa que muestro a continuación:

Figura 1: Colocación de los electrodos al paciente en el caso de usar sólo 5 cables. 

Espero que repasen también de Fisiología lo que es el triángulo de Einthoven, las derivaciones unipolares, unipolares extendidas y Bipolares. ¿Me podrían decir c/u de ellas cuales son?

Figura 2: Importancia del Triángulo de Einthoven para determinar el eje eléctrico del corazón. 

Y algunos de ustedes que recuerdan el Triángulo de Einthoven, también recordarán la ley de Einthoven:

Figura 3:  Aplicación de la Ley de Einthoven 

Ahora tenemos que ver el diseño e implementación de un equipo de ECG desde el punto de vista de los IB (ingenieros Biomédicos) y por eso es tan importante esta clase para ustedes. 

Pues bien para poder hacer un ECG comercial se requiere algo más de circuitos para obtener todas las derivaciones (Diseño de una Red de resistencias conocida como Red de Wilson) y circuitos  de aislamiento de protección al paciente con Buffers (opams en configuración de buffer) que se colocan a la entrada de c/u de los cables que van conectados entre el paciente y el circuito de la Red de Wilson)  y otro circuito de protección muy importante es el  Right Leg Driven ( o circuito de protección de pierna derecha) .

   La red de Wilson es la que permite crear la central terminal de Wilson (CTW), el punto que se utiliza como referencia cero de potenciales del cuerpo humano. Esto permite realizar medidas unipolares de la actividad cardíaca sobre la superficie del cuerpo que, de otra forma serían Page 4 4 imposibles.

Ahora volviendo nuevamente a repasar el arreglo de resistencias para el circuito utilizado en la Red de Wilson si ustedes recuerdan de su clase de análisis de circuitos eléctricos esto es una Red Delta-Y, aquí les dejo de tarea como diseñar  y hacer los cálculos de resistencias para una de ECG. 

Favor de ver las siguientes figuras

Figura 4: Esquema General de un Electrocardiógrafo

Figura 5:  Red de Wilson, arreglo de resistencias para obtener las distintas derivaciones de un ECG.

Circuito de pierna derecha. Este circuito es capaz de crear una tierra o referencia virtual para la pierna derecha del paciente, con el propósito de reducir los voltajes en modo común.

Figura 6: Circuito de Protección de Pierna Derecha.

Figura 7:  Circuito de protección de pierna derecha que permite reducir los voltajes a modo común y crea una tierra virtual que protege al paciente. 

Figura 8:  Nuevamente un diseño de Amplificador de instrumentación que incluye el  Driven Right leg ground  o circuito de tierra de protección de pierna derecha. 

Figura 9:  Otro diagrama de conexión de paciente para un ECG en el que se muestran por bloques  y con nombre algunos de los circuitos electrónicos usados. 

Figura 10: Diagrama electrónico que muestra la etapa de amplificador de instrumentación con el circuito de protección de pierna derecha.

Figura 11: Implementación para obtener un ECG con el AD620 A y cómo se debe colocar el circuito de protección de pierna derecha Nota importante favor de checar el Datasheet del AD 620 A completo y ahí viene un diseño para hacer un ECG en la sección de aplicaciones. 

Referencias Bibliográficas;

https://www.biosemi.com/publications/pdf/Interference_reduction.pdf

http://www.dalcame.com/ecg.html#.X6xobchKhkg

Y de nuevo algunas referencia de John G. Webster  de interés que ya tenemos en nuestra Biblioteca UPIBI  IPN en forma física pero que ahora debido al problema del COVID y la educación a distancia estoy con el debido respeto para el autor sólo referenciando para fines didácticos y de enseñanza debido a que los alumnos no pueden acceder en este momento a la Biblioteca de la institución. 

No me olvido de agradecer al Sr. John G.Webster porque en alguna ocasión nos visitó dentro de nuestras instalaciones UPIBI-IPN y nos impartió conferencias Magistrales en forma personalizada, todos los alumnos y exalumnos de la UPIBI IPN recordamos ese evento  :D

http://fa.bme.sut.ac.ir/Downloads/AcademicStaff/3/Courses/4/Medical%20instrumentation%20application%20and%20design%204th.pdf

http://1.droppdf.com/files/9taIk/encyclopedia-of-medical-devices-and-instrumentation-vol-1.pdf

http://library.nuft.edu.ua/ebook/file/Webster2006.pdf

https://biblioseb.files.wordpress.com/2018/03/wiley-encyclopedia-of-medical-devices-and-instrumentation-vol-3.pdf

Favor de contestar el siguiente cuestionario y hacer las actividades:

1. Hacer un diagrama a Bloques completo de un ECG desde donde se encuentra el paciente, la interfaz, red de Wilson,  amplificador de Instrumentación con circuito de protección de pierna derecha, filtros activos pasabanda y rechazabanda, etc. y explicar y describir el contenido completo de c/u de los bloques.

2. Explicar las características estandarizadas y el código de color que se utiliza para la colocación de los electrodos de ECG.

3. Favor de indicar las especificaciones mínimas para un amplificador de ECG.

4. Favor de explicar la Ley de Einthoven y poner un ejemplo práctico de aplicación utilizando señales de ECG de un paciente obtenidas en internet y tomando las derivaciones DI, DII y DIII, 

¿Cómo verificaría que se cumple la ley de Einthoven en la práctica. y en ese mismo ECG de paciente indicar ¿cómo obtendría el eje eléctrico del corazón?.

5. Mencionar, describir y explicar otros circuitos de protección y seguridad para el paciente que se tienen que considerar a la hora de hacer un diseño comercial de un ECG. 

Hasta aquí es el material que tienen que entregar contestado para evaluar el 2do. departamental.

CLASE # 9 FILTROS ACTIVOS PARA LA OBTENCIÓN DE BIOPOTENCIALES ECG, EEG, EMG y EOG

 

CLASE # 9 

FILTROS ACTIVOS PARA LA OBTENCIÓN DE BIOPOTENCIALES  ECG, EEG, EMG y EOG

    Como vimos  la clase pasada, por eso son tan importantes los amplificadores de instrumentación, los filtros activos y su buen diseño para la obtención de los biopotenciales. Y también se están dando cuenta de la gran utilidad que tiene la tarjeta de transductores del Webster que usamos en la clase anterior y que deben seguir utilizando en esta,  En la última columna de esta tabla  "Stamdar Sensor o Method" nos habla del tipo de transductores que se utilizan, y en el caso del ECG nos habla de electrodos superficiales del tipo adhesivo que se colocan sobre la píel y ¿adivinen que? estos electrodos también contienen una esponjita que tiene el gel electrolítico y pueden contener también plata con cloruro de plata y existen estándares específicos para la colocación de los electrodos y obtener un buen ECG.  Por eso es muy importante ir por partes analizando cuidadosamente c/u de los casos distintos de obtención de biopotenciales.

A) AMPLIFICADORES Y FILTROS PARA LA OBTENCIÓN DE SEÑALES DE ELECTROENCEFALOGRAFÍA.

Si observan la tabla del Webster se darán cuenta que para obtener este tipo de señales se requiere ahora un amplificador de Instrumentación con ganancia de 1000000 y un filtro activo pasa bajas con frecuencia de corte de 150 Hertz. y un Notch rechazabandas  a 60 Hertz.

Pero aquí de nuevo se complica un poco el acondicionamiento de la señal y el estándar de la colocación de los electrodos con el sistema internacional 10-20 que es mucho más complejo que el del ECG. 

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN  Y FILTROS PARA LA OBTENCIÓN DE EMG

En el caso de la señal de electromiografía se observa en la tabla del Webster que se le puede dar una ganancia al amplificador de instrumentación de 10 000 para que se obtenga una señal apreciable porque este tipo de señales son muy ruidosas. y en el caso del Filtro activo es un filtro activo pasa bajas de segundo orden con una frecuencia de corte de 10 000 Hertz o 10 KHertz.

En este caso y todos los anteriores también se sugiere el uso de un filtro rechazabandas tipo Notch para eliminar la señal de ruido de 60 Hertz. y debido al tipo de forma de onda que se tiene se sugiere que la señal de EMG sea rectificada e integrada para poder visualizarla con mejor calidad y poderla valorar.

Nuevamente el problema es que existe un criterio muy específico para la colocación de los electrodos en el músculo que se va a estudiar. 

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN Y FILTROS ACTIVOS PARA LA OBTENCIÓN DE BIOPOTENCIALES DE EOG

En el caso del estudio de electrooculografía EOG el amplificador de instrumentación debe tener una ganancia mínima de 1000 000 y el filtro activo pasabajas de 2do. orden con una frecuencia de corte de 50 Hertz. y de nuevo en este caso es muy importante la forma de colocar los electrodos para obtener un EOG de calidad. 

FAVOR DE CONTESTAR EL SIGUIENTE CUESTIONARIO

1.  Hacer diagrama a Bloques y explicar ¿Cuál es la utilidad práctica y aplicación médica de un estudio ECG?

2. Hacer diagrama a Bloques y explicar  ¿Cuál es la utilidad práctica y aplicación médica de un estudio EEG?

3. Hacer diagrama a Bloques y explicar ¿Cuál es la utilidad práctica y aplicación médica de un estudio EMG?

4  Hacer diagrama a Bloques y explicar ¿Cuál es la utilidad práctica y aplicación médica de un estudio EOG?

5. ¿Porqué en el diseño de un EOG no se requiere el filtro Notch? Justificar su respuesta. 

CLASE # 8 FILTROS ACTIVOS PARA LA OBTENCIÓN DE BIOPOTENCIALES ECG

 

CLASE # 8  

FILTROS ACTIVOS  PARA LA OBTENCIÓN DE BIOPOTENCIALES

Hola Alumnos, con los conocimientos adquiridos durante las clases # 6 y # 7 más la tarjeta de transductores enmicada del Webster pags. 10 y 11 del link del texto que les dí,

Ahora ustedes serán capaces de hacer los cálculos necesarios para la obtención de los Filtros Pasabanda y Rechazabanda necesarios para la obtención de Biopotenciales, en este caso los que más nos interesan son: ECG, EEG, EMG, EOG, etc.

Vamos a hablar un poco más de ésta tabla de transductores para que entiendan mejor su importancia,

Antes que Nada el título de la tabla 1.1 Es Parámetros Médicos Fisiológicos y esto es muy importante porque está basada en los parámetros conocidos de la Fisiología Humana que se enseñan en Medicina.

Obviamente todos los seres humanos tenemos distintos signos vitales en estado Normal y de Enfermedad pero no sobrepasan de ciertos rangos específicos, a esto se le denomina  frecuencia de trabajo del corazón y tiene un rango normal y uno en caso de patología.  así  por ejemplo en el caso del ECG, nosotros tenemos una frecuencia cardiaca normal de por ejemplo 70 latidos por minuto más menos 10 latidos en el adulto, eso quiere decir que la F.C. normal del adulto puede estar desde 60 hasta 80 latidos por minuto obvio varía según las condiciones de actividad de la persona, sabemos que la F.C. normal a veces se acelera con el ejercicio por ejemplo.  Pero también sabemos los que han llevado Fisiopatología Humana que existen condiciones de Enfermedad cardiaca que pueden alterar la Frecuencia Cardiaca, así se tienen casos de 40 latidos por minuto en el caso de la Bradicardia y Frecuencias de hasta 200 latidos por minuto en el caso grave de Taquicardia.

Pero los signos vitales también varían con la edad:

Figura 1a: Tabla de valores normales de Frecuencia Cardiaca en todas las edades.

 nota: Esta tabla tiene un pequeño error en las unidades de la Frecuencia cardiaca porque debería decir latidos por minuto y no pulsaciones por minuto.

Figura 1b: Otra Tabla de valores normales de Frecuencia cardiaca en todas las edades.

Nota: En esta tabla también falta completar las unidades y debe decir latidos por minuto en vez de /min.

Ahora que he mencionado estos términos esto es muy importante a la hora de diseñar nuestros filtros pasabandas y rechazabandas para hacer un ECG por ejemplo, porque deseamos que el ECG que utilicen los doctores no sólo sirva para detectar el estado cardiaco de los pacientes saludables, es obvio que deseamos que el aparato de ECG también pueda detectar enfermedades cardiacas como la Taquicardia o la Bradicardia y además esta señal es de tipo analógico y es muy importante por lo que no queremos que se distorsione a la hora de digitalizarla porque se podría perder algún razgo importante para el diagnóstico como podría ser alteraciones en la forma de onda o en el segmento ST o alguna otra característica importante. 

  Esto es  muy importante a la hora de diseñar equipos de uso médico porque no sólo deseamos hacer filtros activos para que el aparato detecte a los pacientes saludables, deseamos que el aparato sirva para diagnosticar enfermedades del corazón y también deseamos que nuestro aparato ECG sirva para atender a pacientes de todas las edades adultos niños o pedíátricos y no sólo en estado normal también en los casos de taquicardia o bradicardia graves y además deseamos que la señal analógica no sea distorsionada en su forma a la hora de digitalizarla. 

   La Tabla 1.1 del Webster tiene el rango de valores de los filtros recomendado por la AHA (American Heart Association) para que el equipo de ECG pueda ser utilizado para atender a todos los pacientes de cualquier edad y además recomienda que estos filtros activos pasabanda o rechazabanda sean de 2do. Orden para que puedan detectar sin ninguna distorsión la señal de ECG y la misma AHA recomienda que el rango de frecuencias de los filtros de un ECG sea de 0.01 a 250 Hertz para evitar distorsiones de la señal. 

    La pregunta interesante es ¿Cómo puedo convertir las unidades de latidos/minuto a Hertz o Radianes que son las unidades de los Gráficos de Bode que vimos en la Clase 7. pues multiplicando por 60 segundos que tiene un minuto podemos convertir de Hertz a latidos por minuto y dividiendo entre 60 segundos que tiene un minuto podemos hacer la conversión de latidos por minuto a Hertz. 

   Si nos vamos nuevamente a la tabla 1.1 del Webster y vemos que queremos un Electrocardiógrafo (ECG) en la Columna de "Parameter or Measuring Technique) ya habiamos visto que la columna 2 "Principal Measuremente Range of Parameter se tiene que la señal de ECG tiene un valor del rango de 0.5-4milivolts y para poderla visualizar de forma correcta se necesita amplificarla 1000 veces para poder observarla en el orden de los Voltios por esa razón a la hora de hacer nuestro amplificador de instrumentación se le dió una ganancia de 1000.

  Si nos vamos a la tercera colúmna de la tabla y nos indica "sigbnal Frecuency Range, Hz" y este es el rango de frecuencia de las señales recomendado para nuestros filtros pasabanda para poder detectar bien la señal de ECG en estado normal o patológico en pacientes de todas las edades, y ahí nos da un rango de 0.01-250 Hertz. y la pregunta es ¿Porqué? razón. 

Les anexo el fragmento de un texto:

"A partir de la década de 1980, prácticamente todos los electrocardiógrafos del mundo digitalizan la señal a partir de un amplificador, lo que, aunado a los filtros que reducen el nivel de ruido, ha permitido obtener un gráfico de mayor resolución y con menor relación señal:ruido que los logrados en los sistemas analógicos anteriores a este momento (1). Para esta digitalización, el teorema de Shannon/Nyquist establece que “una señal debe ser muestreada con una frecuencia por lo menos el doble del componente de máxima frecuencia en la señal” (2). Si la frecuencia de muestreo es menor a la mínima establecida por el teorema de Shannon/Nyquist, la resultante será una gráfica distorsionada y su contenido se perderá.

Para poder determinar la frecuencia de muestreo requerida es necesario, primero, determinar las frecuencias de “trabajo” del corazón. El número de latidos por minuto del corazón, dividido por 60, dará la mínima frecuencia de trabajo del corazón; esta frecuencia difícilmente será meEl número de puntos por segundo que el sistema adquiere (mejor conocido como tasa o frecuencia de muestreo) marca el nivel máximo en la frecuencia de señal que el equipo podrá representar fielmente. Tomando en cuenta el teorema de Nyquist, esta frecuencia deberá ser por lo menos el doble del filtrado de paso alto deseado. Las recomendaciones originales de la AHA hablaban de un filtro paso alto de 100 Hz, con lo que una tasa de muestreo de 250 a 300 muestras por segundo resultaría adecuada. Estudios realizados posteriormente encontraron que el filtro paso alto debería establecerse en un mínimo de 150 Hz, con una tasa de muestreo recomendada de por lo menos 2 a 3 veces el mínimo teórico de la frecuencia del filtro; es decir, una tasa de muestreo de 500 muestras por segundo aparenta ser adecuada. Estudios recientes han demostrado que estos datos no son suficientes para la adquisición de ECG en pacientes pediátricos, los cuales requieren que el filtro de paso alto se establezca en un mínimo de 250 Hz para mantener los errores de amplitud en menos de 25 mV en más del 95% de los casos (4), con lo que la tasa de muestreo deberá aumentar a un mínimo de 750 muestras por segundo.nor a 0,5 Hz, lo que corresponde a una frecuencia cardiaca (FC) de 30 latidos por minuto (lpm). Aparentemente esta frecuencia mínima resultaría adecuada, ya que difícilmente se encuentran en la práctica FC menores a 40 lpm (0,67 Hz) (3); sin embargo, el filtrado analógico (eliminación de frecuencias) a este nivel produce distorsiones significativas en el trazo del electrocardiograma (ECG), principalmente en el área donde los cambios de frecuencia y amplitud del trazo varían en gran medida; es decir, en el segmento ST. La aplicación de filtros digitales permite un corte más eficiente a menores frecuencias, con lo que las distorsiones en el área del punto J se minimizan; esto se logra a través de un filtrado de paso bajo retrógrado (de T hacia P) que es posible obtener cuando el sistema se monta en un computador; este filtrado retrógrado no es posible durante la impresión de trazos en “tiempo real”. Debido a lo anterior, la Asociación Americana del Corazón (AHA, por su sigla en inglés) en 1975 estableció la necesidad de un tercer filtrado de paso bajo de por lo menos 0,05 Hz, con lo que se eliminarán las distorsiones......"

A los que quieran estudiar el texto completo les anexo el link :

https://www.elhospital.com/temas/Analisis-de-la-frecuencia-de-muestreo-en-electrocardiografia+111828

Vamos a hacer algunos ejercicios: 

Si por ejemplo tomo el caso de la Bradicardia que dí un valor de 40 latidos/minuto ¿como lo puedo convertir  a hertz? Respuesta dividiendo entre 60 seg que tiene un minuto. 

40/60 = 0.67 hertz que es la frecuencia mínima que es de una bradicardia.

75  lat/minuto/60 = 1.25 latidos por segundo Herz que es la frecuencia normal

200 lat/minuto/60 =  3.33 hertz que  es la frecuencia de una taquicardia

Ahora la pregunta interesante es ¿Cómo puedo convertir las unidades de latidos/minuto a Hertz o Radianes que son las unidades de los Gráficos de Bode que vimos en la Clase 7. pues multiplicando por 60 segundos que tiene un minuto podemos convertir de Hertz a latidos por minuto y dividiendo entre 60 segundos que tiene un minuto podemos hacer la conversión de latidos por minuto a Hertz.  y en el caso de los radianes a hertz tenemos que existe una fórmula que nos indica como hacerlo como la que aparece en el siguiente ejercicio:

Figura 2: Fórmulas para convertir de Período T a Hertz y a radianes/segundo.

Clase # 8 Tarea:

Hacer las siguientes conversiones de Unidades basándose en la Figura 1a:

1. Si la Frecuencia Cardiaca (F.C.) normal de un paciente pediátrico recién nacido es de 120 a170 latidos por minuto, ¿ de cuantos Hertz sería el rango de esas frecuencias?

2. Si la Frecuencia Cardiaca (F.C.) normal de un lactante mayor es de 110 a 130 latidos por minuto, ¿de cuantos hertz sería el rango de esas frecuencias?

3. Si la Frecuencia Cardiaca (F.C.) normal de un niño de 6 a 8 años es de  110 a 115 latidos por minuto, ¿de cuantos hertz sería el rango de frecuencias?

4. Si la Frecuencia  Cardiaca (F.C.) normal de un adulto es de 60 a 80 latidos por minuto, ¿de cuantos hertz sería el rango de frecuencias?

5. Explicar y justificar la razón para el rango de 0.1 a 250 Hertz de la tabla 1.1 del Webster explicando los valores de conversión a latidos por minuto y los valores de Taquicardia y Bradicardia graves de pacientes recien nacidos, pediátricos y adultos basándose también en el link del artículo que les dí en esta clase.