ECG con Arduino y filtro digital en Matlab

Diseño e implementación de un dispositivo ECG (ElectroCardiograma) con un filtro digital en Matlab 
utilizando Arduino

TABLA DE CONTENIDO ECG

1.          INTRODUCCIÓN 

2.          ¿CÓMO FUNCIONA?

3.          ¿CÓMO SE OBTIENE?

4.          ¿QUÉ SIGNIFICA? 

5.          ALGUNAS GENERALIDADES

6.          DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN
6.1.       MATERIALES

6.2        ETAPAS DE DESARROLLO Y SIMULACIÓN

6.3        PROGRAMACIÓN (ARDUINO Y MATLAB) 

7.          DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 
8.          RESULTADOS OBTENIDOS
9.          LINKS DE DESCARGA

1.          INTRODUCCIÓN 

Imagen 1.- El fisiólogo Willen Einthoven.

Un electrocardiograma (ECG) es un procedimiento de diagnóstico médico con el que se obtiene un registro gráfico de la actividad eléctrica del corazón en función del tiempo.

La actividad eléctrica son las variaciones de potencial eléctrico generadas por el conjunto de células cardíacas y que son recibidas en la superficie corporal.

La formación del impulso cardíaco y su conducción generan corrientes eléctricas débiles que se diseminan por todo el cuerpo. Al colocar electrodos en diferentes sitios y conectarlos a un instrumento de registro como el electrocardiógrafo se obtiene el trazado característico de las ondas.

El electrocardiograma fue inventado por el fisiólogo Willen Einthoven, quien gracias a sus aportes recibió el premio Nobel de Medicina en 1924.

2.          ¿CÓMO FUNCIONA?

Imagen 2.- Impresión clásica de un ECG

Las contracciones rítmicas del corazón están controladas por una serie ordenada de descargas eléctricas.

Antes de cada contracción del músculo cardíaco se genera un impulso eléctrico por despolarización en el nodo sinoauricular que se propaga concéntricamente produciendo la onda P del electrocardiograma.

Inicialmente se despolariza la aurícula derecha y posteriormente la aurícula izquierda.

De este modo, vemos que, en un ritmo normal, el nodo sinoauricular es el marcapasos cardiaco (el lugar donde se origina el impulso cardíaco).

Despolarización, se refiere a la activación eléctrica del corazón, se produce por modificación de la polaridad de la membrana celular, al ingresar el sodio.

Vimos que la despolarización ventricular corresponde a la onda P. La despolarización ventricular, por su parte, determina la onda QRS del ECG.

Repolarización, en tanto, es la recuperación de la polaridad: la repolarización auricular queda oculta en el QRS y la repolarización ventricular se refleja en el segmento ST y en la onda T (una onda lenta).

Ambos fenómenos, despolarización y repolarización, ocurren durante la sístole.

3.          ¿CÓMO SE OBTIENE?

Imagen 5.-Actividad eléctrica del corazón.

Un electrocardiograma estándar se obtiene poniendo doce pequeños electrodos en determinados puntos del cuerpo del paciente. Luego se enciende la maquina ECG y se realiza el registro en unos pocos segundos.

La prueba es completamente indolora y no tiene ningún riesgo.

Los cambios en el trazado normal de un ECG pueden indicar una o más condiciones relacionadas con el corazón.

Así, un ECG es extremadamente útil para el diagnóstico y control de las arritmias cardíacas, de la angina de pecho, del infarto agudo de miocardio y en general para detectar cualquier irregularidad en la actividad eléctrica del corazón.

4.          ¿QUÉ SIGNIFICA? 

Imagen 4.- El significado de un gráfico ECG.

La primera ondulación pequeña en la parte superior del trazado de un ECG se denomina "onda P". La onda P indica que las aurículas (las dos cavidades superiores del corazón) son estimuladas en forma eléctrica (se despolarizan) para bombear la sangre hacia los ventrículos.

La siguiente parte del trazado es una sección corta descendente conectada con una sección alta ascendente. La misma se denomina onda o "complejo QRS".

Esta parte indica que los ventrículos (las dos cavidades inferiores del corazón) se están estimulado eléctricamente (despolarizando) para bombear la sangre hacia fuera.

El siguiente segmento plano corto ascendente se llama "segmento ST".

El segmento ST indica la cantidad de tiempo que transcurre desde el final de una contracción de los ventrículos hasta el comienzo del período de reposo (repolarización).

La siguiente curva ascendente se denomina "onda T". La onda T indica el período de recuperación o repolarización de los ventrículos.

5.          ALGUNAS GENERALIDADES

El corazón tiene cuatro cámaras: dos aurículas y dos ventrículos. Para que el corazón puede realizar la contracción se necesita una estimulación y conducción eléctrica a través de fibras especiales para transmitir impulsos eléctricos. El latido del corazón es totalmente involuntario, por lo tanto el cuerpo no tiene control sobre sus latidos.

El impulso del corazón se origina en el nodo o nódulo sinusal, de ahí pasa a las aurículas, luego llega al nódulo auriculoventricular, durante este proceso se disemina en un haz de fibras y acaba dividiéndose en cuatro ramas.

Un ciclo cardíaco es representado por una sucesión de ondas en el trazado del ECG: la onda P, la onda o complejo QRS y la onda T.

Estas ondas producen dos intervalos importantes: el intervalo PR y el intervalo QT, y dos segmentos: el segmento PQ y el segmento ST.

Durante el ejercicio físico el ciclo cardíaco se acelera y por tanto el intervalo P-T se acorta.

El registro del ECG se realiza en un papel milimetrado, con líneas más gruesas cada 5 mm. Cada mm de trazado horizontal es equivalente a 0,04 segundos del ciclo cardíaco, el espacio entre dos líneas gruesas representa 0,2 segundos (a la velocidad habitual del papel de 25 mm/seg).

En sentido vertical (la ordenada Y) se representa el voltaje de las ondas electrocardiográficas (en mV), las cuales pueden ser positivas o negativas según la línea isoeléctrica. La abscisa (X) u ordenada horizontal representa el tiempo.

Imagen 5.-Actividad eléctrica del corazón.

Resulta interesante destacar que un trazado electrocardiográfico no es más que un gráfico de voltaje en función del tiempo. De esta manera, en él se reflejan ondas que tienen una determinada amplitud según la situación, y una determinada duración. Entre las ondas muestra pausas que también tienen una determinada duración.

Es importante destacar las particularidades de los tejidos automáticos (como son los tejidos del músculo cardíaco), que son capaces de realizar despolarización espontánea, generando los estímulos eléctricos que derivan en la despolarización sincronizada del corazón.

FUENTE:
http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/Electrocardiograma.html

6.          DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL DISPOSITIVO

6.1.          MATERIALES

CI:

1 AD620AN (Amplificador de Instrumentación)

1 TL084 (4 / Amplificador Operacional )
RESISTENCIAS: a 1/4 de vatio

R1: 5.6K
R2,R3,R4, R17: 10K
R5: 1M
R6, R7, R13, R16: 15K
R8: 270
R9: 680
R10: 470
R11: 2.7K
R12: 4.7K
R14, R15: 27K
R18, R19, R20: 100K
CAPACITORES:
C1, C3, C5, C6: 0.1uF (104 cerámico) 
C2: 2.2uF / 16V (electrolítico)
C4: 22uF / 16V(electrolítico)
C7: 220nF (224 cerámico)  
C8: 100uF / 16V(electrolítico)
VARIOS:
fuente simétrica de (-3.3 +3.3) V hasta (-12 +12) V
1 switch para encender y apagar la alimentación del dispositivo
2 conectores molex de 3 pines (0.1mm)
3 metros de cable de red y tres lagartos
3electrodos
1 conector de 3 pines para la alimentación (0.2mm)
1 placa de baquelita 10x5cm
ácido para baquelitas, estaño, cautin, cables, papel trasfer, etc.
HARDWARE:
Tarjeta Arduino
SOFTWARE:
Software Arduino
Matlab
Proteus 8.0 Professional

6.2        ETAPAS DE DESARROLLO Y SIMULACIÓN

• Primera etapa de amplificación de la señal, mediante el amplificador de instrumentación AD620AN

• Diseño de Filtros: Filtro Pasa Bajos de 150Hz

• - Filtro Pasa Altos de 0.5Hz

• - Filtro Notch 60 Hz

• Amplificación de la Señal

• Montaje de la señal en un nivel de directa

SIMULACIÓN EN PROTEUS 8.0

RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN

Ruido de 60 Hz

Señal del corazón interrumpida por un ruido de 60 Hz

Señal de audio filtrada

RUTEO PARA LA PLACA

Vista inferior

Vista superior

6.3        PROGRAMACIÓN (ARDUINO Y MATLAB)

Programación Arduino

int val;
void setup(){
Serial.begin(14400);
}
void loop(){
val=analogRead(A0);
Serial.println(val);
delay(20);
}

Programación en Matlab - Graficar ECG

%el dominio analógico tenemos 2 opciones:
%la instrucción para generar un filtro del grado que el usuario desee, así
%como la manipulación de la frecuencia de corte
%el comando para que a partir del grado, tipo y amortiguamiento, se obtenga
%los polos u ceros y ganancia que puede tener el filtro
%diseño de un filtro pasa banda de 4 Hz a 60Hz y el resultado de ingresar
%una señal y pasarla por el filtro
%DEFINIMOS CARACTERÍSTICAS DE LA Señal Y EN FILTRO EN TIEMPO FRECUENCIA DE
%ATENUACIÓN
%DEFINIMOS EL PERIODO DE LA SEñAL EN UN VALOR DE 0.01SEG
pas=0.01;
t=0:pas:10;
%DEFINIMOS LA FRECUENCIA DE MUESTREO QUE ES EL INVERSO DEL PERIODO DE LA
%SEñAL ADEMAS DE LA FRECUENCIA DE CORTE QUE ES EL INVERSO DE LA FRECUENCIA
%DE MUESTREO LA CUAL VA A SER UTILIZADA EN NUESTRO FILTRO Y RESULTA EL
%INVERSO DEL PERIODO DE LA SEñAL
fm=1000;
fs=fm/2;

%DEFINIMOS LA BANDA DE PASO Y DE CORTE DE NUESTRO FILTRO
wp=[100 250]/fs;
ws=[10 300]/fs;

%establecemos los valores rp (valor de la tolerancia de nuestro filtro) y de
%rs (valor de la atenuación de la banda eliminada)

rp=3;
rs=30;

%definimos la señal la cual vamos a utilizar para pasar por el filtro de
%butterworth que es la señal ECG que previamente guardamos
%senal=sin(10*pi*t)+cos(15*t+t.^2);
senal = load('v1.dat');
%graficamos la señal de muestra
%definimos el eje de tiempo
ejet=[0:pas:(length(senal)-1).*pas];
subplot(4,1,1);
plot(ejet,senal);
axis([min(ejet) max(ejet) min(senal) max(senal)]);
xlabel('t(s)');
ylabel('Input(s)')
title('Grafico de la Senal 0')
%graficamos el espectro de la amplitud de la señal de muestra
subplot(4,1,2);
dim=length(senal).*pas;

%definimos el eje de frecuencia para la gráfica del espectro señal

ejefrec=[0:1/dim:(length(senal)-1)/dim];
spectr=abs(fft(senal));

%obtenemos la amplitud del espectro de la señal
spectr=spectr/max(spectr);
plot(ejefrec,spectr);
axis([0 10 0 max(spectr)]);
xlabel('frecuencia(Hz)');
title('Espectro de amplitud de la senal')

%obtenemos el orden del filtro de butterworty la frecuencia normalizada con
%la ayuda del comando buttord
[n,wn]=buttord(wp,ws,rp,rs);

%con los datos anteriores y con la ayuda del comando butter obtenemos los
%coeficientes de la función de trasferencia para el filtro de butterworth

[b,a]=butter(n,wn);
[h,f]=freqz(b,a,[],fm);
subplot(4,1,3);
plot(f,abs(h));
axis([0 10 0 max(spectr)]);
xlabel('freciencia(Hz)');
ylabel('I H(z)I');
title('Filtro')

%para poder observar el resultado de filtrar nuestra señal de muestra la
%convulsionamos con el filtro con la ayuda del comando filter y
%on=btenemos el resultado de la señal filtrada
ysig=filter(b,a,senal);
subplot(4,1,4);
plot(ejefrec,abs(fft(ysig)));
axis([0 10 0 500]);
xlabel('Frecuencia (Hz)');
ylabel('Senal Filtrada(Hz)');
title('Senal Filtrada');

7.          DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 

Este proyecto fue probado con los elementos que se detallan en los diagramas. Consta principalmente por un circuito ECG y una tarjeta Arduino UNO que sirvió como medio comunicación entre el circuito y el software que realizara la ultima etapa de filtrado mediante un filtro digital butterworth en Matlab.

Los electrodos se deben conectar con un cable que minimice el ruido, ya que este circuito es muy sensible al ruido eléctrico de 60Hz de la red alterna. Por esta razón usamos un par de cables enrollados (cable de red utp) y soldados a un lagarto para sujetar cada electrodo.

Las baterías que se usaron fueron baterías de life de 6.6V configuradas para obtener la fuente simétrica que requieren los opams. Aunque el circuito esta diseñado para fuentes desde 3.3V hasta 12V

Una vez alimentado el circuito conectamos la salida a un pin analógico del Arduino y sincronizamos la velocidad de trasmisión desde el Arduino hasta el programa en Matlab. En este caso con una máxima velocidad de trasmisión de 14400 Baudios, también se debe tener en cuenta el puerto que reconoce el Arduino y hacerlo coincidir con el puerto asignado en Matlab.

En Matlab, el primer programa gráfica las lecturas realizadas por el circuito de la señal ECG durante un periodo de 10 segundos (regulables) ademas almacena la señal en el disco en forma de vector para luego ser utilizada.

Finalmente la señal que almacenamos es leída en el segundo programa de Matlab para ser filtrada digitalmente y obtener una señal mas limpia.

8.          RESULTADOS OBTENIDOS

Diagrama total del circuito

Señal Graficada en Matlab antes del filtro Digital

Señal final una vez pasada por el filtro Butterworth Digital

9.          LINKS DE DESCARGA

Proteus 8.0 Professional:

http://www.intercambiosvirtuales.org/software/proteus-professional-v8-0-151417-sp0-suite-profesional-de-simulacion-de-circuitos-electronicos#more-60141

Simulacion en Proteus 8.0:

https://www.dropbox.com/s/simoy5xioaip5jj/ecg%20simulacion.rar

Archivo PDF con las pistas Ruteadas del circuito:

https://www.dropbox.com/s/0yhdfvvjnf1psr6/impresion%20placa%20ecg.pdf

Programa en Arduino:

https://www.dropbox.com/sh/71hr8xu21zevxoy/aqADOJnAFQ

Programa 1 Matlab, Grafica ECG:

https://www.dropbox.com/s/wnvhavxmoi7cimi/ecg_usb_arduino.m

Programa 2 Matlab, Filtro Digital:

https://www.dropbox.com/s/2tsrhchttgmsevo/ecg_butherworth.m

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:

}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly: 
  
}

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storeplugandplay@gmail.com