monitor de ritmo cardíaco
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Monitor de ritmo cardíaco
Integrantes:
• Leandro Ferrazzi• Lucas Freddi• Martín Moyano• Profesor Gastón Salaya
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Índice
1) Introducción (pag. 3)
2) Referencias de la tecnología utilizada (pag. 4)
3) Descripción (pag. 5)
4) Lista de elementos necesarios (pag. 7)
5) Diagrama en bloques del proyecto (pag. 9)
6) Constitución del Hardware y esquema eléctrico (pag. 10)
7) Constitución del Software y código fuente (pag. 16)
8) Costos del proyecto (pag. 22)
9) Problemáticas durante el desarrollo (pag. 24)
10) Balance final (pag. 24)
11) Fuentes de información (pag. 26)
12) Hojas de datos de los elementos (pag. 27)
13) Circuitos impresos del proyecto (pag. 42)
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Introducción
¿Por qué un monitor de ritmo cardíaco?En un principio los participantes del proyecto estuvimos
interesados en el desarrollo de algún dispositivo involucrado con la
electromedicina. Éste fue nuestro punto en común.
En realidad el proyecto fue pensado en un principio para ser
un brazalete con el cual podrían correr los atletas y a la misma vez
ver sus pulsaciones por minuto; debido a complejidades de la
tecnología utilizada no se pudo orientar el proyecto para este fin
sino para el de diagnosticar a una persona sus pulsos por minuto,
realizando la medición con el paciente sentado o recostado y sin
que éste se mueva por un lapso de 10 segundos en el caso de
medición simple y 60 segundos en modo de alta precisión.
El proyecto consta de un sensor, un amplificador regulado
para actuar como pasabajos simultáneamente, un comparador, un
temporizador monoestable, un filtro antirebote, un microcontrolador,
una pantalla conformada por 3 displays de 7 segmentos donde se
muestra el resultado de la medición, un led que titila a la frecuencia
cardíaca, y 3 leds que a según del resultado de la medición indican
si la frecuencia cardíaca es alta, normal o baja.
Habiendo hecho una breve introducción del proyecto se
procederá a hacer un análisis más exhaustivo a continuación.
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Referencias de la tecnología utilizada
Cuando se comienza un proyecto hay que indagar a cerca de
los desarrollos similares existentes en el mercado. En nuestro caso
hoy en día la forma más común de medir las pulsaciones en el
mundo es con tensiómetros digitales de un costo de alrededor de
los 220 $ (Cabe destacar que éstos también miden la presión
sistólica y diastólica, cosa imposible de realizar en nuestro
proyecto). El inconveniente de estos tensiómetros es queincomodan al paciente ejerciéndole presión en un brazo o muñeca
para obtener una medición más precisa de los pulsos.
En nuestro proyecto éste inconveniente fue suprimido a través
del uso de una tecnología más reciente que hoy en día se ve
aplicada en los hospitales a personas internadas, la pulsioximetría.
Básicamente la pulsioximetría mide el oxígeno transportado por lahemoglobina en el interior de los vasos sanguíneos capilares. En
nuestro proyecto la finalidad no era medir los niveles de saturación
del oxígeno en sangre sino la frecuencia cardíaca, por lo tanto
modificamos en ciertos puntos un oxímetro, logrando un pulsímetro.
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Descripción
Podríamos desglosar el proyecto en los siguientes ítems:
- Transductor: consta de un LED de 5 milímetros rojo de alta
intensidad enfrentado con un fototransistor, los dos montados
dentro de un cilindro de PVC recubierto por una capa de
aluminio y una capa exterior de masilla plástica. El paciente
debería introducir un dedo (no importa cual sea) dentro del
cilindro y apoyar la yema sobre el fototransistor. El LED situadoarriba de la yema del dedo ilumina constantemente los vasos
sanguíneos capilares, que se llenan y se vacían de sangre con
cada pulsación. Siendo la sangre densa y de color rojo, refleja
la luz roja del LED situado sobre la uña cada vez que un pulso
llega a los capilares. Esta variación óptica es detectada por el
fototransistor que esta debajo de la yema, a su vez produciendoo no una caída de tensión entre sus extremos. Esta variación
de tensión es transportada por un cable blindado hasta el
gabinete del pulsímetro, donde se hayan las siguientes etapas.
- Amplificador / Pasabajos: La variación de tensión producida
por el fototransistor es acoplada a través de un capacitor a la
etapa amplificadora, que consta de 2 amplificadores noinversores con una ganancia de alrededor de 45 veces en
serie, produciendo una ganancia final de alrededor de 2025
veces. Este bloque tiene 2 capacitores adjuntos en la
realimentación de los amplificadores operacionales (de un
LM324); la finalidad de estos capacitores es la de actuar como
un pasabajos en cada caso que limite la señal a una frecuenciade corte de 1,59 Hz.
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- Comparador: luego de amplificar y filtrar la señal se la introduce en
el terminal no inversor de un comparador. Por el terminal inversor se
introduce una tensión aproximadamente igual a 2,5 V que puede ser
variada con un preset de ajuste de sensibilidad.- Temporizador monoestable: la señal de salida del comparador es
acoplada por medio de un capacitor a un monoestable conformado
por un LM555 con un tiempo de mantenimiento de 0,11 segundos.
Su finalidad es la de mantener un instante el puso registrado para
que sea apreciable.
- Filtro antirebote: Consta de un monoestable conformado por un
LM555 con un tiempo de mantenimiento de 0,3 segundos. Su misión
es la de anular los ocasionales pulsos dobles (causados por el
sensado de la contracción y también de la descontracción del
corazón, que es indeseada)
- Microcontrolador: una vez procesada la señal es introducida en un
microcontrolador PIC 16F84A, que tiene la finalidad de multiplicar
por 6 los pulsos registrados durante 10 segundos a partir delaccionamiento de un interruptor, logrando obtener las pulsaciones
por minuto (en el modo simple), y en el modo de alta precisión se
limita a contar durante 60 segundos cuántas pulsaciones hay. El
dato es transferido a través de multiplexación a los displays de 7
segmentos. Según las pulsaciones sean mayores de 90 PPM se
habilitará el puerto que accionará el LED indicador de pulsaciones
altas. Si las pulsaciones son menores de 64 PPM, se habilitará elpuerto que accionará el LED indicador de pulsaciones bajas. Si las
pulsaciones están comprendidas entre 65 PPM y 89 PPM se
habilitará el puerto que accionará el LED indicador de pulsaciones
normales.
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Lista de elementos necesarios
Cantidad DescripciónZócalos
1 Zócalo de 18 patas2 Zócalo de 8 patas2 Zócalo de 14 patas1 Zócalo de 16 patas
Circuitos integrados1 LM324N - Cuádruple OP. AMP.2 LM555N - Temporizador de uso general1 CD4011 - Cuádruple nand1 CD4511 - Decodificador BCD a 7 segmentos1 PIC 16F84A - Microcontrolador2 L7805CV - Regulador de tensión
Varios
27 Tornillos de diversas medidas1 Portabateria de 9 V1 Batería alcalina de 9 V5 Bornera L04P1 Bornera W237-1022 Jack estéreo 3.5 mm1 Cable plug 3.5 mm / plug 3.5 mm (1.7 Metros)
1 Cristal de cuarzo de 4 MHz1 Pulsador NA para chasis3 HD-H103 - Display de cátodo común1 HLMP-D101A - LED rojo de alta intensidad4 LED de 3 mm1 SFH313 - Fototransistor2 LED de 5 mm1 Adhesivo poxipol transparente
1 Bloque de acrílico de 5 mm de espesor
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1 500 g de masilla plástica1 Cloruro férrico concentrado 250 ml1 Plaqueta vírgen de 20 cm x 20 cm1 EMX-7T05SP - Buzzer de 6 V
Semiconductores4 BC547 - Transistor de uso general NPN1 1N4148 - Diodo switching3 1N4007 - Diodo rectificador
Resistencias9 220 - E243 2,2 K - E24
1 1 K - E243 22 K - E243 1 M - E244 100 K - E241 470 K - E241 4,7 M - E244 47 k - E24
2 10 K
- E244 680 - E24
Capacitores2 22 pF - Cerámico7 100 nF - Cerámico4 470 uF - Electrolítico3 10 uF - Electrolítico
Presets
1 10 K - preset horizontal1 1 M - preset vertical
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Diagrama en bloques del proyecto
Transductor Amplificador /
Pasabajos
Filtro Microcontrolador
Decodificador
Multiplexaje
Multiplicador
Displays de 7
segmentos
LEDS indicadores de
frecuencia cardíaca
LED de pulsosLED de
pulsos
filtrados
Buzzer
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Hardware y esquema eléctrico
El Hardware del proyecto está dividido en 3 plaquetas, una
sensora, una plaqueta madre con el objetivo de centro de proceso
de datos y una plaqueta para mostrar el resultado de la medición.
Adicionalmente se le tiene que sumar el transductor, que fue
descrito anteriormente.
Plaqueta de display:
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Transductor:
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Proyecto terminado:
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Plaqueta sensora:
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Plaqueta madre:
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Software y código fuente
Para el software del monitor de ritmo cardiaco tuvimos que
programar en lenguaje ensamblador (assembler) con el programa
MPLAB el microcontrolador “PIC 16F84A” de Microchip.
Al comenzar con el proyecto tuvimos varias ideas acerca de
cómo realizar el programa que cuente las pulsaciones del cuerpo
humano para luego mostrarlas en el orden de las pulsaciones por
minuto. Luego de un tiempo de probar distintos métodos decidimos
utilizar el TMR0 del PIC (un “timer” incluido en el mismo que puede
funcionar como contador de señales externas o como temporizador
interno), en este caso lo programamos para contar señales
externas. Luego de este significativo avance comenzamos a pensar
como funcionaria el programa en si.
Terminamos decidiendo que se podrían efectuar dos tipos de
mediciones diferentes. Una de 15 segundos y otra de alta precisión
que cuente durante un minuto entero las pulsaciones entrantes
(esta elección se puede realizar al iniciar el programa). Luego de
este paso se realizan las multiplicaciones necesarias de acuerdo al
modo seleccionado y se convierte el resultado de binario a BCD
para luego multiplexarlo y visualizarlo en tres displays de 7segmentos.
El código fuente utilizado en la versión final del proyecto,
luego de muchas modificaciones de perfeccionamiento es el
siguiente:
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Costos del proyecto
Desde un principio se pensó que el costo final del proyecto
rondaría los 250 $. Como durante el desarrollo del mismo se fueron
modificando ciertas cosas relativas al hardware el costo varió
proporcionalmente; se hablará de estos cambios en la sección
“Problemáticas durante el desarrollo”.
Básicamente los componentes comprados y sus fechas de
adquisición responden a la siguiente tabla:
Fecha Descripción Costo
25/03/09 LED de alta intensidad rojo 1.50 $
25/03/09 LED de alta intensidad rojo / blco 3.10 $
07/04/09 ½ Kg de masilla plástica 12 $
07/04/09 5 fototransistores 5 $
08/04/09 Jack chico 3.5 mm estereo (plaq) 2 $
13/04/09 Cable plug chico / plug chico 5 $
13/04/09 Jack chico 3.5 mm estereo (cab) 1.50 $
16/04/09 3 x TL084 / Resistencias 6.60 $
13/05/09 Componentes varios 8.50 $
Redistribución de costos. Costo subtotal: 45.20 $
27/08/09 Fotocopia satinada (imprenta) 3.25 $
10/09/09 Componentes varios 91 $
15/09/09 Fotocopia satinada (imprenta) 3.25 $
17/09/09 Fotocopia satinada (imprenta) 3.25 $
19/09/09 Fotocopia satinada 1.15 $
22/10/09 Fotocopia satinada 1.15 $
26/10/09 Fotocopia satinada 1.15 $
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03/11/09 Adhesivo poxipol transparente 10.90 $
03/11/09 Componentes plaqueta sensora 10.60 $
04/11/09 Fotocopia satinada (imprenta) 3.25 $
12/11/09 Tornillos y bisagra 26.60 $
19/11/09 Batería alcalina 9V 11 $
Redistribución de costos. Costo subtotal: 166.05 $
Costo total del proyecto: 211.25 $
Costo por integrante: 70.42 $
Problemáticas durante el desarrollo y balance final
Sin duda fue un proyecto difícil de afrontar, desde un principio
el grupo pensó en usar un display LCD para visualizar los datos, y a
último momento tuvo que ser reemplazada por 3 displays de 7
segmentos multiplexados. El cambio tuvo que ser efectuado porque
por un lado el display LCD es al menos 5 veces más caro que el
costo de montar 3 displays de 7 segmentos multiplexados; por otro
lado tiene una dificultad técnica muy elevada, ya que los datos
tienen que llegar en instantes muy precisos (nanosegundos) al LCD
para que sean expuestos en la pantalla. Otro de los aspectos
negativos del display LCD es que para utilizarlo se tienen que
emplear muchos puertos provenientes del microcontrolador, cosa
que no ocurre con los displays de 7 segmentos multiplexados, que
en total en nuestro caso necesitaron 10 puertos libres.
Otra problemática fue la de suprimir la banda espuria de 50
Hertz, inducida al circuito debido a que la medición se realiza dentro
de una instalación eléctrica que funciona a 50 Hz. Para solucionar
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este problema, el dispositivo fue pensado para funcionar a batería;
precisamente el proyecto lleva una batería de 9 V.
Muchos problemas ocurrieron en la realización de la plaqueta
sensora, ya que se estaba sensando una variación de tensión de 10mV a 20 mV. Igualmente el circuito eléctrico fue copiado de una
revista de electrónica, pero presentaba sus problemas de
realización. Finalmente a mediados de año logramos hacer
funcionar la plaqueta sensora, pero luego de un largo período de
experimentación.
La plaqueta de display tuvo que ser rehecha 3 veces, ya que
las pistas fueron diseñadas para ser muy finas, cosa difícil de lograr
en la práctica. Fue terminada a fines del mes de octubre.
El ensamblaje de los bloques del proyecto no fue dificultoso,
ya que por suerte funcionó satisfactoriamente desde un principio. Lomismo sucedió con la plaqueta madre, que anduvo desde el inicio.
El gabinete del proyecto fue pensado para ser de acrílico
transparente de un grosor de 5 milímetros, siendo la tapa articulada
con una bisagra para poder cambiar la batería en el oportuno caso
de que se acabase o en el caso de que ocurriese un desperfecto
eléctrico. La elaboración de la caja fue bastante más complicada delo que pensábamos. El acrílico es un material quebradizo, y para
ensamblar las partes usamos tornillos, por lo tanto fue muy difícil
hacer que todo encajara como debía. Igualmente el resultado final
de la caja es convincente, ya que parece sólida y se puede ver
hacia adentro, propiedad por la cuál seleccionamos el acrílico entre
varios otros materiales.
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Fuentes de información
Las fuentes de información fueron principalmente extraídas de
Internet, de proyectos similares, videos de www.youtube.com de
cardiometros, esquemas electrónicos de pulsímetros, oxímetros,
pletismógrafos. Fueron investigados los procesos de adquisición de
cada sistema, estudiando la posibilidad de utilizar los más
convenientes en nuestro proyecto.
También fue utilizado, ocasionalmente, material proveniente
de la biblioteca escolar relativo a ciertos componentes incumbentes
al proyecto, como tiristores o filtros activos.
Las hojas de datos (datasheets) del proyecto fueron extraídas
de las principales páginas de Internet poseedoras de base de datos
de componentes electrónicos, tales como:
- www.alldatasheet.com
- www.datasheetcatalog.com,
- www.datasheetarchive.com
- www.datasheetlocator.com/es
Datos adicionales sobre medicina fueron extraídos de
www.wikipedia.com .
Circuitos impresos de las plaquetas
Los circuitos impresos (Boards) de las plaquetas realizadas se
presentarán, a continuación:
Plaqueta madre:
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Plaqueta sensora:
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