monitor de ritmo cardíaco

Monitor de ritmo cardíaco

Integrantes:

• Leandro Ferrazzi • Lucas Freddi • Martín Moyano • Profesor Gastón Salaya

| Monitor de ritmo cardíaco | Año 2009

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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 que

incomodan 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 la

hemoglobina 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 situado

arriba 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 produciendo

o 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 no

inversores 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 frecuencia

de 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 del

accionamiento 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 el

puerto 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 Descripción Zócalos

1 Zócalo de 18 patas 2 Zócalo de 8 patas 2 Zócalo de 14 patas 1 Zócalo de 16 patas

Circuitos integrados 1 LM324N - Cuádruple OP. AMP. 2 LM555N - Temporizador de uso general 1 CD4011 - Cuádruple nand 1 CD4511 - Decodificador BCD a 7 segmentos 1 PIC 16F84A - Microcontrolador 2 L7805CV - Regulador de tensión

Varios 27 Tornillos de diversas medidas 1 Portabateria de 9 V 1 Batería alcalina de 9 V 5 Bornera L04P 1 Bornera W237-102 2 Jack estéreo 3.5 mm 1 Cable plug 3.5 mm / plug 3.5 mm (1.7 Metros) 1 Cristal de cuarzo de 4 MHz 1 Pulsador NA para chasis 3 HD-H103 - Display de cátodo común 1 HLMP-D101A - LED rojo de alta intensidad 4 LED de 3 mm 1 SFH313 - Fototransistor 2 LED de 5 mm 1 Adhesivo poxipol transparente 1 Bloque de acrílico de 5 mm de espesor


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1 500 g de masilla plástica 1 Cloruro férrico concentrado 250 ml 1 Plaqueta vírgen de 20 cm x 20 cm 1 EMX-7T05SP - Buzzer de 6 V

Semiconductores 4 BC547 - Transistor de uso general NPN 1 1N4148 - Diodo switching 3 1N4007 - Diodo rectificador

Resistencias 9 220 Ω - E24 3 2,2 KΩ - E24 1 1 KΩ - E24 3 22 KΩ - E24 3 1 MΩ - E24 4 100 KΩ - E24 1 470 KΩ - E24 1 4,7 MΩ - E24 4 47 kΩ - E24 2 10 KΩ - E24 4 680 Ω - E24

Capacitores 2 22 pF - Cerámico 7 100 nF - Cerámico 4 470 uF - Electrolítico 3 10 uF - Electrolítico

Presets 1 10 KΩ - preset horizontal 1 1 MΩ - 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 pulsos LED 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 7

segmentos.

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 $



19/09/09 Fotocopia satinada 1.15 $




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03/11/09 Adhesivo poxipol transparente 10.90 $

03/11/09 Componentes plaqueta sensora 10.60 $


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 10

mV 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. Lo

mismo 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 de

lo 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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Plaqueta de display:

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